Сама по себе черную дыру очень легко описать. Единственные наблюдаемые свойства черной дыры - это ее масса, ее электрический заряд (обычно нулевой) и ее вращение или спин. Неважно, как образуется черная дыра. В конце концов, все черные дыры имеют одинаковую общую структуру. Что странно, если подумать. Бросьте вместе достаточно железа и камня, и вы получите планету. Если сложить водород и гелий, получится звезда. Но вы могли бы собрать скошенную траву, жевательную резинку и старуюГарри Поттеркниги, и вы получите такую же черную дыру, какую получили бы, если бы просто использовали чистый водород.
Это странное поведение черных дыр известно как теорема об отсутствии волос, и оно связано с тем, что известно как информационный парадокс. Короче говоря, поскольку все во Вселенной можно описать определенным объемом информации, а объекты не могут просто исчезнуть, общий объем информации во Вселенной должен быть постоянным. Но если вы бросите стул в черную дыру, он просто увеличит массу и вращение черной дыры. Вся информация о цвете стула, деревянном или стальном, высоком или низком, теряется. Итак, куда делась эта информация?
Кажется, что черная дыра лишает объекты информации. Кредит: [электронная почта защищена] - Гравитация @ Университет Авейру
Одно решение этого информационного парадокса могло быть возможным благодаря Стивену Хокингу. Еще в 1974 году он продемонстрировал, что горизонт событий черной дыры не может быть абсолютным. Из-за квантовой неопределенности черные дыры должны излучать крошечное количество света, теперь известное как излучение Хокинга. Излучение Хокинга никогда не наблюдалось, но если оно существует, информация, теряемая при попадании объектов в черную дыру, может быть вынесена из черной дыры через этот свет. Таким образом, информация действительно не потеряна.
Если излучение Хокинга реально, это также означает, что черные дыры подчиняются законам термодинамики. Это идея, впервые предложенная Якобом Бекенштейном. Если черные дыры излучают свет, они должны иметь тепловую температуру. Исходя из идеи Бекенштейна, несколько физиков показали, что существует набор законов для черных дыр, известный как термодинамика черной дыры.
Поскольку вы читаете эту статью, вы, вероятно, знакомы со вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия любой системы должна увеличиваться. Это причина того, что чашка горячего кофе со временем остывает, слегка нагревая комнату до тех пор, пока температура кофе и комнаты не станет одинаковой. Вы никогда не увидите, как холодная чашка кофе самопроизвольно нагревается, слегка охлаждая комнату. Другой способ сформулировать второй закон заключается в том, что тепло течет от горячего объекта к окружающим более холодным объектам.
Данные гравитационных волн показывают увеличение площади черной дыры. Предоставлено: Иси, Максимилиано и др.
Для черных дыр второй закон термодинамики применим к области горизонта событий черной дыры. С этой областью связана температура Хокинга черной дыры. Чем больше черная дыра, тем ниже ее температура Хокинга. Итак, второй закон термодинамики черных дыр гласит, что для любого слияния черных дыр энтропия должна увеличиваться. Это означает, что площадь поверхности образовавшейся черной дыры должна быть больше, чем площади поверхности двух исходных черных дыр вместе взятых. Это известно какТеорема Хокинга об площади.
Конечно, все это связка математической теории. Это то, чего мы ожидаем, учитывая наше понимание физики, но доказать, что это совсем другое дело. Теперь исследование вПисьма с физическими проверкамипредоставил нам доказательства того, что это правда. [^ 1] Команда изучила самое первое наблюдение двух сливающихся черных дыр. Событие теперь известно как GW150914 и представляло собой слияние черной дыры массой 29 солнечных масс с дырой 36 масс Солнца. Используя новый метод анализа создаваемых ими гравитационных волн, команда смогла вычислить площади поверхности горизонта событий для исходных черных дыр. Когда они сравнили их с площадью поверхности последней черной дыры массой 62 солнечной массы, они обнаружили, что общая площадь увеличилась.
Результаты имеют уровень достоверности 97%, что хорошо, но недостаточно убедительно, чтобы считаться убедительным доказательством. Но этот метод может быть применен к другим слияниям черных дыр, и это первое реальное свидетельство того, что термодинамика черных дыр - это больше, чем просто теория.
Ссылка:Иси, Максимилиано и др. ' Проверка закона площадей черной дыры с помощью GW150914 . 'Письма с физическими проверками127,1 (2021): 011103.