შავი ხვრელები თერმოდინამიკურ „კანონებს“ ემორჩილება — ახალი შედეგი მათ ძალადობრივად წონასწორობიდან შორს მყოფ შავ ხვრელებზეც ავრცელებს

შავ ხვრელებს თერმოდინამიკის მსგავს „კანონები“ აქვს. მოწესრიგებული ვერსია მხოლოდ მაშინ მუშაობდა, როცა არაფერი ხდებოდა

ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე უცნაური ფაქტია, რომ შავი ხვრელები ცხელ ობიექტებს ჰგავს. 1970-იანი წლების დასაწყისში Bekenstein-მა და Hawking-მა შენიშნეს, რომ შავი ხვრელების მმართველი განტოლებები წევრ-წევრად ემთხვევა თერმოდინამიკის კანონებს: შავ ხვრელს აქვს ენტროპია, რომელიც მისი ჰორიზონტის ფართობის პროპორციულია, და ტემპერატურა, რომელიც ზედაპირული გრავიტაციის პროპორციულია. შემდეგ Hawking-მა აჩვენა, რომ ეს ტემპერატურა ყველაზე ღრმა მნიშვნელობით რეალურია — შავი ხვრელი მართლაც ძალიან სუსტად ანათებს თერმული გამოსხივებით.

ამ შესაბამისობის საყრდენია შედეგი, რომელსაც შავი ხვრელების მექანიკის პირველი კანონი ეწოდება (Bardeen, Carter and Hawking, 1973). სიტყვიერად: თუ შავ ხვრელს ერთი სტაბილური მდგომარეობიდან მის მახლობელ სტაბილურ მდგომარეობამდე ოდნავ შეცვლი, მისი მასის ცვლილება უდრის ტემპერატურას გამრავლებულს ენტროპიის ცვლილებაზე, პლუს წევრს ბრუნვისთვის. ეს არის შავი ხვრელის ანალოგი ფრაზისა „შესული სითბო უდრის ტემპერატურას გამრავლებულს ენტროპიის ცვლილებაზე“.

მაგრამ პრობლემა ფრაზაში მახლობელი სტაბილური მდგომარეობა იმალება. 1973 წლის სუფთა კანონი ერთმანეთს ადარებს ორ შავ ხვრელს, რომლებიც მშვიდად, წონასწორობაში იმყოფება და ერთმანეთისგან უსასრულოდ მცირე სხვაობით განსხვავდება. ის სინამდვილეში საერთოდ არ აღწერს პროცესს — ვარსკვლავის შთანთქმას, ორი შავი ხვრელის შერწყმას, ახლად დაბადებული ხვრელის ringdown-ს ძალადობრივი წარმოშობის შემდეგ. სწორედ ეს სიტუაციებია ყველაზე საინტერესო, და ისინი „მშვიდად ჯდომის“ სრული საპირისპიროა. მოწესრიგებული კანონი ჩუმდება ზუსტად მაშინ, როცა შავი ხვრელი საინტერესო ხდება.

რატომ არ მუშაობს აშკარა გამოსწორება

შეიძლება იფიქროთ, რომ გამოსწორება მარტივია: უბრალოდ ვუყუროთ, როგორ იზრდება ჰორიზონტი მასალის ჩავარდნისას. პრობლემა ისაა, რომელი ჰორიზონტი.

ჰორიზონტს, რომელსაც ადამიანების უმეტესობა წარმოიდგენს — მოვლენათა ჰორიზონტს, ნამდვილ უკან დაბრუნების შეუძლებელ საზღვარს — დახვეწილი და მოუხერხებელი თვისება აქვს: ის მთელი სამყაროს სრულ მომავალზეა განსაზღვრული. იმის გასაგებად, სად არის მოვლენათა ჰორიზონტი ახლა, უნდა იცოდეთ ყველაფერი, რაც ოდესმე, მომავალში, ხვრელში ჩავარდება. ეს წვრილმანი ტექნიკური პრობლემა არ არის. მოვლენათა ჰორიზონტს შეუძლია ზრდა დაიწყოს სრულიად ცარიელ, ბრტყელ სივრცის რეგიონში მანამდე, სანამ მას კვებავი მატერია იქ მივა — უბრალოდ იმიტომ, რომ მომავალში მას ნამდვილად უნდა მიაღწიოს. მისი ფართობი შეიძლება გაიზარდოს იქ, სადაც ადგილობრივად საერთოდ არაფერი ხდება.

