Исследование дает более тонкое понимание термодинамики черных дыр

Работа под названием “Универсальность термодинамики квантово-механически излучающей черной дыры, выходящей из термальности”, опубликованная в Physics Letters B, подчеркивает важность рассмотрения черных дыр как динамических систем, где изменения в их геометрии во время излучения критичны для точного описания их термодинамического поведения.

Исследование также предполагает, что чрезвычайно компактные объекты (ECO) разделяют эти термодинамические свойства с черными дырами, независимо от состояния их горизонта событий. Значение этого исследования заключается в том, что оно вносит вклад в продолжающиеся усилия по разрешению информационного парадокса черных дыр, обеспечивая более тонкое понимание термодинамики черных дыр в контексте квантовой гравитации.

Исследование, проведенное доктором Кристианом Кордой, приглашенным профессором кафедры математики и физики SUNY Poly, и доктором Карло Кафаро (адъюнкт-профессором кафедры математики и физики SUNY Poly и доцентом кафедры наноразмерных наук и инженерии Университета Олбани), использует элементы квантовой физики, статистической механики и общей теории относительности.

Одной из самых важных проблем современной теоретической физики является понимание того, что такое черная дыра (ЧД). Считается, что классическая общая теория относительности предполагает, что ЧД – это объект с горизонтом, то есть предельной поверхностью, за которой никакое событие не может повлиять на внешнего наблюдателя, и сингулярностью в ее ядре, то есть точкой, в которой наличие бесконечности подразумевает, что законы физики не работают.

С другой стороны, последние подходы, как классические, так и квантовые, показали, что то, что мы называем BH, может быть объектом, не имеющим ни горизонтов, ни сингулярностей. Объекты такого типа также называют экстремально компактными объектами (ЭКО), чтобы отличить их от “традиционной” концепции BH.

Если, с одной стороны, этот подход решает некоторые важные проблемы, такие как устранение сингулярности и последующее восстановление физических законов, то, с другой стороны, он создает еще одну: Что делать со всей термодинамикой BH, разработанной за последние 50 и более лет, начиная с пионерских и знаменитых работ покойных Бекенштейна и Хокинга, и основанной на огромном количестве научных работ?

В 2023 году Самир Матур и Мадхур Мехта дали важный ответ на этот вопрос, получив третий приз на конкурсе эссе Фонда гравитационных исследований за доказательство универсальности термодинамики БХ.

В частности, они продемонстрировали, что любая ОЭС должна обладать одинаковыми термодинамическими свойствами BH независимо от того, обладает ли ОЭС горизонтом событий.

Результат замечательный, но он был получен в приближении, согласно которому спектр излучения БХ имеет точный тепловой характер. На самом деле, сильные аргументы, основанные на сохранении энергии и обратной реакции BH, подразумевают, что спектр излучения Хокинга не может быть точно тепловым.

В своей работе доктора Корда и Кафаро распространили результат Матура и Мехты на случай, когда спектр излучения не является точно тепловым, используя концепцию динамического состояния BH.

Динамическое состояние BH получается путем введения эффективной температуры. Это аналогично ряду других областей науки, где отклонение от теплового спектра излучающего тела обычно рассматривается через введение эффективной температуры, которая представляет собой температуру черного тела, испускающего такое же точно количество излучения, как и нетепловой источник.

В случае BH введение эффективной температуры позволяет ввести другие эффективные величины, характеризующие его “динамическое состояние”, т.е. состояние BH “во время” квантового перехода, при котором происходит испускание или поглощение энергии. Таким образом, данная работа обобщает и дополняет работу Матхура и Мехты.

Работа докторов Корды и Кафаро подчеркивает необходимость пересмотра традиционных представлений о термодинамике черных дыр в свете динамических процессов. Этот подход позволяет учитывать изменения в геометрии и физике черной дыры во время ее излучения, что является ключом к пониманию таких явлений, как излучение Хокинга. Динамическое состояние черной дыры станет основой для дальнейших исследований, позволяя более точно моделировать ее поведение при излучении, а также при взаимодействии с окружающей средой.

Кроме того, их исследования открывают новые пути для изучения экзотических объектов, таких как экстремально компактные объекты, в которых термодинамические свойства могут проявляться даже в отсутствии горизонта событий. Это дает возможность создавать новые модели, которые могли бы объяснить поведение таких объектов в рамках существующих теорий. В конечном итоге, полученные результаты могут оказать значительное влияние на наши представления о природе пространства-времени и границах существующих физических теорий.

Таким образом, работа двух ученых вносит важный вклад в развивающееся исследование квантовой гравитации, предоставляя новые инструменты и концепции для дальнейшего разрешения вопросов, связанных с информационным парадоксом и термодинамикой черных дыр.