Стівен Хокінг, Гравітаційні хвилі та термодинаміка чорних дір; Astrodicticum Simplex

Вчора, у своїй серії, я писав про наукову роботу Стівена Хокінга над теоремою особливості. Він став відомим як науковець наприкінці 1960-х років і зробив значний внесок у краще розуміння початку нашого Всесвіту. У наступні роки Хокінг інтенсивно присвячував себе об'єктам, які найбільше пов'язані з його науковою роботою сьогодні: чорним дірам.

Я, стикаючись з чорними дірами, створюю гравітаційні хвилі! Зараз я завжди фотографую, коли справа стосується чорних дір! Мені подобається ілюстрація! (Зображення: IGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))

Шлях туди веде через явище, яке часто не помічають із різноманітними темами Гокінга. У 1970 р. Він і Гері Гіббонс написали статтю про гравітаційні хвилі ("Теорія виявлення коротких сплесків гравітаційного випромінювання"). З 2016 року це явище мало лише багато заголовків. Тоді було оголошено перший конкретний доказ гравітаційних хвиль (див. Тут і посилання в цій статті). Але вже в 1958 році фізик Джозеф Веббер оголосив про вимірювання гравітаційних хвиль (див. Тут). До сьогоднішнього дня невідомо до кінця, чи йдеться про помилку вимірювання, чи насправді тоді були виявлені реальні гравітаційні хвилі (хоча думка схиляється до «помилок вимірювання»). Але теоретична фізика, безумовно, займалася вимірами Веббера, і Хокінг також міркував у статті 1970 року про методи виявлення, які можуть надати ясність. Незабаром після цього з’явилася ще одна стаття Хокінга: «Гравітаційне випромінювання від зіткнення чорних дір». Йшлося також про гравітаційні хвилі - але робота вийшла далеко за межі питання про їх виявлення.

У цій статті Хокінг опублікував те, що зараз називають його "Теорема про область" відомий. Хокінг виявив, що чорні діри, безумовно, можуть випромінювати гравітаційні хвилі під час зіткнень. Таким чином він втрачає енергію - поверхню, що має так званий Горизонт подій закриває, але все ще не може зменшитися: Коли дві чорні діри стикаються, горизонт подій діри, створеної під час злиття, перевищує суму розміру горизонтів двох окремих дір. Горизонт подій насправді є саме тим, що ми сприймаємо ззовні як «чорна діра». Це межа, при якій швидкість втечі перевищує швидкість світла. Іншими словами: ви можете підійти до чорної діри до горизонту подій, і якщо ви досить швидкі, ви можете знову відійти від неї. Тоді за горизонтом подій потрібно було б бути швидше світла, щоб уникнути сили тяжіння чорної діри, а це неможливо. Через це все, що знаходиться за горизонтом подій, не видно ззовні. Звідти ніщо не може втекти, тому ми не знаємо, що насправді стоїть за цим.

Разом із Джоном Бардіном та Брендоном Картером Стівен Хокінг опублікував у 1973 році роботу під назвою "Чотири закони механіки чорних дір". У ній вони сформулювали чотири твердження про чорні діри, які можна розглядати аналогічно чотирьом основним принципам термодинаміки. І цей:

Нульовий закон: Гравітаційне прискорення на горизонті подій нерухомої чорної діри, що не обертається, має однакове значення скрізь.
Перше головне застереження: у випадку зовнішніх збурень загальна енергія чорної діри змінюється дуже специфічно (що сформулювати конкретно в даний час веде занадто далеко і не сприятиме кращому розумінню без особливих пояснень).
Другий закон: Площа горизонту подій може або залишатися незмінною, або зростати, але ніколи не зменшуватися.
Третій закон: Неможливо створити чорну діру, прискорення сили тяжіння на горизонті подій дорівнює нулю.

Якщо порівняти ці твердження з класичною термодинамікою, можна швидко побачити зв’язки. Нульовий закон відповідає твердженню, що температура фізичної системи завжди знаходиться в тепловій рівновазі. Перший закон - це те, що ми знаємо в термодинаміці як збереження енергії. Я вже пояснив відповідність другого закону вище. І третій закон є аналогом термодинамічного твердження, згідно з яким фізична система ніколи не може бути охолоджена до абсолютного нуля.

Зв'язок між чорними дірами та термодинамікою зачаровує - але також бентежить. Це насправді було лише формальним еквівалентом? А як щодо протиріч, що виникають? Інтерпретація Бекенштейном площі горизонту подій разом із Хокінгом теорема про область було доведено, що немає порушення другого закону термодинаміки. Якщо я кину щось у чорну діру, її ентропія і, отже, площа горизонту подій буде більшою, і все буде нормально (принаймні дуже спрощеними термінами). Але якщо чорні діри насправді Є об’єктами, які дотримуються термодинаміки, тоді вони також повинні мати температуру. А коли у них температура, їм доводиться віддавати випромінювання. Але це саме те, що чорні діри є за визначенням Ні зробити!

Потім Хокінг вирішив це протиріччя трохи пізніше відкриттям, яке досі є одним з найважливіших його внесків у теоретичну фізику. Але докладніше про це у наступній частині серії.