ამიტომ მოვლენათა ჰორიზონტი შავი ხვრელის „მდგომარეობის“ მიმდინარე აღრიცხვისთვის გამოუსადეგარია. კომპიუტერულ სიმულაციაშიც კი ზუსტად ვერ დაადგენთ მის ადგილს, სანამ სიმულაცია არ დასრულდება, და მით უმეტეს ვერ გამოიყენებთ მას ტემპერატურისა ან ენტროპიის მომენტიდან მომენტამდე მისადევნებლად.

ნაბიჯი: ჰორიზონტი, რომლის განსაზღვრაც ადგილობრივად შეიძლება

Abhay Ashtekar-ის, Daniel Paraizo-სა და Jonathan Shu-ს ახალი ნაშრომი შედეგს სხვა ტიპის ჰორიზონტზე — quasi-local ჰორიზონტზე — აგებს, რომელიც მხოლოდ საკუთარ მეზობლად არსებულ გეომეტრიაზეა განსაზღვრული და უსასრულო მომავალზე მითითება არ სჭირდება. ეს „dynamical horizon სეგმენტები“ სწორედ ის ზედაპირებია, რომლებსაც რიცხვითი ფარდობითობის მკვლევრები უკვე იყენებს შავი ხვრელების შერწყმის სიმულაციებში, რადგან ისინი ადგილობრივი და „პატიოსანია“: მათი ფართობი მხოლოდ იქ იზრდება, სადაც ენერგია რეალურად გადადის.

ამაზე ავტორები პრობლემის უფრო რთულ ნახევარსაც წყვეტენ. ჩვეულებრივ თერმოდინამიკაში წონასწორობიდან შორს სისტემა სრიალა კონცეფციაა: მას ერთ ტემპერატურას ან წნევას სუფთად ვერ მიანიჭებ, რადგან ეს სიდიდეები მკაფიოდ მხოლოდ დამშვიდების შემდეგ განისაზღვრება. შავ ხვრელებსაც იგივე პრობლემა აქვს — სანამ, როგორც ავტორები აჩვენებენ, ზოგადი ფარდობითობის განსაკუთრებულ თვისებას არ გამოიყენებ. წონასწორობაში მყოფი შავი ხვრელი — Kerr-ის შავი ხვრელი — მხოლოდ ორი რიცხვითაა განსაზღვრული: ზომით და ბრუნვით. ამიტომ ავტორები აგებენ რუკას, რომელიც ნებისმიერი მძაფრად ევოლუცირებადი, წონასწორობიდან შორს მყოფი ჰორიზონტიდან თითოეულ მომენტში კითხულობს იმ წონასწორული შავი ხვრელის ორ რიცხვს, რომელსაც ის იმ წამს ჰგავს. ამ რუკით ძალადობრივად ცვალებად შავ ხვრელს მაინც შეიძლება მიენიჭოს დროზე დამოკიდებული ტემპერატურა და ბრუნვა.

ამ ნაწილების შეკრებით — ჰორიზონტზე ადგილობრივად განსაზღვრული ენერგიის ნაკადი და მომენტური ინტენსიური სიდიდეები — ისინი პირველ კანონს ნებისმიერი მასშტაბით წონასწორობიდან შორს მყოფ შავ ხვრელებზე ავრცელებს. მნიშვნელოვანია, რომ ახალი კანონი აღწერს რეალური ფიზიკური პროცესებით გამოწვეულ სასრულ ცვლილებებს — მატერიისა და გრავიტაციული ტალღების ჰორიზონტზე გადასვლას — და არა უსასრულოდ მცირე ნაბიჯებს ორ გაყინულ მდგომარეობას შორის. მას ახლავს შესაბამისი მეორე კანონი, რომელიც ახლა რაოდენობრივია: ჰორიზონტის ფართობი იზრდება იმ რაოდენობით, რომელიც პირდაპირაა დაკავშირებული შიგნით გადასულ ენერგიასთან. ერთად პირველი და მეორე კანონები ერთ სუფთა დასკვნაზე მიუთითებს — ყველაზე ძალადობრივი შესაძლო მოვლენის შუაგულშიც კი შავი ხვრელის ენტროპიის სწორი საზომი კვლავ მისი ჰორიზონტის ფართობია.

