Чорні дірки не просто застигають у просторі. Вони змінюються, зливаються, вибухають. І знаменита теорія Стівена Хокінга 1970-х років? Вона важко справлялася з цими процесами.
Хокінг відкрив випромінювання. Термічний витік. Ідею про те, що ці космічні пастки з часом можуть випаровуватися, колапсувати та «вмирати». Це було революційне відкриття. Легендарним.
Але воно було обмеженим.
Нові дослідження припускають, що ми дивилися на проблему з неправильного ракурсу. Забудьте на мить про обрій подій. Уявіть каструлю із водою на плиті.
Кипляча вода – це хаос. Безладдя.
Цей безлад називається ентропією.
І в чорних дірок вона також є.
«Закони Хокінга… встановили задовільний зв’язок між екстремальною і звичайною фізикою… але мають серйозне обмеження» — Абхай Аштекер, Пенсільванський державний університет
У чому каверза? Закони Хокінга працюють лише тоді, коли чорна діра «відпочиває». У стані рівноваги. Без змін. Статична.
Але реальність не статична.
Чорні дини динамічні. Вони утворюються. Борються. Випаровуються.
Тому команда дослідників з Пенсільванського державного університету на чолі з Абхаєм Аштекером за підтримки студентів-магістрантів Даніеля Е. Парайзо та Джона Шу вирішила переписати правила. Не самі фізичні закони, які концептуальну основу.
Тінь Ейнштейна
Неможливо говорити про діри, не торкаючись гравітації. А про гравітацію неможливо говорити без Альберта Ейнштейна.
1915 рік. Публікація загальної теорії відносності.
Математика кричить: “Сингулярність”. Точка, де рівняння прагнуть нескінченності. Серце звіра.
Навколо неї? Обрій подій. Крапка неповернення. Гравітація там така сильна, що навіть світло застряє. Швидкість escape перевищує швидкість світла. Нічого не виходить назовні. Навіть інформація.
Десятиліттями вважалося, що все. Нульова температура. Нульове випромінювання. Нескінченна кількість способів створити дірку.
Здавалося, термодинамічні закони — ті приємні правила про енергію та безладдя — не мають жодного відношення до чогось такого похмурого.
Потім з’явився Хокінг.
1974 рік. Він змінив правила гри.
Раптом чорні дірки випромінювали тепло. Раптом у них виникла температура. Несподівано ми змогли застосувати до них термодинаміку. Це перевело їх із розряду математичних завдань у розряд фізичних реалій.
Рецепт Хокінга був витонченим. Площа дорівнює ентропії. Обертання і маса обернено пропорційні. Це працювало.
До тих пір, поки не перестало.
Проблема з ракурсом
Ось у чому проблема.
Аналогії дають збій, коли прискорюються процеси.
«У динамічних ситуаціях… горизонти подій можуть формуватися… там, де нічого не відбувається» — Джон Шу
Коли чорна дірка росте, зливається чи поглинає зірки, «горизонт подій» – погана вимірювальна одиниця.
Чому?
Тому що не можна визначити його властивості зараз.
Доводиться передбачати майбутнє. Доводиться бачити, чи зможе світло в результаті вирватися чи ні. Це не фізика. Це пророцтво.
Парайзо висловив це просто.
Якщо ви не можете заглянути усередину, ви не знаєте, що там відбувається. По-справжньому.
Площа цього горизонту не може вимірювати фактичну фізичну ентропію діри, що змінюється. Це індикатор, що запізнюється. Він марний розуміння народження чи загибелі звіра.
Тому команда з Пенсільванського державного університету вчинила радикально.
Вони відкинули обрій подій.
Замінили його на динамічний обрій.
Він уже використовувався у симуляціях, але ніколи не застосовувався повністю до законів термодинаміки.
Цей простий хід виправляє все.
Перший закон термодинаміки? Застосований. Енергія змінює форму, але не створюється нічого.
Другий закон? Застосований. Ентропія завжди зростає.
Більше не потрібно чекати на майбутнє, щоб визначити сьогодення.
Більше не потрібно, щоб чорна дірка залишалася нерухомою.
Це працює для народження. Злиття. Випаровування. Навіть для того вибухового фіналу, який передбачив Хокінг.
Це розширює закони межі 50-річної парадигми рівноваги.
«Ми хотіли знайти спосіб… поширити закони на чорні дірки, що знаходяться поза станом рівноваги» — Аштекер
Чи вирішує це всі наші проблеми?
Можливо.
Квантова теорія все ще має свої власні дірки. Але це змусило математику відповідати хаосу.
Нарешті, у нас є спосіб говорити про чорну дірку, поки вона рухається.
А не просто чекати, доки вона помре.
