Стивен Хокинг, гравитациони бранови и термодинамика на црни дупки; Astrodicticum симплекс
Вчера, во мојата серија, напишав за научната работа на Стивен Хокинг за теоремата на единственост. Ова го направи познат како научник на крајот на 1960-тите и даде значаен придонес за подобро разбирање на почетокот на нашиот универзум. Во следните години, Хокинг интензивно се посветил на предметите што се најтесно поврзани со неговата научна работа денес: црните дупки.
Јас кои се судирам со црни дупки создавам гравитациони бранови! Јас секогаш ја правам сликата кога станува збор за црни дупки! Ми се допаѓа илустрацијата! (Слика: ИГО/Калтек/МИТ/Сонома држава (Ауро Симонет))
Начинот таму води низ феномен што честопати се занемарува со различните теми на Хокингс. Во 1970 година тој и Гери Гибонс напишаа статија за гравитационите бранови („Теорија за откривање на кратки рафали на гравитационото зрачење“). Овој феномен направи само многу наслови од 2016 година. Во тоа време беше објавен првиот конкретен доказ за гравитационите бранови (видете тука и врските во овој напис). Но, веќе во 1958 година, физичарот Josephозеф Вебер објави мерење на гравитационите бранови (види овде). До денес, не е сосема сигурен дали станува збор за грешка во мерењето или дали во тоа време навистина биле откриени вистински гравитациони бранови (иако мислењето тежнее кон „грешки во мерењето“). Но, теоретската физика дефинитивно се занимаваше со мерењата на Вебер, и Хокинг исто така шпекулираше во написот од 1970 година за методите за откривање кои можат да обезбедат јасност. Набргу потоа, се појави друга статија од Хокинг: „Гравитационо зрачење од судир на црни дупки“. Се работеше и за гравитациони бранови - но работата отиде далеку од прашањето за нивно откривање.
Во оваа статија, Хокинг го објави она што сега се нарекува негово „Теорема за областа“ е познато. Хокинг откри дека црните дупки сигурно можат да испуштаат гравитациони бранови за време на судирите. Значи, тој губи енергија - областа е т.н. Хоризонт на настанот затвора, но сепак не може да се намали: Кога ќе се судрат две црни дупки, хоризонтот на настанот на дупката создаден при спојувањето е поголем од збирот на големината на хоризонтите на двете одделни дупки. Хоризонтот на настанот е всушност тој што ние го перцепираме однадвор како „црна дупка“. Тоа е граница на која брзината на бегство ја надминува брзината на светлината. Со други зборови: можете да и пријдете на црната дупка до хоризонтот на настанот и ако сте доволно брзи, повторно да се оддалечите од неа. Зад хоризонтот на настанот, тогаш треба да се биде побрз од светлината за да се избегне гравитационата сила на црната дупка и тоа е невозможно. Поради ова, сè што е надвор од хоризонтот на настанот не е видливо однадвор. Ништо не може да избега од таму и затоа не знаеме што всушност стои зад тоа.
Заедно со он Бардин и Брендон Картер, Стивен Хокинг објави дело во 1973 година со наслов „Четирите закони на механиката на црните дупки“. Во него тие формулираа четири изјави за црните дупки, на кои може да се гледа аналогно на четирите главни принципи на термодинамиката. И овој:
- Нула закон: Гравитационото забрзување на хоризонтот на настанот на стационарна, не ротирачка црна дупка има иста вредност насекаде.
- Прва главна клаузула: Во случај на надворешни нарушувања, вкупната енергија на црната дупка се менува на многу специфичен начин (што да се формулира во конкретни термини сега води премногу далеку и не би придонело за подобро разбирање без многу објаснувања).
- Втор закон: Областа на хоризонтот на настанот може или да остане иста или да расте, но никогаш не се намалува.
- Трет закон: Не е можно да се создаде црна дупка чие забрзување на гравитацијата во хоризонтот на настанот е нула.
Ако ги споредите овие изјави со класична термодинамика, можете брзо да ги видите врските. Законот за нули одговара на изјавата дека температурата на физичкиот систем е секогаш во термичка рамнотежа. Првиот закон е она што го знаеме во термодинамиката како зачувување на енергијата. Јас веќе ја објаснив преписката на вториот закон погоре. И третиот закон е аналоген на термодинамичката изјава, според кој физичкиот систем никогаш не може да се излади на апсолутна нула.
Врската помеѓу црните дупки и термодинамиката е фасцинантна - но и збунувачка. Дали тоа навистина беше само формален еквивалент? А што е со противречностите што се јавуваат? Интерпретацијата на Бекенштајн за областа на хоризонтот на настанот, заедно со Хокингс теорема на областа се покажа дека нема повреда на вториот закон за термодинамика. Ако фрлам нешто во црна дупка, нејзината ентропија, а со тоа и областа на неговиот хоризонт на настани ќе биде поголема и сè ќе биде во ред (барем во многу поедноставени термини). Но, ако црни дупки стварно Дали се предмети што следат термодинамика, тогаш тие исто така мора да имаат температура. И кога имаат температура, тие мораат да даваат зрачење. Но, тоа е точно она што се црните дупки по дефиниција Не да направиш!
Тогаш Хокинг ја реши оваа противречност малку подоцна со откритието дека до денес е еден од неговите најважни придонеси во теоретската физика. Но, повеќе за тоа во следниот дел од серијата.