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.
“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.