ПопулярноеРедакцияСвежееЛучшее
Итоги года

Гравитационные волны подтверждают сенсационную теорему Хокинга о площади чёрной дыры

5

Согласно теореме, выведенной Стивеном Хокингом из Общей теории относительности в 1971-м году, площадь поверхности чёрной дыры не может уменьшаться со временем. Это утверждение представляет интерес для физиков из-за его тесной связи со вторым законом термодинамики, по которому энтропия изолированной системы также должна с течением времени или оставаться неизменной, или возрастать до достижения термодинамического равновесия. Следовательно, так как энтропия чёрной дыры прямо пропорциональна площади её поверхности, возрастать должны обе.

В новом исследовании авторства Максимилиано Иси, Уилла М. Фарра и других это предположение подтверждается с помощью гравитационных волн, возникших вследствие столкновения двух чёрных дыр. Что интересно, доказанная теорема противоречит другому утверждению прославленного физика: чёрные дыры должны очень медленно испаряться под действием явления, называемого излучением Хокинга. Определение причины такого противоречия может привести к настоящему научному прорыву.

На видео – симуляция слияния двух сверхмассивных чёрных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда лет назад. Гравитационные волны от этого события использовали Максимилиано Иси и его команда для доказательства теоремы Хокинга о площади чёрной дыры. Credit: Simulating Extreme Spacetimes

«Площадь поверхности чёрной дыры не может уменьшаться – это похоже на второе начало термодинамики. Также им свойственно сохранение массы – здесь можно провести параллель с законом сохранения энергии, – говорит Максимилиано Иси, автор статьи и астрофизик из Массачусетского технологического института. – Сначала все думали, что это просто любопытное совпадение, однако вскоре стало ясно, что речь идёт о чём-то фундаментальном. У чёрных дыр есть энтропия, и она пропорциональна их площади. Это – важный факт об устройстве нашей Вселенной».

Как известно, если какой-то объект попадает за горизонт событий чёрной дыры, назад он выбраться не может: он неизбежно будет ею поглощён и увеличит её массу, вслед за чем, согласно Хокингу, увеличится и её площадь. С другой стороны, площадь поверхности чёрной дыры тем меньше, чем быстрее она вращается, а падающий объект как раз может её немного «раскрутить». Считается, что увеличение площади вследствие увеличения массы всегда перевешивает её уменьшение из-за ускорения вращения, и команда Максимилиано решила это проверить.

Для этого исследователи проанализировали первые гравитационные волны, обнаруженные человечеством – результат слияния двух гигантских чёрных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда лет назад. Замечены они были инструментом Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) в 2015-м году.

Команда разделила сигнал на две части – до и после слияния – и рассчитала массу и скорость вращения двух столкнувшихся чёрных дыр, а также той, что образовалась в результате. Полученные значения, в свою очередь, позволили определить площадь поверхности каждой из них.

«Они вращались вокруг друг друга всё быстрее и быстрее, из-за чего амплитуда гравитационных волн постоянно увеличивалась. Когда они наконец столкнулись, произошёл большой всплеск волн, – объясняет автор. – В результате образовалась новая чёрная дыра, находившаяся в возбуждённом состоянии. О ней мы многое смогли узнать, анализируя то, как она вибрирует. Это как будто бы вы звоните в колокольчик – по высоте и длительности звона можно узнать его форму, конструкцию и материал, из которого он сделан».

Площадь созданной чёрной дыры оказалась больше, чем сумма площадей двух начальных объектов. Такой результат доказал теорему Хокинга с доверительным уровнем 95%: «Мы впервые смогли дать этому численную оценку» – говорит Иси.

Однако упомянутая выше тайна всё ещё остаётся нераскрытой: если, как утверждает теорема, площадь чёрных дыр не может уменьшаться, то как они могут испаряться из-за излучения Хокинга – гипотетического явления, при котором чёрная дыра «излучает» элементарные частицы вблизи горизонта событий? Здесь квантовая механика сталкивается с ОТО, и учёные уже давно бьются над тем, чтобы примирить два направления.

«На больших промежутках времени закон нарушается, – объясняет противоречие Иси. – Это похоже на кипение воды. Если смотреть только на то, как внутри кастрюли исчезает вода, можно подумать, что её энтропия уменьшается. Но если учитывать пар, который из кастрюли выделяется, то общая энтропия увеличивается. То же самое происходит с чёрными дырами и излучением Хокинга».

Теперь, когда закон о площади доказан для малых и средних промежутков времени, цель исследователей – анализировать больше данных о гравитационных волнах, ведь чёрные дыры являются неисчерпаемым источником информации о взаимодействии разных направлений в физике: «Чёрные дыры – это места, где гравитация встречается с квантовой механикой. Благодаря этому они – идеальные площадки для проверки нашего понимания реальности».

Оригинальная статья была опубликована в Physical Review Letters, полный текст доступен по ссылке.
Источник – Live Science.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

47

Друзья, этот материал был написан редакцией Альфа Центавра. В ноябре мы значительно сократили количество рекламных баннеров и всплывающих элементов на сайте, чтобы вам было комфортнее здесь находиться. Это привело к весомому падению дохода от рекламы, а после того как к редакции присоединились новые люди, сайт перестал себя окупать. Но откатывать изменения мы не собираемся.


Мы всегда опирались в первую очередь на собственную аудиторию. Если вам нравится то, что мы делаем, если вы разделяете наши ценности и готовы поддержать наш проект материально на любую сумму, — мы будем невероятно рады такой поддержке. Все способы отправить нам донат можно найти на этой странице, однако самыми удобными для нас и вас являются сервис Patreon и пожертвования в системе PayPal.


Сайт Alpha Centauri всегда останется уголком комфорта для любителей космоса. Наши и ваши усилия позволят нам всем стать ближе к звёздам.

Павел Поцелуев, руководитель проекта.


Войдите, чтобы видеть ещё 66 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Полезная Эллен Рипли
Вечность назад

Как можно доказать теорему по одному событию? По одному событию можно только опровергнуть (контрпример) и то не всегда. То, что это выполнилось для слияния не значит, что будет выполняться всегда. У ЧД радиус (Шварцшильда) пропорционален массе, следовательно площадь пропорциональна квадрату массы. Т.е. если произошло слияние двух дыр одинаковой массы, то площадь получившейся дыры будет в 4 раза больше каждой, т.е. в 2 раза больше суммы площадей начальных дыр. Термодинамика для объяснения тут и не нужна.

Занимательный Сергей Королёв
Вечность назад

Поверхность ЧД? Наверно это про горизонт событий. Пусть горизонт событий представляет из себя сферу, по которой может бесконечно двигаться фотон. Если бы его скорость была меньше, то он упал бы в ЧД, а если больше, то улетел бы на свободу. То есть, не может быть такой орбиты фотона, чтобы он мог полететь ниже линии горизонта событий с возможностью вернуться назад. Из этого я делаю вывод, что площадь горизонта событий неизменна, но может ненадолго возрастать за счёт снижения скорости света в среде падающей в ЧД материи. Если такое временное увеличение радиуса сферы названо увеличением площади ЧД, то осталось проверить эту площадь после слияния.

Весёлый Вернер фон Браун
Вечность назад

Спасибо за виртуозный и богатый перевод. Я не знаю, кому идут "очки" за такой (редакционный) материал, но он заслуживает их всех. Детектив! Бомба! Читаешь и плачешь над своими жалкими остатками знаний.

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.