Stephen Hawking, Gravitațional Waves and Black Hole Thermodynamics; Astrodicticum Simplex

Ieri, în seria mea, am scris despre lucrarea științifică a lui Stephen Hawking asupra teoremei singularității. El a devenit cunoscut ca om de știință la sfârșitul anilor 1960 și a adus o contribuție semnificativă la o mai bună înțelegere a începuturilor universului nostru. În anii care au urmat, Hawking s-a dedicat intens obiectelor care sunt cele mai strâns asociate cu munca sa științifică de astăzi: găurile negre.

Eu găurile negre care se ciocnesc creează unde gravitaționale! Acum fac întotdeauna fotografia când vine vorba de găurile negre! Imi place ilustratia! (Imagine: IGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))

Modul de a conduce acolo printr-un fenomen pe care îl ignorăm adesea cu varietatea subiectelor Hawkings. În 1970, el și Gary Gibbons au scris un articol despre undele gravitaționale („Teoria detectării scurtelor explozii de radiații gravitaționale”). Acest fenomen a făcut doar multe titluri din 2016. În acel moment a fost anunțată prima dovadă concretă a undelor gravitaționale (vezi aici și linkurile din acest articol). Dar încă din 1958, fizicianul Joseph Webber a anunțat măsurarea undelor gravitaționale (vezi aici). Până în prezent, nu suntem pe deplin siguri dacă este vorba de o eroare de măsurare sau dacă undele gravitaționale reale au fost detectate efectiv în acel moment (deși opinia tinde mai mult spre „erori de măsurare”). Dar fizica teoretică s-a ocupat cu siguranță de măsurătorile lui Webber, iar Hawking a speculat și în articolul din 1970 despre metodele de detectare care pot oferi claritate. La scurt timp după aceea, a apărut un alt articol al lui Hawking: „Radiația gravitațională din găurile negre care se ciocnesc”. Era vorba și de unde gravitaționale - dar lucrarea a depășit cu mult problema detectării lor.

În acest articol, Hawking a publicat ceea ce acum se numește al său „Teorema zonei” este cunoscut. Hawking a descoperit că găurile negre pot emite cu siguranță unde gravitaționale în timpul coliziunilor. Deci pierde energie - suprafața cea a așa-numitelor Orizontul evenimentelor închide, dar încă nu se poate micșora: Când două găuri negre se ciocnesc, orizontul de evenimente al găurii create în timpul fuzionării este mai mare decât suma mărimii orizonturilor celor două găuri individuale. Orizontul evenimentelor este de fapt exact ceea ce percepem din exterior ca o „gaură neagră”. Este limita la care viteza de evacuare depășește viteza luminii. Cu alte cuvinte: vă puteți apropia de o gaură neagră până la orizontul evenimentelor și, dacă sunteți suficient de rapid, vă puteți îndepărta din nou de ea. În spatele orizontului evenimentelor ar trebui să fie mai rapid decât lumina pentru a scăpa de forța gravitațională a găurii negre și acest lucru este imposibil. Din această cauză, tot ceea ce este dincolo de orizontul evenimentelor nu este vizibil din exterior. Nimic nu poate scăpa de acolo și, prin urmare, nu știm ce se află de fapt în spatele ei.

Împreună cu John Bardeen și Brandon Carter, Stephen Hawking a publicat în 1973 o lucrare intitulată „Cele patru legi ale mecanicii găurilor negre”. În ea au formulat patru afirmații despre găurile negre, care pot fi privite în mod analog celor patru principii principale ale termodinamicii. Si acesta:

Legea zero: Accelerația gravitațională la orizontul de evenimente al unei găuri negre staționare, care nu se rotește, are aceeași valoare peste tot.
Prima lege: În cazul tulburărilor externe, energia totală a unei găuri negre se schimbă într-un mod foarte specific (pe care să o formulăm în termeni concreți acum conduc prea departe și nu ar contribui la o mai bună înțelegere fără prea multe explicații).
A doua lege: zona orizontului evenimentelor poate fie să rămână aceeași, fie să crească, dar să nu se micșoreze niciodată.
A treia lege: Nu este posibilă crearea unei găuri negre a cărei accelerație a gravitației la orizontul evenimentelor este zero.

Dacă comparați aceste afirmații cu termodinamica clasică, puteți vedea rapid conexiunile. Legea zero corespunde afirmației că temperatura unui sistem fizic este întotdeauna în echilibru termic. Prima lege este ceea ce știm în termodinamică ca conservare a energiei. Am explicat deja corespondența celei de-a doua legi de mai sus. Iar a treia lege este analogă cu afirmația termodinamică, conform căreia un sistem fizic nu poate fi niciodată răcit la zero absolut.

Conexiunea dintre găurile negre și termodinamică este fascinantă - dar și confuză. A fost cu adevărat doar un echivalent formal? Și ce zici de contradicțiile care apar? Interpretarea lui Bekenstein a zonei orizontului evenimentelor, împreună cu Hawkings teorema zonei a arătat că nu există o încălcare a celei de-a doua legi a termodinamicii. Dacă arunc ceva într-o gaură neagră, atunci entropia acestuia și astfel zona orizontului său de evenimente vor fi mai mari și totul este ok (cel puțin în termeni foarte simplificați). Dar dacă găurile negre adevărat Sunt obiecte care urmează termodinamica, atunci trebuie să aibă și o temperatură. Și când au o temperatură, trebuie să emită radiații. Dar tocmai asta sunt, prin definiție, găurile negre Nu a face!

Hawking a rezolvat această contradicție puțin mai târziu cu o descoperire care este încă una dintre cele mai importante contribuții ale sale la fizica teoretică. Dar mai multe despre asta în următoarea parte a seriei.