რას არ ამტკიცებს ეს

• ის არ წყვეტს კვანტურ გრავიტაციას. ეს შედეგი კლასიკურ ზოგად ფარდობითობაშია და ჰორიზონტის ფართობის ენტროპიასთან სტანდარტულ იდენტიფიკაციას იყენებს. ის ენტროპიას უფრო ფუნდამენტური თეორიიდან არ გამოჰყავს.
• ის არ ითვლის მიკრომდგომარეობებს და არ ხსნის, რისგან შედგება შავი ხვრელის ენტროპია. ის შავი ხვრელის თერმოდინამიკის აღრიცხვას აფართოებს; მიკროსკოპულ თავისუფლების ხარისხებს ყუთიდან არ იღებს.
• ის არ წყვეტს შავი ხვრელის ინფორმაციის პარადოქსს. ეს თავსატეხი კვანტურ თეორიაში ცხოვრობს; ეს ნაშრომი მას არ ეხება.
• ეს არც დაკვირვებაა და არც გაზომვა. არ არის ტელესკოპი, მონაცემები ან გრავიტაციული ტალღის სიგნალი — ეს მათემატიკაა. შერწყმადი შავი ხვრელის „ტემპერატურა“ აქ განტოლებებში ზუსტად განსაზღვრული სიდიდეა და არა რამე, რასაც თერმომეტრზე წაიკითხავთ.
• ის არ აუქმებს Bekenstein-სა და Hawking-ს. ის მათ სურათს აფართოებს დინამიკურ რეჟიმში, სადაც თავდაპირველ, მხოლოდ წონასწორულ კანონს არაფერი ჰქონდა სათქმელი.

რამდენად ძლიერია მტკიცებულება?

ძლიერი — იმ ტიპის შედეგისთვის, რაც ეს არის: ფრთხილი, შინაგანად თანმიმდევრული მათემატიკური ფიზიკა სფეროს წამყვანი ჯგუფიდან, გამოქვეყნებული Editors’ Suggestion-ად Physical მიმოხილვა Letters-ში; გრძელი გამოყვანები კომპანიონ ნაშრომშია დამუშავებული.

პატიოსანი შეზღუდვები ხარისხს კი არა, ტიპს ეხება:

• შედეგი ეყრდნობა მიღებულ დაშვებას, რომ ჰორიზონტის ფართობი არის ენტროპია (ფართობი გაყოფილი ოთხჯერ Newton-ის მუდმივისა და Planck-ის მუდმივის კომბინაციაზე). თუ სრულმა კვანტურმა გრავიტაციამ ეს იდენტიფიკაცია ოდესმე შეცვალა, ინტერპრეტაციაც მასთან ერთად შეიცვლება.
• მთავარი გამოთვლები ყველაზე გავრცელებული შემთხვევისთვისაა დეტალურად გაკეთებული — spacelike dynamical horizons, axial symmetry-ით; ავტორები ამტკიცებენ, რომ შეზღუდვები არსებითი არ არის, მაგრამ სრულად ზოგადი ფორმულირება სხვაგან მიღებულ შედეგებსაც ეყრდნობა.
• „ენტროპია = ჰორიზონტის ფართობი, წონასწორობიდან შორსაც“ ახალი პირველი და მეორე კანონებით ძალიან ბუნებრივი იდენტიფიკაციაა, მაგრამ არა მიკროსკოპული სტატისტიკიდან მიღებული თეორემა.

ამიტომ: ორმოცდაათი წლის ჩარჩოს მკაცრი გაფართოება, და არა ექსპერიმენტული აღმოჩენა ან ბუნების ახალი კანონი, რომელიც ჯერ გამოცდას ელოდება.

რატომ არის ეს მნიშვნელოვანი

ორი მიზეზია — ერთი პრაქტიკული, მეორე კონცეფციური.

პრაქტიკულად, შავი ხვრელები, რომლებსაც დღეს რეალურად ვსწავლობთ — ისინი, რომელთა შერწყმას LIGO და Virgo „ისმენს“ — ყველაზე მნიშვნელოვან მომენტებს წონასწორობიდან შორს ატარებს. ამ ნაშრომის სიდიდეები იმავე ადგილობრივად განსაზღვრულ ჰორიზონტებზეა აგებული, რომლებსაც სიმულაციები უკვე აკვირდება, ამიტომ ის გვაძლევს პრინციპულ გზას შავი ხვრელის ენტროპიასა და ტემპერატურაზე შერწყმისას ან კოლაფსისას ვილაპარაკოთ და არა მხოლოდ მანამდე და შემდეგ.

