Dynaamiset tapahtumahorisontit ja mustien aukkojen entropia

Kuvittele laki, joka toimii vain silloin kun mikään ei muutu. Se olisi outoa meteorologiassa, ja se on silmiinpistävää mustien aukkojen fysiikassa, jotka määrittyvät äärimmäisen muutoksen kautta: törmäykset, kasvupyrähdykset ja hidas haihtuminen. Viidenkymmenen vuoden ajan oppikirjakertomus, syntynyt 1970-luvulla Stephen Hawkingin ja muiden työnä, yhdisti mustat aukot termodynamiikkaan käyttämällä tapahtumahorisontin pinta-alaa entropian edustajana. Tyylikästä. Voimakasta. Mutta puutteellista.

Kuva mustasta aukosta, joka kasvaa energian tulon seurauksena. Uusi Penn Staten tutkimus ehdottaa uutta mittaria mustan aukon entropialle, joka laajentaa Stephen Hawkingin mustien aukkojen mekaniikan lait myös niin sanotuille epätasapainossa oleville, dynaamisille mustille aukkoille, jotka muodostuvat, yhdistyvät ja haihtuvat. 

Kun tasapaino muuttuu ongelmaksi

Mustien aukkojen termodynamiikka syntyi paradoksista. Klassinen yleinen suhteellisuusteoria näytti vaativan, että mustat aukot voivat vain imeä sisään eivätkä koskaan säteillä, joten niiden lämpötila olisi nolla ja entropia määrittelemätön tai ääretön. Sitten Hawking osoitti, että kvanttimekanismi sallii mustien aukkojen säteilyn. Lämpötila ja entropia pelastuivat ja liitettiin geometriaan: horisontin pinta-ala vastasi entropiaa ja pinta-gravitaatio lämpötilaa. Tulos yhdisti kaksi fysiikan kulmakiveä.

Mutta mukana oli piilevä varaus. Nämä suhteet johdettiin olettaen tasapaino. Toisin sanoen ne pätevät, kun musta aukko ei muutu. Se on vakava varaus. Todelliset mustat aukot eivät yleensä pysy paikoillaan. Ne ruokkivat kaasua, törmäävät toisiin mustiin aukkoihin ja vuotavat hitaasti massaa kvanttisäteilyn kautta. Matemaattinen olio Hawkingin kuvassa, tapahtumahorisontti, määritellään globaalisti avaruus-ajassa. Sen sijainti voi riippua siitä, mitä tapahtuu kaukana tulevaisuudessa. Se tekee siitä teleologisen: nykytilan luonnehtimiseen tarvitaan tieto tulevasta.

"Hawkingin mustien aukkojen mekaniikan lait tarjosivat tyydyttävän yhteyden äärimmäisen ja tavanomaisen fysiikan välillä ja ovat olleet paradigma viisi vuosikymmentä, mutta niillä on vakava rajoitus", sanoi Abhay Ashtekar, Atherton University Professor ja Evan Pugh Professor of Physics Emeritus Penn Statesta. "Ne muodostettiin tasapainotilassa oleville mustille aukkoille, mutta mustat aukot muuttuvat jatkuvasti. Halusimme löytää tavan laajentaa lakeja epätasapainossa oleviin mustiin aukkoihin."

Paikallinen vaihtoehto: dynaamiset horisontit

Mitä jos entropia voitaisiin kytkeä pintaan, joka määritellään paikallisen fysiikan perusteella tiettynä hetkenä? Tätä polkua seurasi Ashtekariin johtama ryhmä, ja tulokset on julkaistu Physical Review Lettersissä. Tapahtumahorisontin sijaan he ehdottavat dynaamisten horisonttien käyttöä. Nämä ovat pintoja, jotka tunnistetaan mustan aukon lähellä vallitsevasta geometrisesta muodosta ja aineen sisällöstä. Ne käyttäytyvät horisonttien tavoin simuloinneissa ja reagoivat suoraan sisään virtaavaan energiaan, kulmamomenttiin ja säteilyyn.

Miksi sillä on merkitystä? Koska dynaamisen horisontin voi paikantaa käyttäen nykyhetkessä saatavilla olevaa tietoa. Se ei vaadi ennustamista. Tämä poistaa teleologisen hankaluuden ja avaa tien termodynaamiselle kirjanpidolle, joka toimii samalla kun musta aukko kasvaa, yhdistyy tai haihtuu.

Daniel Paraizo, jatko-opiskelija ja yhteistekijä, kuvasi näkökulman muutosta: "Koska et voi nähdä mustan aukon sisälle, vaikutti siltä, että mustan aukon voi muodostaa äärettömän monella tavalla, jolloin niiden entropia olisi myös ääretön. Hawkingin säteily muutti tuota kuvaa ja teki entropiasta ja lämpötilasta fyysisesti merkityksellisiä. Työmme vie tätä eteenpäin sitomalla entropian määriteltäviin, tiettynä hetkenä mitattaviin suureisiin."

