Fizicienii de la Penn State extind teoria lui Stephen Hawking pentru găurile negre
Fizicienii care încearcă să descrie ce se întâmplă când o gaură neagră se formează, se ciocnește cu alta sau se evaporă au acum o variantă de lucru pe care modelul clasic al lui Stephen Hawking nu o acoperea. O echipă de la Penn State University propune extinderea legilor termodinamicii pentru găurile negre aflate în schimbare, prin înlocuirea „orizontului de evenimente” cu un „orizont dinamic”.
Cercetătorilor li se schimbă astfel instrumentul teoretic folosit pentru situațiile reale, nu doar pentru cele ideale. Modelul publicat de Stephen Hawking în 1974, în revista Nature, a rămas paradigma domeniului timp de 50 de ani, însă se aplica doar găurilor negre aflate la echilibru, adică celor care nu se modifică în timp.
Modelul clasic al lui Hawking nu acoperă găurile negre dinamice
Miza este una strict științifică, dar concretă pentru felul în care sunt construite modelele din fizică: noua abordare vizează exact fazele în care găurile negre se schimbă, adică nașterea, fuziunea și moartea explozivă. În locul unui concept gândit pentru o limită fixă, echipa propune folosirea unui „orizont dinamic”, deja utilizat în simulările computerizate.
Abhay Ashtekar, liderul echipei de la Eberly College of Science din cadrul Penn State University, a explicat de ce modelul vechi avea nevoie de o corecție.
„Legile lui Hawking privind mecanica găurilor negre au oferit o legătură satisfăcătoare între fizica extremă și cea obișnuită și au reprezentat paradigma timp de 50 de ani, dar au o limitare serioasă. Ele au fost formulate pentru găuri negre aflate la echilibru, sau care nu se schimbă în timp, dar găurile negre se schimbă constant; se formează, fuzionează și în cele din urmă se evaporă. Am vrut să găsim o modalitate de a depăși această limitare și de a extinde legile la găurile negre care nu sunt în echilibru.”
Problema vine din felul în care a fost construită teoria clasică. Relativitatea generală formulată de Albert Einstein în 1915 prevedea singularitățile și orizontul de evenimente, regiunea din care nimic nu putea scăpa. În 1974, Hawking a schimbat acest cadru teoretic după ce a arătat că găurile negre au temperatură și emit radiații termice, radiația Hawking, ceea ce înseamnă că se pot evapora în timp.
Orizontul dinamic permite aplicarea legilor termodinamicii
Daniel E. Paraizo, student absolvent în fizică și membru al echipei de la Penn State, a rezumat ce a însemnat atunci acea schimbare de perspectivă. Cum relatează Space, ideea lui Hawking a mutat găurile negre dintr-o construcție matematică spre un obiect care poate fi descris în termenii termodinamicii.
„Acest lucru a schimbat gândirea despre proprietățile termodinamice ale găurilor negre de la un fel de concept matematic descris de ecuații, la a fi mai degrabă o realitate fizică. Acest lucru a deschis ușa spre găsirea unor analogii în găurile negre pentru entropia și temperatura folosite în termodinamică.”
Noul pas propus de echipă pornește tocmai de aici. Schimbarea de calcul se bazează pe creșterea entropiei și permite aplicarea primei și celei de-a doua legi ale termodinamicii și pentru găurile negre dinamice, nu doar pentru cele aflate în echilibru. Asta ar urma să conteze în special în momentele în care aceste obiecte cosmice cresc sau se contopesc, adică exact acolo unde modelul vechi devenea prea rigid.
Jonathan Shu, membru al echipei de la Penn State, a explicat de ce „orizontul de evenimente” nu mai este suficient în astfel de cazuri. În situațiile dinamice, a arătat el, aceste orizonturi se pot forma și extinde în regiuni plate ale spațiu-timpului, unde nu are loc nimic observabil, ceea ce le slăbește utilitatea ca măsură a entropiei fizice.
Cercetarea a fost publicată în luna iunie în revista Physical Review Letters. Pasul următor anunțat de echipă este aplicarea acestor legi generalizate pentru a înțelege mai bine evaporarea găurilor negre în teoria cuantică și procesul de fuziune.
„Acest lucru ne permite să extindem prima și a doua lege a termodinamicii la găurile negre care nu sunt la echilibru, depășind astfel limitările paradigmei care a fost folosită mai bine de o jumătate de secol. Putem aplica aceste legi generalizate pentru a înțelege mai bine găurile negre care se evaporă în teoria cuantică și fuziunile găurilor negre.”
Citește și:
