Черные дыры не просто застывают в пространстве. Они меняются, сливаются, взрываются. И знаменитая теория Стивена Хокинга 1970-х годов? Она с трудом справлялась с этими процессами.
Хокинг открыл излучение. Термическую утечку. Идею о том, что эти космические ловушки со временем могут испаряться, коллапсировать и «умирать». Это было революционным открытием. Легендарным.
Но оно было ограниченным.
Новые исследования предполагают, что мы смотрели на проблему с неправильного ракурса. Забудьте на мгновение о горизонте событий. Представьте кастрюлю с водой на плите.
Кипящая вода — это хаос. Беспорядок.
Этот беспорядок называется энтропией.
И у черных дыр она тоже есть.
«Законы Хокинга… установили удовлетворительную связь между экстремальной и обычной физикой… но у них есть серьезное ограничение» — Абхай Аштекер, Пенсильванский государственный университет
В чем подвох? Законы Хокинга работают только тогда, когда черная дыра «отдыхает». В состоянии равновесия. Без изменений. Статична.
Но реальность не статична.
Черные дыны динамичны. Они образуются. Борются. Испаряются.
Поэтому команда исследователей из Пенсильванского государственного университета во главе с Абхаем Аштекером при поддержке студентов-магистрантов Даниэля Э. Парайзо и Джона Шу решила переписать правила. Не сами физические законы, а их концептуальную основу.
Тень Эйнштейна
Невозможно говорить о дырах, не затрагивая гравитацию. А о гравитации невозможно говорить без Альберта Эйнштейна.
1915 год. Публикация общей теории относительности.
Математика кричит: «Сингулярность». Точка, где уравнения стремятся к бесконечности. Сердце зверя.
Вокруг нее? Горизонт событий. Точка невозврата. Гравитация там настолько сильна, что даже свет застревает. Скорость escape превышает скорость света. Ничего не выходит наружу. Даже информация.
Десятилетиями считалось, что все. Нулевая температура. Нулевое излучение. Бесконечное количество способов создать дыру.
Казалось, термодинамические законы — те приятные правила об энергии и беспорядке — не имеют никакого отношения к чему-то столь мрачному.
Затем появился Хокинг.
1974 год. Он изменил правила игры.
Внезапно черные дыры излучали тепло. Внезапно у них появилась температура. Внезапно мы смогли применить к ним термодинамику. Это перевело их из разряда математических задач в разряд физических реалий.
Рецепт Хокинга был изящным. Площадь равна энтропии. Вращение и масса обратно пропорциональны. Это работало.
До тех пор, пока не перестало.
Проблема с ракурсом
Вот в чем загвоздка.
Аналогии дают сбой, когда процессы ускоряются.
«В динамических ситуациях… горизонты событий могут формироваться… там, где ничего не происходит» — Джон Шу
Когда черная дыра растет, сливается или поглощает звезды, «горизонт событий» — плохая измерительная единица.
Почему?
Потому что нельзя определить его свойства в данный момент.
Приходится предсказывать будущее. Приходится видеть, сможет ли свет в итоге вырваться или нет. Это не физика. Это пророчество.
Парайзо выразил это просто.
Если вы не можете заглянуть внутрь, вы не знаете, что там происходит. По-настоящему.
Площадь этого горизонта не может измерять фактическую физическую энтропию меняющейся дыры. Это запаздывающий индикатор. Он бесполезен для понимания рождения или гибели зверя.
Поэтому команда из Пенсильванского государственного университета поступила радикально.
Они отбросили горизонт событий.
Заменили его на динамический горизонт.
Он уже использовался в симуляциях, но никогда не применялся полностью к законам термодинамики.
Этот простой ход исправляет всё.
Первый закон термодинамики? Применен. Энергия меняет форму, но не создается из ничего.
Второй закон? Применен. Энтропия всегда растет.
Больше не нужно ждать будущего, чтобы определить настоящее.
Больше не требуется, чтобы черная дыра оставалась неподвижной.
Это работает для рождения. Слияния. Испарения. Даже для того взрывного финала, который предсказал Хокинг.
Это расширяет законы за пределы 50-летней парадигмы равновесия.
«Мы хотели найти способ… распространить законы на черные дыры, находящиеся вне состояния равновесия» — Аштекер
Решает ли это все наши проблемы?
Возможно.
Квантовая теория все еще имеет свои собственные «дыры». Но это заставило математику соответствовать хаосу.
Наконец-то у нас есть способ говорить о черной дыре, пока она движется.
А не просто ждать, пока она умрет.
