Hawkingove zákony musia po 50 rokoch prepísať. Fyzici vyriešili veľkú záhadu vesmíru

Predstav si, že by si chcel opísať správanie variacej sa vody v hrnci pomocou rovníc, ktoré počítajú len s absolútne pokojnou hladinou. Presne s takýmto problémom zápasili astrofyzici desiatky rokov. Hawkingove zákony mechaniky čiernych dier boli sformulované pre objekty v stave rovnováhy. Realita vo vesmíre je však úplne iná – čierne diery neustále rastú, pohlcujú hmotu, zrážajú sa a pomaly sa vyparujú.

Tento nesúlad medzi teóriou a dynamickou realitou sa rozhodol vyriešiť tím vedcov z Pennsylvánskej štátnej univerzity (Penn State). Ich výskum prináša revolučný pohľad na termodynamiku týchto vesmírnych monštier. Podobne ako nedávny fyzikálny prielom v prenose tepla, ktorý posunul limity pozemských technológií, aj táto nová kozmická teória odkrýva hlbšie fyzikálne pravidlá, tentoraz na škále celého vesmíru.

Ako vyplynulo z najnovších zistení uverejnených vo vedeckom časopise Physical Review Letters, vedcom sa podarilo predefinovať pojem entropie čiernej diery tak, aby fungoval aj v chaotických, neustále sa meniacich podmienkach. Tento krok by mohol dramaticky spresniť spôsob, akým interpretujeme dáta z gravitačných vĺn a ako vnímame samotný zrod a zánik týchto záhadných objektov.

Prečo Hawkingov model potreboval modernizáciu

Keď Stephen Hawking v 70. rokoch minulého storočia prišiel s myšlienkou, že čierne diery majú entropiu a teplotu, vyvolalo to senzáciu. Dovtedy sa predpokladalo, že čierne diery majú nekonečnú entropiu, keďže do nich nevidíme, a nulovú teplotu, pretože z nich nič neuniká. Hawking však pomocou kvantovej mechaniky dokázal, že čierne diery môžu vyžarovať častice, čo dnes poznáme ako Hawkingovo žiarenie.

Hawking navrhol, že veľkosť horizontu udalostí čiernej diery – teda tej pomyselnej hranice, odkiaľ niet návratu – je priamo úmerná jej entropii. Problém je v tom, že tieto analógie fungujú iba vtedy, ak je čierna diera v úplnom pokoji. V dynamickom vesmíre sa však horizonty udalostí neustále menia.

Čo je ešte horšie, ich vlastnosti sú podľa tradičnej teórie závislé od toho, čo sa stane v ďalekej budúcnosti. To znamená, že na výpočet stavu čiernej diery v prítomnosti by si potreboval poznať jej definitívny osud, čo je z hľadiska lokálnej fyziky nepoužiteľné. Ak chceme pochopiť zrážky čiernych dier, potrebovali sme niečo lepšie.

Riešením je dynamický horizont

Tím pod vedením profesora Abhaya Ashtekara prišiel s elegantným riešením. Tradičný horizont udalostí nahradili takzvaným „dynamickým horizontom“. Tento koncept sa doteraz využíval najmä v počítačových simuláciách, no chýbalo mu pevné teoretické ukotvenie v zákonoch termodynamiky.

Na rozdiel od horizontu udalostí je dynamický horizont definovaný výhradne vlastnosťami čiernej diery v konkrétnom časovom okamihu. Netreba tak predpovedať budúcnosť ani čakať, kým sa celý systém upokojí. Vedcom sa vďaka tomu podarilo prepojiť entropiu s rotáciou a energiou čiernej diery v reálnom čase.

CNAS/SHAO

Tento nový matematický aparát úspešne rozširuje prvý a druhý termodynamický zákon aj na čierne diery, ktoré sú ďaleko od stavu rovnováhy. Pre teoretickú fyziku to znamená obrovský krok vpred, ktorý prekonáva obmedzenia paradigmy používanej dlhých päťdesiat rokov.

Pohľad do budúcna a nová éra astrofyziky

Praktické dôsledky tejto práce sú obrovské. Novú teóriu môžeme okamžite začať aplikovať na analýzu dát z detektorov gravitačných vĺn, ako sú LIGO, Virgo či KAGRA. Tieto prístroje pravidelne zaznamenávajú gigantické kozmické kolízie, pri ktorých sa spájajú dve čierne diery do jednej. Počas tohto procesu prebiehajú extrémne dynamické zmeny, ktoré stará Hawkingovo fyzika nedokázala uspokojivo opísať.

Nová metóda merania entropie nám navyše pomôže lepšie pochopiť proces vyparovania čiernych dier v kvantovej teórii, čo je svätý grál modernej fyziky snažiacej sa spojiť Einsteinovu teóriu relativity s mikrosvetom kvánt.

Tento objav opäť dokazuje, že ani tie najuznávanejšie fyzikálne teórie nie sú nedotknuteľné. Stephen Hawking položil geniálne základy, no až s nástupom moderných pozorovacích technológií dokážeme jeho myšlienky dotiahnuť do detailov, ktoré zodpovedajú skutočnému, dynamickému vesmíru. Sledujeme zrod novej éry astrofyziky, v ktorej čierne diery prestávajú byť len matematickými hádankami a stávajú sa laboratóriami pre testovanie samotných základov našej reality.

Čítajte viac z kategórie: Novinky