Dynamiczne czarne dziury można opisać na podstawie klasycznej termodynamiki?
Czarne dziury od pół wieku uważane są za obiekty, które łączą fizykę ekstremalną z tą najbardziej przyziemną. Już w latach 70. Stephen Hawking i inni fizycy zauważyli, że mechanika czarnych dziur rządzi się prawami przypominającymi zwykłą termodynamikę. Problem w tym, że owe prawa sformułowano dla czarnych dziur w stanie równowagi, czyli takich, które się nie zmieniają. Tymczasem prawdziwe czarne dziury nieustannie ewoluują – rosną, zderzają się, parują. Abhay Ashetkar, Daniel E. Paraizo oraz Jonathan Shu z Pennsylvania State University zaproponowali na łamach Physical Review Letters sposób na przezwyciężenie tego ograniczenia.
Dotychczas entropię czarnej dziury utożsamiano z powierzchnią jej horyzontu zdarzeń, granicy, zza której nic, nawet światło, nie może uciec. Im większy horyzont, tym większa entropia. Kłopot w tym, że horyzont zdarzeń jest, jak to ujęli autorzy, teleologiczny. Może powstawać i rosnąć nawet w płaskich, spokojnych obszarach czasoprzestrzeni, bo jego kształt zależy nie od tego, co dzieje się tu i teraz, lecz od całej przyszłej historii danej czasoprzestrzeni – łącznie ze zdarzeniami, które jeszcze się nie wydarzyły. Innymi słowy, żeby stwierdzić, czy w danym miejscu istnieje horyzont zdarzeń, trzeba by znać losy wszechświata aż do nieskończoności. To czyni z niego twór matematycznie elegancki, ale fizycznie niewygodny – zwłaszcza gdy chcemy opisywać dynamiczne procesy, takie jak zderzenia czarnych dziur rejestrowane przez detektory fal grawitacyjnych LIGO, Virgo i KAGRA.
Rozwiązaniem, jakie proponuje zespół Ashtekara, są tzw. horyzonty dynamiczne. W odróżnieniu od horyzontu zdarzeń, definiuje się je wyłącznie na podstawie właściwości czarnej dziury w danej chwili, bez zaglądania w przyszłość. Takie horyzonty są już od lat wykorzystywane w symulacjach numerycznych zderzeń czarnych dziur, ponieważ dają się wyznaczyć „na bieżąco", w trakcie samej symulacji, a nie dopiero po jej zakończeniu.
Opierając się na horyzontach dynamicznych, naukowcy sformułowali nową, uogólnioną wersję pierwszej zasady termodynamiki czarnych dziur. O ile klasyczna zasada opisywała jedynie nieskończenie małe różnice między sąsiednimi stanami równowagi, nowa wersja odnosi się do skończonych zmian wywołanych realnymi procesami fizycznymi: dopływem masy, momentu pędu czy energii fal grawitacyjnych. W połączeniu z wcześniej sformułowanym uogólnieniem drugiej zasady, prowadzi to do wniosku, że entropię ewoluującej czarnej dziury najlepiej utożsamiać z powierzchnią horyzontu dynamicznego, a nie horyzontu zdarzeń.
Tradycyjny opis czarnych dziur zapewniał spójny obraz, ale miał poważne ograniczenie dotyczące zakładania równowagi tam, gdzie w rzeczywistości mamy do czynienia z ciągłą zmianą. Nowe podejście ma tę zaletę, że opisuje czarną dziurę wyłącznie za pomocą wielkości określonych lokalnie, na samym horyzoncie, bez odwoływania się do warunków w nieskończoności, z których korzystały klasyczne sformułowania. To pozwala nam rozszerzyć pierwszą i drugą zasadę termodynamiki na czarne dziury, które nie znajdują się w stanie równowagi i w ten sposób przezwyciężyć ograniczenia paradygmatu używanego od pół wieku, stwierdził Ashtekar.
Zaproponowana metoda pozwala lepiej zrozumieć zarówno parowanie czarnych dziur w ramach teorii kwantowej, jak i procesy łączenia się czarnych dziur, które obserwujemy pośrednio dzięki rejestrowaniu fal grawitacyjnych.
Komentarze (0)