Kuinka uusi entropia mitataan

Muutettu määritelmä yhdistää entropian läheisemmin mustan aukon energiaan ja pyörimisliikkeeseen. käytännössä menetelmä seuraa, miten dynaamisen horisontin pinta-ala muuttuu vastauksena sisään tuleviin massa-energian ja kulmamomentin virtoihin, mikä tuottaa yleistetyn ensimmäisen lain mustien aukkojen mekaniikalle epätasapainotilanteissa. Toinen laki, väite siitä, että entropia ei vähene, löytää myös luonnollisen laajennuksen tässä viitekehyksessä.

Jonathan Shu, toinen projektin jatko-opiskelija, korosti teknistä etua: "Tapahtumahorisontit voivat muodostua ja kasvaa avaruus-ajan alueilla, joissa ei tapahdu mitään paikallista." hän totesi. "Se tekee niistä sopimattomia fyysiseksi entropian mittariksi dynaamisille mustille aukoille. Dynaamiset horisontit välttävät tämän ongelman, koska ne määritellään paikallisesti."

Käsitteellisellä tasolla tämä on siisti korjaus. Käytännössä se on merkittävä. Numeraaliset relativiteettikoodit, jotka mallintavat mustien aukkojen törmäyksiä, käyttävät jo suureita, jotka vastaavat dynaamisia horisontteja. Penn Staten ehdotus liittää termodynaamisen kielen samoihin suureisiin, jolloin entropian tasapainon tulkinta fuusioiden aikana helpottuu ja paranee gravitaatioaaltohavaintojen yhteydessä.

Seuraukset gravitaatioaalloille ja kvanttihaihtumiselle

Gravitaatioaaltoastronomia on tehnyt mustien aukkojen fuusioista empiirisen aiheen. Kun LIGO ja sen kumppanit tallentavat kahden mustan aukon lähestymisen ja fuusion, ne mittaavat massoja ja pyörimisliikkeitä ennen ja jälkeen tapahtuman. Mutta termodynaamisen kaltaisten suureiden muutosten tulkitseminen väkivaltaisen epätasapainovaiheen aikana vaatii varovaisuutta. Uusi viitekehys antaa teoreetikolle fyysisesti merkityksellisen entropian, jonka voi laskea noina jaksoina, parantaen simulaatioiden ja havaintojen vertailua.

Kvanttitasolla mustan aukon haihtuminen on edelleen syvä pulma. Hawkingin alkuperäinen laskelma käyttää kvanttikenttiä kiinteällä tausta-avaruus-ajalla ja tuottaa hitaan massan menetyksen säteilyn kautta. Kuinka tuo prosessi kunnioittaa tai muuttaa termodynaamisia lakeja, kun musta aukko on kaukana tasapainosta, on avoin kysymys. Dynaamiseen horisonttiin perustuva entropia antaa paremmin määritellyn kohteen mille tahansa kvanttigravitaatioteorialle, joka pyrkii toistamaan tai laajentamaan Hawkingin tulosta.

Tämä uusi entropian mitta mahdollistaa termodynamiikan lakien käytön todellisille, muuttuville mustille aukkoille.

Asiantuntijan näkemys

"Siirtyminen globaalista horisontista paikallisesti määriteltävään dynaamiseen horisonttiin on käytännöllinen ja filosofisesti tyydyttävä askel", sanoi tohtori Maya Gonzalez, tähtitieteilijä, joka työskentelee tiheiden kappaleiden numeeristen simulaatioiden parissa. "Se tuo termodynamiikan kielen niihin alueisiin, joita gravitaatioaaltoilmaisimet todellisuudessa tutkivat. Se auttaa yhdistämään teoriaa, simulointia ja havaintoja tiiviimmin."

Gonzalez lisäsi, että lähestymistapa ei vielä ratkaise kaikkia mustan aukon informaation ja haihtumisen paradokseja, mutta se tarjoaa selkeämmän termodynaamisen kirjanpidon nopeasti muuttuville prosesseille. "Se itsessään on suuri askel eteenpäin", hän sanoi.

Päätelmä

Fysiikka edistyy löytämällä oikean kielen ilmiöille sellaisina kuin ne esiintyvät luonnossa. Puolentoista vuosisadan sijaan, tarkemmin viidenkymmenen vuoden ajan, horisontin pinta-ala toimi kauniisti stationaarisille mustille aukkoille. Penn Staten ryhmän ehdotus tarjoaa kieliopin lauseille, jotka muuttuvat kesken lauseen. Määrittelemällä entropian dynaamisten horisonttien kautta ja sitomalla sen paikalliseen energiaan ja pyörimisliikkeeseen he tekevät termodynaamisista väitteistä sovellettavia niihin mustiin aukkoihin, joita voimme havaita ja simuloida.

Edessä on vielä työtä. Tutkijat haluavat testata näitä yleistettyjä lakeja yksityiskohtaisissa fuusiosimulaatioissa ja kvanttikaihtumisen malleissa. He tutkivat myös, käyttäytyykö uusi entropia odotetusti ääritapauksissa ja tuottaako se uusia havaittavia merkkejä gravitaatioaalloissa. Toistaiseksi siirtymä kohti paikallisuutta palauttaa fysikoille arvostaman ominaisuuden: ennustettavuuden, joka perustuu saatavilla olevaan tietoon eikä tulevaisuuden tuntemukseen.