Стивън Хокинг, Гравитационни вълни и Термодинамика на черните дупки; Astrodicticum Simplex
Вчера в поредицата си писах за научната работа на Стивън Хокинг върху теоремата за сингулярността. Той стана известен като учен в края на 60-те години и допринесе значително за по-доброто разбиране на началото на нашата Вселена. В следващите години Хокинг се посвещава усилено на обектите, които са най-свързани с неговата научна работа днес: черните дупки.
IColiding черни дупки създават гравитационни вълни! Сега винаги правя снимката, когато става въпрос за черни дупки! Харесвам илюстрацията! (Изображение: IGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))
Пътят до там води през феномен, който често се пренебрегва с разнообразието от теми на Хокингс. През 1970 г. той и Гери Гибънс написаха статия за гравитационните вълни („Теория за откриване на кратки изблици на гравитационно излъчване“). Този феномен е направил много заглавия от 2016 г. насам. По това време беше обявено първото конкретно доказателство за гравитационни вълни (вижте тук и връзките в тази статия). Но още през 1958 г. физикът Джоузеф Уебър обявява измерването на гравитационните вълни (виж тук). Към днешна дата човек не е напълно сигурен дали става въпрос за грешка в измерването или в действителност по това време са били открити реални гравитационни вълни (въпреки че мнението клони към „грешки в измерването“). Но теоретичната физика определено се е занимавала с измерванията на Уебър, а Хокинг също предполага в статията от 1970 г. за методите за откриване, които могат да осигурят яснота. Малко след това се появява друга статия на Хокинг: „Гравитационно излъчване от сблъскващи се черни дупки“. Ставаше дума и за гравитационните вълни - но работата далеч надхвърляше въпроса за тяхното откриване.
В тази статия Хокинг публикува това, което сега се нарича негово "Теорема за площта" е известно. Хокинг установи, че черните дупки със сигурност могат да излъчват гравитационни вълни по време на сблъсъци. Така той губи енергия - повърхностната тази на т.нар Хоризонт на събитията затваря, но все още не може да се свие: Когато две черни дупки се сблъскат, хоризонтът на събитията на дупката, създадена по време на сливането, е по-голям от сумата от размера на хоризонтите на двете отделни дупки. Хоризонтът на събитията всъщност е точно това, което възприемаме отвън като „черна дупка“. Това е границата, при която скоростта на бягство надвишава скоростта на светлината. С други думи: можете да се приближите до черна дупка до хоризонта на събитията и ако сте достатъчно бързи, можете да се отдалечите от нея отново. Тогава зад хоризонта на събитията ще трябва да бъде по-бърз от светлината, за да избяга от гравитационната сила на черната дупка и това е невъзможно. Поради това всичко, което е отвъд хоризонта на събитията, не се вижда отвън. Нищо не може да избяга оттам и затова не знаем какво всъщност стои зад него.
Заедно с Джон Бардийн и Брандън Картър, Стивън Хокинг публикува работа през 1973 г., озаглавена „Четирите закона на механиката на черните дупки“. В него те формулират четири твърдения за черните дупки, които могат да се разглеждат аналогично на четирите основни принципа на термодинамиката. И това също:
- Нулев закон: Гравитационното ускорение в хоризонта на събитията на неподвижна, невъртяща се черна дупка има еднаква стойност навсякъде.
- Първи закон: В случай на външни смущения, общата енергия на черната дупка се променя по много специфичен начин (което да се формулира в конкретни термини сега води твърде далеч и не би допринесло за по-добро разбиране без много обяснения).
- Втори закон: Площта на хоризонта на събитията може или да остане същата, или да нараства, но никога да не се свива.
- Трети закон: Не е възможно да се създаде черна дупка, чието ускорение на гравитацията в хоризонта на събитията е нула.
Ако сравните тези твърдения с класическата термодинамика, можете бързо да видите връзките. Нулевият закон съответства на твърдението, че температурата на физическата система винаги е в топлинно равновесие. Първият закон е това, което познаваме в термодинамиката като запазване на енергията. Вече обясних еквивалента на втория закон по-горе. И третият закон е аналогичен на термодинамичното твърдение, според който физическата система никога не може да бъде охладена до абсолютна нула.
Връзката между черните дупки и термодинамиката е очарователна - но и объркваща. Това наистина ли беше само формален еквивалент? А какво да кажем за противоречията, които възникват? Интерпретацията на Бекенщайн за района на хоризонта на събитията, заедно с Хокингс теорема за площта доказано е, че няма нарушение на втория закон на термодинамиката. Ако хвърля нещо в черна дупка, тогава неговата ентропия и по този начин площта на нейния хоризонт на събитията ще бъде по-голяма и всичко е наред (поне с много опростени термини). Но ако черни дупки наистина Предмети, които следват термодинамиката, тогава те също трябва да имат температура. И когато имат температура, трябва да отделят радиация. Но точно това са черните дупки по дефиниция Не да направя!
След това Хокинг разрешава това противоречие малко по-късно с откритие, че и до днес е един от най-важните му приноси в теоретичната физика. Но повече за това в следващата част от поредицата.