Черные дыры выбирают беспорядок: новый взгляд на гравитацию через призму термодинамики

В коллаборации физиков под руководством Университета штата Пенсильвания было сделано открытие, предлагающее новый взгляд на слияния черных дыр. Исследователи обнаружили, что конечное состояние образовавшейся после столкновения черной дыры, ее масса и скорость вращения, может быть предсказано не только с помощью сложных уравнений общей теории относительности, но и через принципы термодинамики, а именно через максимизацию энтропии. Полные результаты этого исследования, которые указывают на глубокую связь между гравитацией и статистической физикой, были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Когда две массивные черные дыры, вращаясь рядом, неизбежно сближаются по спирали и сталкиваются, это событие порождает колоссальные гравитационные волны, способные растягивать и сжимать саму ткань пространства-времени на расстоянии в миллиарды световых лет. Эти колебания, улавливаемые сверхчувствительными детекторами на Земле, несут в себе уникальную информацию о процессе слияния.

Однако, чтобы предсказать, какими будут характеристики новорожденной черной дыры, финального остатка, который вскоре успокаивается и «звенит», как гигантский колокол, ученым обычно приходится задействовать суперкомпьютеры для решения невероятно сложных уравнений, вытекающих из теории относительности Эйнштейна.

Авторы новой работы задались нестандартным вопросом: можно ли упростить этот путь, используя законы термодинамики, раздела физики, который традиционно описывает поведение огромных скоплений частиц, например, молекул в газе или жидкости. Долгое время считалось, что черные дыры, как сугубо гравитационные объекты, находятся вне сферы действия этих законов, пока Стивен Хокинг не доказал, что они могут излучать энергию. Вдохновившись недавними прорывами в описании динамических черных дыр, исследователи решили проверить, можно ли применить термодинамическую аналогию к процессу их слияния.

Суть их гипотезы, получившей название «гипотезы о максимальной энтропии при слиянии черных дыр», удивительно проста и элегантна. В термодинамике, когда два газа смешиваются, нет нужды отслеживать движение каждой отдельной частицы, чтобы узнать конечную температуру или давление смеси; достаточно применить принцип максимизации энтропии — меры хаоса или количества возможных конфигураций системы. Природа всегда стремится к состояниям с большей энтропией, поскольку таких состояний попросту больше. Ученые предположили, что слияние черных дыр подчиняется тому же фундаментальному организующему принципу.

Для проверки этой идеи команда сравнила изменение массы и углового момента (вращательного импульса) в процессе слияния с тем, что теряется вместе с гравитационными волнами. Они рассмотрели гипотетическую последовательность возможных вращающихся черных дыр-остатков и вычислили их энтропию.

Результат оказался поразительным: значения массы и вращения, при которых энтропия этой последовательности достигала своего максимума, с точностью до нескольких процентов совпали с теми параметрами, которые предсказывают полноценные численные симуляции относительности на суперкомпьютерах. Это означает, что конечная черная дыра действительно «выбирает» состояние с максимальной энтропией, будто «забывая» практически все сложные детали своего бурного рождения, кроме двух чисел: своей окончательной массы и вращения.

Таким образом, исследование не только предлагает более простой вычислительный метод для астрофизиков, но и поднимает куда более глубокий вопрос на стыке гравитации и квантовой физики. Оно намекает на то, что максимизация энтропии может быть не просто удобным математическим приемом, а фундаментальным законом, управляющим поведением черных дыр в самом общем смысле.

В итоге группа физиков показала, что конечные характеристики черной дыры, образующейся при слиянии, можно предсказать, используя термодинамический принцип максимизации энтропии, что дает удивительно точные результаты, совпадающие со сложными компьютерными моделями, и указывает на глубинную связь между гравитацией и статистической физикой.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях