Superkomputer dulunya adalah satu-satunya cara untuk mengetahui apa yang terjadi jika dua lubang hitam bertabrakan. Anda memerlukan kekuatan pemrosesan yang besar untuk menyelesaikan persamaan Einstein. Perhitungannya menjadi berat. Putarannya menjadi rumit. Ini adalah mimpi buruk bagi siapa pun yang tidak tinggal di dalam rak server.
Sekarang? Fisikawan di Penn State mengatakan Anda tidak memerlukan semua itu. Anda hanya perlu termodinamika.
Kedengarannya konyol. Lubang hitam adalah sumur gravitasi, bukan mesin. Itu bukan uap atau gas. Mereka tidak boleh mematuhi hukum panas. Tapi mereka melakukannya. Atau setidaknya, mereka bertindak sebagaimana adanya. Sebuah studi baru yang diterbitkan dalam Physical Review Letters menunjukkan bahwa massa akhir dan putaran sisa lubang hitam mengikuti aturan yang sangat sederhana. Entropi maksimum.
Bisakah Anda memprediksi penggabungan lubang hitam dengan fisika sederhana?
Dua lubang hitam di orbit tidak bisa dipisahkan. Gravitasi menarik mereka semakin erat. Mereka berputar masuk. Lalu mereka bertabrakan. Ini adalah acara yang energik. Ini membengkokkan ruangwaktu. Ia mengirimkan gelombang gravitasi yang menyebar hingga miliaran tahun cahaya.
Detektor berbasis bumi mendeteksi riak-riak tersebut. Kami mendengar kecelakaan itu. Sinyal tersebut memungkinkan kita memperkirakan ukuran lubang hitam yang tersisa. Sisanya.
Biasanya, untuk mendapatkan prediksi yang akurat memerlukan simulasi yang kompleks. Memecahkan persamaan diferensial sampai kepala Anda berputar. Tim Penn State mengajukan pertanyaan berbeda. Bisakah kita melewatkan superkomputer? Bisakah kita menggunakan prinsip dasar termodinamika untuk memprediksi hasilnya?
Monica Rincon-Ramirez, penulis pertama studi tersebut, menyatakannya sebagai berikut:
“Lubang hitam terakhir setelah penggabungan berbunyi seperti bel yang berbunyi, dan ia memancarkan lebih banyak gelombang gravitasi hingga akhirnya menetap… Pertanyaan yang kami ajukan adalah: Bisakah kita memprediksi keadaan akhir tersebut dengan menggunakan argumen termodinamika?”
Ini tentang bagaimana. Bagaimana alam menentukan apa yang tersisa setelah debu mengendap?
Entropi, ketidakteraturan, dan keadaan akhir
Termodinamika biasanya berhubungan dengan gas. Mesin. Memasak. Banyak partikel yang bergoyang-goyang. Ini menggambarkan energi, panas, dan entropi dalam skala besar. Kami tidak melacak setiap molekul. Kita melihat gambaran besarnya.
Relativitas umum melakukannya secara berbeda. Ia memperlakukan gravitasi sebagai ruangwaktu yang melengkung. deterministik. Satu masukan, satu keluaran. Tidak ada keacakan. Lubang hitam pernah dianggap sepenuhnya berada di luar termodinamika. Hal ini berubah pada tahun 1970an ketika Stephen Hawking menunjukkan bahwa mereka memancarkan energi. Mereka memiliki entropi.
Para peneliti Penn State memperluas hal ini. Mereka mengamati sistem lubang hitam biner. Merger. Secara khusus, mereka melihat momentum sudut. Ini mengukur gerakan rotasi. Penggabungan tersebut kehilangan energi dan momentum sudut akibat gelombang gravitasi.
Jadi, apa yang tersisa?
Vaishak Prasad, salah satu penulis, menjelaskan entropi dengan jelas:
“Entropi pada dasarnya adalah ukuran ketidakteraturan… Ruangan yang berantakan memiliki entropi yang tinggi… Ruangan yang sangat rapi memiliki entropi yang rendah… Alam cenderung mengarah ke keadaan entropi tinggi karena jumlahnya lebih banyak.”
