Законы термодинамики черных дыр Хокинга получили крупное обновление

Иллюстрация черной дыры, растущей под воздействием притока энергии. Новое исследование Университета штата Пенсильвания предлагает новую меру энтропии черной дыры, которая расширяет законы механики черных дыр Стивена Хокинга на неравновесные, динамические черные дыры, которые формируются, сливаются и испаряются. Credit: Jonathan Shu and Daniel Paraizo, Penn State, edited

Ученые предложили новый способ описания черных дыр, который может преодолеть серьезное ограничение одной из самых влиятельных идей Стивена Хокинга. Исследование представляет обновленный подход к термодинамике черных дыр, который работает даже когда черные дыры меняются с течением времени, что потенциально открывает новые возможности для понимания того, как они формируются, сливаются и медленно испаряются.

Черные дыры — одни из самых экстремальных объектов в известной Вселенной. Они сжимают огромные массы в невероятно малую область, создавая гравитацию настолько интенсивную, что даже свет не может ее покинуть. Чтобы понять эти космические объекты, физики полагаются на теорию общей теории относительности Эйнштейна и квантовую механику.

В начале 1970-х годов Стивен Хокинг и другие исследователи обнаружили удивительные связи между законами термодинамики, которые описывают знакомые процессы, такие как нагревание воды на плите, и поведением черных дыр.

«Законы механики черных дыр Хокинга обеспечили удовлетворительную связь между экстремальной и обычной физикой и были парадигмой на протяжении 50 лет, но у них есть серьезное ограничение», — сказал Абхай Аштекар, профессор физики Университета Атертона и заслуженный профессор физики Эвана Пью в Колледже наук Эберли Университета штата Пенсильвания и руководитель исследовательской группы. «Они были сформулированы для черных дыр в равновесии или неизменных во времени, но черные дыры постоянно меняются, они формируются, сливаются и в конечном итоге испаряются. Мы хотели найти способ преодолеть это ограничение и распространить законы на черные дыры, которые находятся в неравновесии».

Аштекар и его коллеги теперь предложили новый метод определения энтропии черной дыры — величины, которая измеряет беспорядок и, согласно второму закону термодинамики, никогда не может уменьшаться. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters и выбранные в качестве рекомендации редакции, представляют меру энтропии, которая более тесно связана со спином и энергией черной дыры. Исследователи говорят, что это может улучшить понимание учеными динамических событий, таких как слияние и испарение черных дыр.

Почему потребовалось обновление подхода Хокинга

«Законы механики черных дыр возникли непосредственно из уравнений Эйнштейна», — сказал Даниэль Э. Параизо, аспирант-физик Университета штата Пенсильвания и автор статьи. «Поскольку вы не можете заглянуть внутрь черной дыры, казалось, что существует бесконечное количество способов создать черную дыру, что делало их энтропию также бесконечной. Также считалось, что они только поглощают энергию и никогда не излучают, поэтому их температура была равна нулю».

Сначала эти идеи делали черные дыры несовместимыми с привычными законами термодинамики, поскольку они, казалось, обладали бесконечной энтропией и не имели температуры. Позже Хокинг изменил эту картину, используя квантовую механику, чтобы продемонстрировать, что черные дыры могут излучать частицы и энергию.

«Это изменило представление о термодинамических свойствах черных дыр от своего рода математической концепции, описываемой уравнениями, до более физической реальности», — сказал Параизо. «Это открыло дверь для поиска аналогий в черных дырах энтропии и температуры, используемых в термодинамике».

Хокинг предположил, что размер горизонта событий черной дыры — границы, за пределы которой не может вырваться даже свет, — пропорционален ее энтропии. Он также показал, что температура черной дыры зависит от комбинации ее массы и спина.

Лучшая мера для динамических черных дыр

По словам исследователей, проблема в том, что подход Хокинга работает только тогда, когда черная дыра находится в равновесии.

«Однако есть проблема», — сказал Джонатан Шу, аспирант-физик Университета штата Пенсильвания и автор статьи. «Эти аналогии действительно работают только для черной дыры, находящейся в равновесии. В динамических ситуациях горизонты событий могут формироваться и расти в так называемых плоских областях пространства-времени, где ничего не происходит. Это делает их телеологическими — их свойства нельзя определить только по локальной физике черной дыры, вместо этого они зависят от предсказания событий, которые могут произойти или не произойти в будущем. Следовательно, площадь горизонтов событий не может быть мерой физической энтропии динамических черных дыр. Если мы хотим понять черные дыры, которые растут, испаряются и сливаются, нам нужна жизнеспособная альтернатива».

Решение команды заменяет традиционный горизонт событий тем, что физики называют «динамическим горизонтом» — концепцией, которая уже широко используется в компьютерных симуляциях черных дыр. В отличие от горизонта событий, динамический горизонт определяется свойствами черной дыры в конкретный момент времени, что позволяет избежать осложнений, связанных с зависимостью от будущих событий.

«Это позволяет нам распространить первый и второй законы термодинамики на черные дыры, которые не находятся в равновесии, тем самым преодолевая ограничения парадигмы, которая использовалась более полувека», — сказал Аштекар. «Мы можем применить эти обобщенные законы, чтобы лучше понять испаряющиеся черные дыры в квантовой теории и слияния черных дыр, подобные тем, что были обнаружены коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA с помощью гравитационных волн».

Исследование было поддержано программой Atherton Professorship Program Университета штата Пенсильвания и Колледжем наук Эберли Университета штата Пенсильвания.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом штата Пенсильвания.

Abhay Ashtekar, Daniel E. Paraizo, Jonathan Shu. Thermodynamics of Black Holes, Far from Equilibrium. Physical Review Letters, 2026; 136 (25) DOI: 10.1103/3c1r-v8f1