Superpočítače bývaly jediným způsobem, jak zjistit, co se stane, když se srazí dvě černé díry. Řešení Einsteinových rovnic vyžaduje obrovský výpočetní výkon. Matematika se komplikuje a rotace je matoucí. To je skutečná noční můra pro ty, kteří nežijí uvnitř serverového racku.
A teď? Fyzici z Pennsylvania State University tvrdí, že to není nutné. Stačí termodynamika.
Zní to absurdně. Černé díry jsou gravitační jámy, ne motory. To není pára ani plyn. Neměli by dodržovat zákony přenosu tepla. Ale poslouchají. Nebo se alespoň chovají jako submisivní. Nový výzkum publikovaný v Physical Review Letters ukazuje, že konečná hmotnost a rotace zbytku černé díry se řídí překvapivě jednoduchým pravidlem: maximální entropie.
Je možné předpovědět sloučení černých děr pomocí jednoduché fyziky?
Dvě černé díry na oběžné dráze nezůstávají daleko od sebe. Gravitace je přitahuje silněji. Stáčejí se ve spirále a pak se srazí. Toto je událost uvolňující energii. Zkresluje časoprostor a vysílá gravitační vlny, které cestují miliardy světelných let.
Zemské detektory zachycují tyto vlny. „Slyšíme“ srážku. Ze signálu můžeme odhadnout velikost zbývající černé díry po sloučení. Tedy zbytek.
K získání přesné předpovědi jsou obvykle vyžadovány složité simulace. Z řešení diferenciálních rovnic se vám zatočí hlava. Tým z Pennsylvania State University položil jinou otázku. Obejdeme se bez superpočítače? Můžeme použít základní termodynamické principy k předpovědi výsledku?
Monica Rincón-Ramirez, první autorka studie, to říká takto:
“Konečná černá díra po sloučení vibruje jako udeřený zvon a vyzařuje gravitační vlny, dokud se neusadí… Naše otázka zněla: můžeme tento konečný stav předpovědět pomocí termodynamických argumentů?”
Jde o jak. Jak příroda rozhoduje o tom, co zůstane po usazení prachu?
Entropie, nepořádek a konečný stav
Termodynamika se obvykle zabývá plyny. Motory. Vaření. S obrovským množstvím částic, které se náhodně pohybují v prostoru. Popisuje energii, teplo a entropii na makroúrovni. Nesledujeme každou molekulu. Díváme se na celkový obraz.
Obecná relativita přistupuje jinak. Na gravitaci pohlíží jako na zakřivený časoprostor. Deterministický. Jeden vchod – jeden východ. Žádná náhoda. Dříve se věřilo, že černé díry jsou obecně mimo limity termodynamiky. To se změnilo v 70. letech, kdy Stephen Hawking ukázal, že vyzařují energii. Mají entropii.
Tuto myšlenku vyvinuli vědci z Pennsylvania State University. Studovali binární systémy černých děr. Fúze. Zejména se dívali na úhlovou hybnost. Měří rotační pohyb. Během slučování černé díry ztrácejí energii a moment hybnosti a vyzařují gravitační vlny.
Co tedy zbývá?
Vaishak Prasad, spoluautor studie, vysvětluje entropii jasně:
“Entropie je v podstatě mírou nepořádku… V nepořádku je entropie vysoká… V dokonale uklizené místnosti je entropie nízká… Příroda tíhne ke stavům vysoké entropie, protože jich je více.”
Vědci spekulují, že fúze dělá totéž. Systém driftuje do stavu s nejvyšší možnou entropií. Nejpravděpodobnější konfigurace. To bere v úvahu ztracenou energii a rotaci.
Toto je “hypotéza maximální entropie”.
Porovnejte simulace bez psaní kódu
Myšlenka není v teorii nová. Odpovídá tomu, jak předpovídáme konečný stav mísení horkých a studených plynů. Nemusíte sledovat každou kolizi. Stačí maximalizovat entropii. A dostat odpověď.
Tým se podivil: Platí stejná logika i pro černé díry?
Zkontrolovali to. Korelovali hmotnost a moment hybnosti splývajících černých děr se sekvencí možných rotujících zbytků. V této sekvenci pak našli bod maximální entropie. Nakonec výsledky porovnali s daty z numerických simulací relativity. Tyto simulace jsou zlatým standardem. drazí. Časově náročné. Přesný.
Náhoda se ukázala jako úžasná.
„Překvapivě pozorujeme, že entropie této sekvence vrcholí v bodech, které jsou překvapivě blízké hmotnosti a momentu hybnosti skutečného konečného zbytku… shody v rámci několika procent,“ poznamenává Rincon-Ramirez.
Toto není jen přibližná shoda. Výsledek je v rozmezí několika procent komplexních simulací. To je na tak jednoduchý vzorec působivé.
Eugenio Bianchi, profesor a spoluautor, zdůrazňuje kontrast:
“Když se dva horké plyny dostanou do kontaktu… není potřeba monitorovat mikroskopické interakce… Maximalizace entropie při zohlednění dalších fyzikálních zákonů předpovídá výsledek. Naše nová hypotéza naznačuje, že stejný široký princip může určit, co zůstane, když se dvě černé díry spojí.”
Proč je to důležité pro fyziku černých děr
Poslední černá díra „zapomene“ téměř vše o srážce. Na chaotické sloučení si téměř nepamatuje. To, co zbývá, popisují pouze dvě čísla: hmotnost a rotace. “No Hair Theorem”.
Ale proč tato konkrétní čísla? Proč ne jiná kombinace?
Odpověď poskytuje termodynamický přístup. Zbytek se usadí ve stavu maximalizujícím entropii. Toto je nejpřirozenější a nejpravděpodobnější výsledek.
B.S. Satyaprakash, který výzkum vedl, to považuje za více než pouhé zjednodušení:
“Tato práce prozkoumává vzrušující příležitost na průsečíku gravitace, fyziky černých děr a termodynamiky… klade transformační otázku: mohla by být maximalizace entropie základním organizačním principem ovládajícím interakce černých děr?”
To přesahuje zavedené zákony mechaniky černých děr. To naznačuje hlubší spojení mezi gravitací a termodynamikou. Spojení, které snad platí nejen pro fúze.
Výzkum podpořila americká National Science Foundation. Výsledky byly publikovány v Physical Review Letters jako redakční doporučení.
Je to čistší pohled na chaotický vesmír. Nepotřebujeme simulovat každý atom v časoprostoru. Musíme se jen podívat, kde se ten nepořádek usadí.
Znamená to ale, že všechny vesmírné události sledují jednoduché termodynamické dráhy? Nebo jsou černé díry prostě tak jedinečné, že mohou toto pravidlo obejít? Možná to nikdy nebudeme vědět jistě. Vesmír se ne vždy vysvětluje sám od sebe.
