Динамические горизонты событий черных дыр: новый взгляд на энтропию и гравитацию
Группа физиков под руководством профессора Университета штата Пенсильвания Абхая Аштекара предложила новый способ описания термодинамики черных дыр, которые не находятся в состоянии равновесия. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, преодолевает ограничения классических законов механики черных дыр Стивена Хокинга, которые были применимы только к статичным объектам. Новая работа предлагает определять энтропию черной дыры через так называемые динамические горизонты, что открывает путь к пониманию эволюции черных дыр, включая их слияния и испарение.
Черные дыры, эти загадочные объекты во Вселенной, обладают настолько мощной гравитацией, что даже свет не может покинуть их пределы. На протяжении десятилетий физики использовали сложные уравнения теории относительности Эйнштейна и квантовой механики, чтобы понять их природу.
В начале 1970-х годов Стивен Хокинг и его коллеги совершили прорыв, обнаружив удивительные параллели между механикой черных дыр и законами термодинамики, описывающими, например, процессы нагрева и охлаждения обычных тел. Они показали, что площадь горизонта событий черной дыры пропорциональна ее энтропии – мере хаоса, которая, согласно второму закону термодинамики, может только возрастать, а температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе.
Однако у этой красивой теории было серьезное ограничение. Законы Хокинга были сформулированы для черных дыр, находящихся в равновесии и не изменяющихся со временем. В реальности же черные дыры постоянно эволюционируют: они формируются, сливаются и в конечном итоге испаряются, излучая энергию и частицы, как это предсказал сам Хокинг, применив квантовую механику.
В таких динамических ситуациях горизонт событий, граница, за которой гравитация становится неодолимой, перестает быть надежной мерой энтропии. Дело в том, что горизонт событий обладает телеологическим свойством – его положение зависит от будущих событий, которые могут произойти или не произойти. Он может расти в плоских областях пространства-времени, где ничего не происходит, и его свойства нельзя определить на основе локальной физики черной дыры в данный момент времени. Это делает его непригодным для описания динамических процессов.
Новое исследование, проведенное командой Абхая Аштекара, предлагает остроумное решение. Вместо «обычного» горизонта событий ученые предлагают использовать так называемые динамические горизонты. Эти горизонты уже применяются в численных моделях, симулирующих черные дыры, и их главное преимущество в том, что они характеризуются свойствами черной дыры в конкретный момент времени.
Чтобы понять, как телеологическое свойство применительно к черным дырам, нужно на секунду отвлечься от физики и вспомнить философию.
Слово «телеология» происходит от греческого telos — «цель» или «конечный результат». В философии телеологическим называют объяснение явления не его текущими причинами, а его будущей целью или тем, чем оно должно стать в конце. Например, сказать «желудь стремится стать дубом» — это телеологическое суждение, потому что мы объясняем свойства желудя тем, что с ним случится в будущем.
читать далее
В физике это свойство крайне необычно, потому что мы привыкли, что все определяется прошлым и настоящим (то есть причина — следствие). А вот с горизонтом событий черной дыры (той самой границей, за которую даже свет не может вырваться) все ровно наоборот, и это как раз и есть его телеологичность.
Вот как это работает на практике.
Горизонт событий — это глобальная, а не локальная вещь. Чтобы точно определить, где находится горизонт событий, ученому нужно знать всю историю Вселенной до самого бесконечного будущего. Он должен предсказать, упадет ли в эту черную дыру какой-нибудь кусок материи через миллиард лет, или черная дыра сольется с другой через триллион лет. От того, упадет ли этот будущий кусок или нет, зависит, насколько большим будет радиус горизонта прямо сейчас.
Вот этот парадокс физики и называют телеологией горизонта событий: его площадь и положение в текущий момент времени зависят не от того, что происходит с черной дырой прямо сейчас (с какой скоростью она вращается, какая у нее температура или как искривляется пространство-время у ее поверхности), а от событий, которые могут произойти, а могут и не произойти в далеком будущем.
Для Стивена Хокинга это было не проблемой, потому что он рассматривал идеальные, равновесные черные дыры в статичной Вселенной, где будущее предопределено. Но современные астрофизики наблюдают реальные процессы: черные дыры сталкиваются, сливаются, поглощают звезды и испаряются (излучая Хокинговское излучение).
В этих динамических условиях ученым нужна мера энтропии и температуры, которую можно «пощупать» здесь и сейчас, глядя на саму черную дыру в данный момент времени. А телеологический горизонт событий для этого не годится: вы не можете сказать «энтропия этой дыры сейчас равна X», потому что для ответа вам нужно дождаться конца Вселенной.
Именно поэтому ученые предложили заменить горизонт событий на динамический горизонт. Это локальная граница, которая определяется исключительно тем, как сильно искривляется пространство-время прямо у поверхности черной дыры в текущий момент. Он не «знает» о своем будущем и не пытается к нему приспособиться, а значит, его свойства можно измерять здесь и сейчас, как и требует настоящая физика, а не философия.
Динамический горизонт свободен от телеологического недостатка, так как его определение не зависит от того, что случится в далеком будущем. Это позволяет распространить первый и второй законы термодинамики на черные дыры, далекие от равновесия.
В предложенной модели новая мера энтропии более тесно связана с физическими свойствами черной дыры, такими как ее спин (вращение) и энергия, что открывает возможности для лучшего понимания процессов ее испарения, роста при поглощении вещества и слияний с другими черными дырами, подобных тем, которые детектирует коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA с помощью гравитационных волн.
Результаты этой работы знаменуют собой значительный шаг вперед в понимании черных дыр. Они предлагают новый математический язык, который позволяет физикам изучать эти объекты не как статичные «монолиты», а как живые, эволюционирующие системы. Это открывает путь к созданию более точных моделей, которые смогут объяснить, как именно черные дыры растут, теряют массу и взаимодействуют друг с другом, приближая нас к разгадке самых экстремальных явлений во Вселенной.
Научная публикация:
Abhay Ashtekar, Daniel E. Paraizo et al, Thermodynamics of Black Holes, Far from Equilibrium, Physical Review Letters (2026). https://dx.doi.org/10.1103/3c1r-v8f1
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