კონცეფციურად შავი ხვრელების თერმოდინამიკური ქცევა ერთ-ერთი იმ მცირერიცხოვან კონკრეტულ მინიშნებათაგანია, რაც კვანტურ გრავიტაციაზე გვაქვს — ადგილი, სადაც გრავიტაცია, კვანტური თეორია და თერმოდინამიკა აშკარად ხვდება ერთმანეთს. ზუსტად იმის გამკაცრება, თუ რას ნიშნავს „ენტროპია“ და „ტემპერატურა“ ძალადობრივად ცვალებადი შავი ხვრელისთვის, უფრო მკაფიო სამიზნეს აძლევს მომავალ კვანტურ თეორიას. ეს არ პასუხობს ღრმა კითხვას, სინამდვილეში რა არის შავი ხვრელის ენტროპია. უბრალოდ კითხვას უფრო ზუსტად სვამს — და ფიზიკის ამ კუთხეში ეს სამუშაოს დიდი ნაწილია.

სუფთა შეჯამება

შავი ხვრელები თერმოდინამიკის მსგავს კანონებს ემორჩილება, მაგრამ სუფთა 1973 წლის „პირველი კანონი“ მხოლოდ წონასწორობაში მშვიდად მყოფ შავ ხვრელებს ადარებდა და რეალურ პროცესს ვერ აღწერდა. Ashtekar, Paraizo და Shu პირველ და მეორე კანონებს აფართოებს ნებისმიერად წონასწორობიდან შორს მყოფ შავ ხვრელებზე — შერწყმაზე, მატერიის შთანთქმაზე, ringdown-ზე — ადგილობრივად განსაზღვრული „დინამიკური ჰორიზონტებისა“ და რუკის გამოყენებით, რომელიც ცვალებად შავ ხვრელს მომენტურ ტემპერატურასა და ბრუნვას ანიჭებს. მთავარი შედეგია, რომ ჰორიზონტის ფართობი ენტროპიის სწორ საზომად რჩება ძალადობრივი მოვლენების დროსაც. ეს კლასიკური ზოგადი ფარდობითობის მკაცრი შედეგია და არა კვანტური გრავიტაცია, არა დაკვირვება, არა მიკრომდგომარეობების დათვლა და არა ინფორმაციის პარადოქსის გადაწყვეტა.

შელამაზების გარეშე შემოწმება

რას აჩვენებს ნაშრომი: შავი ხვრელების მექანიკის პირველი და მეორე კანონების მათემატიკურად თანმიმდევრულ გაფართოებას სრულად დინამიკურ, წონასწორობიდან შორს მყოფ შავ ხვრელებზე quasi-local dynamical horizons-ის საფუძველზე. ის განსაზღვრავს სასრულ, პროცესზე დაფუძნებულ პირველ კანონს და რაოდენობრივ მეორე კანონს და ბუნებრივს ხდის დინამიკური შავი ხვრელის ენტროპიის ჰორიზონტის ფართობთან იდენტიფიკაციას.

რა არის რეალური, მაგრამ ინტერპრეტაციული: „ენტროპია = ჰორიზონტის ფართობი“ წონასწორობიდან შორს. ახალი კანონები ამას ძალიან დამაჯერებელს ხდის, მაგრამ ეს იდენტიფიკაცია სტანდარტული კლასიკური area-entropy დაშვებიდან მემკვიდრეობს და იქიდან არ არის გამოყვანილი.

რას არ აჩვენებს: კვანტური გრავიტაციის თეორიას; შავი ხვრელის ენტროპიის მიკროსკოპულ წარმოშობას ან „დათვლას“; ინფორმაციის პარადოქსის გადაწყვეტას; დაკვირვებით ან ექსპერიმენტულ შედეგს; ფიზიკურად გაზომვად ტემპერატურას.

მთავარი შეზღუდვები: მთლიანად კლასიკური ზოგადი ფარდობითობა; მთავარი შედეგები დამტკიცებულია გავრცელებულ spacelike, axisymmetric შემთხვევაზე, ხოლო ზოგადობა კომპანიონ სამუშაოზე დაყრდნობითაა არგუმენტირებული; area-entropy იდენტიფიკაცია დაშვებულია და არა სტატისტიკური მექანიკიდან დამტკიცებული.

რამდენად უნდა ენდოს ამას ზოგადი მკითხველი? მაღალი ნდობა, რომ ეს მყარი და კარგად შეფასებული თეორიული წინსვლაა, რომელიც შავი ხვრელების თერმოდინამიკას ნამდვილად აფართოებს დინამიკურ რეჟიმში. თანაბრად მაღალი ნდობა, რომ ეს არ არის ახალი დაკვირვება, არ არის კვანტური გრავიტაცია და არ წყვეტს ცნობილ ინფორმაციის თავსატეხს. სწორი დამოკიდებულება: რეალური ნაბიჯი გაგებაში, გადადგმული ცარცით და არა ტელესკოპით.