Para peneliti berhipotesis bahwa merger menghasilkan hal yang sama. Sistem bergerak menuju keadaan dengan entropi setinggi mungkin. Pengaturan yang paling mungkin. Setelah Anda memperhitungkan energi yang hilang dan berputar.
Ini adalah “dugaan entropi maksimum”.
Mencocokkan simulasi tanpa kode
Secara teori, ide ini bukanlah hal baru. Ini mencerminkan cara kita memprediksi keadaan akhir pencampuran gas panas dan dingin. Anda tidak melacak setiap tabrakan. Anda memaksimalkan entropi. Anda mendapatkan jawabannya.
Tim bertanya-tanya apakah logika yang sama berlaku untuk lubang hitam.
Mereka mengujinya. Mereka memetakan massa dan momentum sudut penggabungan lubang hitam ke dalam rangkaian kemungkinan sisa-sisa yang berputar. Kemudian mereka menemukan titik entropi puncak dalam urutan tersebut. Terakhir, mereka membandingkannya dengan hasil simulasi relativitas numerik. Simulasi tersebut adalah standar emas. Mahal. Memakan waktu. Tepat.
Pertandingan itu berlangsung luar biasa.
“Hebatnya, kami mengamati bahwa entropi rangkaian ini mencapai maksimum pada titik-titik yang sangat dekat dengan massa dan momentum sudut sisa akhir sebenarnya… kesepakatan dalam beberapa persen,” kata Rincon-Ramirez.
Ini bukan sekadar perkiraan. Itu hanya beberapa persen dari simulasi kompleks. Itu mengesankan untuk sebuah aturan sederhana.
Eugenio Bianchi, seorang profesor dan rekan penulis, menyoroti perbedaannya:
“Ketika dua gas panas bersentuhan… interaksi mikroskopis tidak perlu dilacak… Memaksimalkan entropi, sambil mempertimbangkan hukum fisika lainnya, akan memprediksi hasilnya. Dugaan baru kami mengusulkan aturan luas yang sama yang dapat menentukan apa yang tersisa ketika dua lubang hitam bergabung.”
Mengapa hal ini penting bagi fisika lubang hitam
Lubang hitam terakhir melupakan hampir segalanya tentang tabrakan tersebut. Ia hampir tidak menyimpan ingatan tentang merger yang kacau itu. Yang tersisa dijelaskan hanya dengan dua angka. Massa dan putaran. “Teorema tanpa rambut”.
Tapi mengapa angka spesifik itu? Mengapa bukan kombinasi lain?
Pendekatan termodinamika menawarkan jawabannya. Sisanya menetap pada keadaan yang memaksimalkan entropi. Ini adalah hasil yang paling alami dan paling mungkin terjadi.
BS Sathyaprakash, yang memimpin penelitian ini, melihat hal ini lebih dari sekedar jalan pintas.
“Pekerjaan ini mengeksplorasi kemungkinan mengejutkan pada titik temu antara gravitasi, fisika lubang hitam, dan termodinamika… menimbulkan pertanyaan transformatif: Bisakah maksimalisasi entropi menjadi prinsip pengorganisasian mendasar yang mengatur interaksi lubang hitam?”
Ini melampaui hukum mekanika lubang hitam yang sudah ada. Hal ini menunjukkan adanya hubungan yang lebih dalam antara gravitasi dan termodinamika. Salah satu yang mungkin berlaku untuk lebih dari sekedar merger.
Yayasan Sains Nasional AS mendukung penelitian ini. Temuannya muncul di Surat Tinjauan Fisik sebagai Saran Editor.
Ini adalah pemandangan yang lebih bersih dari alam semesta yang berantakan. Kita tidak perlu mensimulasikan setiap atom ruangwaktu. Kita hanya perlu melihat di mana kekacauan ini terjadi.
Namun apakah ini berarti semua peristiwa kosmik mengikuti jalur termodinamika sederhana? Atau apakah lubang hitam cukup unik untuk menipu aturan tersebut? Kita mungkin tidak pernah tahu pasti. Alam semesta tidak selalu menjelaskan dirinya sendiri.
