Kiedyś superkomputery były jedyną metodą sprawdzenia, co się stanie, gdy zderzą się dwie czarne dziury. Rozwiązywanie równań Einsteina wymaga ogromnej mocy obliczeniowej. Matematyka staje się skomplikowana, a rotacja staje się myląca. To prawdziwy koszmar dla tych, którzy nie mieszkają w szafie serwerowej.
A teraz? Fizycy z Pennsylvania State University twierdzą, że nie jest to konieczne. Wystarczy termodynamika.
Brzmi absurdalnie. Czarne dziury to wgłębienia grawitacyjne, a nie silniki. To nie jest para ani gaz. Nie powinni przestrzegać praw przenoszenia ciepła. Ale oni są posłuszni. A przynajmniej zachowują się, jakby byli uległi. Nowe badania opublikowane w Physical Review Letters pokazują, że ostateczna masa i spin pozostałości czarnej dziury podlega zaskakująco prostej zasadzie: maksymalna entropia.
Czy można przewidzieć łączenie się czarnych dziur za pomocą prostej fizyki?
Dwie czarne dziury na orbicie nie pozostają daleko od siebie. Grawitacja przyciąga je mocniej. Kręcą się, a następnie zderzają. To wydarzenie uwalniające energię. Zniekształca czasoprzestrzeń i wysyła fale grawitacyjne, które pokonują miliardy lat świetlnych.
Detektory Ziemi wychwytują te fale. „Słyszymy” zderzenie. Na podstawie sygnału możemy oszacować rozmiar czarnej dziury pozostałej po połączeniu. Czyli reszta.
Zazwyczaj w celu uzyskania dokładnej prognozy wymagane są złożone symulacje. Rozwiązywanie równań różniczkowych przyprawia Cię o zawrót głowy. Zespół z Pennsylvania State University zadał inne pytanie. Czy możemy obejść się bez superkomputera? Czy możemy zastosować podstawowe zasady termodynamiki, aby przewidzieć wynik?
Monica Rincón-Ramirez, pierwsza autorka badania, ujmuje to w ten sposób:
„Ostateczna czarna dziura po połączeniu wibruje jak uderzony dzwon i emituje fale grawitacyjne, aż się uspokoi… Nasze pytanie brzmiało: czy możemy przewidzieć ten stan końcowy za pomocą argumentów termodynamicznych?”
Chodzi o jak. W jaki sposób natura decyduje, co pozostanie po opadnięciu kurzu?
Entropia, nieporządek i stan końcowy
Termodynamika zwykle zajmuje się gazami. Silniki. Gotowanie. Z ogromną liczbą cząstek poruszających się losowo w przestrzeni. Opisuje energię, ciepło i entropię na poziomie makro. Nie śledzimy każdej cząsteczki. Patrzymy na duży obraz.
Ogólna teoria względności podchodzi inaczej. Postrzega grawitację jako zakrzywioną czasoprzestrzeń. Deterministyczny. Jedno wejście – jedno wyjście. Żaden przypadek. Wcześniej uważano, że czarne dziury zasadniczo wykraczają poza granice termodynamiki. Zmieniło się to w latach 70. XX wieku, kiedy Stephen Hawking pokazał, że emitują one energię. Mają entropię.
Naukowcy z Pennsylvania State University opracowali ten pomysł. Badali podwójne układy czarnych dziur. Fuzje. W szczególności przyjrzeli się momentowi pędu. Mierzy ruch obrotowy. Podczas łączenia się czarne dziury tracą energię i moment pędu, emitując fale grawitacyjne.
Co zatem pozostaje?
Vaishak Prasad, współautor badania, jasno wyjaśnia entropię:
„Entropia jest zasadniczo miarą nieporządku… W zabałaganionym pomieszczeniu entropia jest wysoka… W idealnie czystym pokoju entropia jest niska… Natura ma tendencję do stanów wysokiej entropii, ponieważ jest ich więcej.”
Naukowcy spekulują, że fuzja powoduje to samo. Układ dryfuje do stanu o najwyższej możliwej entropii. Najbardziej prawdopodobna konfiguracja. Uwzględnia to utratę energii i rotację.
To jest „hipoteza maksymalnej entropii”.
Dopasuj symulacje bez pisania kodu
Pomysł nie jest nowy w teorii. Odzwierciedla sposób, w jaki przewidujemy końcowy stan mieszania się gorących i zimnych gazów. Nie musisz śledzić każdej kolizji. Wystarczy maksymalizować entropię. I uzyskaj odpowiedź.
Zespół zastanawiał się: czy ta sama logika ma zastosowanie do czarnych dziur?
Sprawdzili to. Skorelowali masę i moment pędu łączących się czarnych dziur z sekwencją możliwych wirujących pozostałości. Następnie znaleźli punkt maksymalnej entropii w tej sekwencji. Na koniec porównali wyniki z danymi z symulacji numerycznej teorii względności. Te symulacje to złoty standard. Kochani. Czasochłonne. Dokładny.
Zbieg okoliczności okazał się niesamowity.
„Co zaskakujące, obserwujemy, że entropia tej sekwencji osiąga szczyt w punktach, które są zaskakująco bliskie masie i pędowi rzeczywistej końcowej pozostałości… zgodność w granicach kilku procent” – zauważa Rincon-Ramirez.
To nie jest tylko przybliżone dopasowanie. Wynik mieści się w granicach kilku procent złożonych symulacji. To imponujące jak na tak prostą formułę.
Eugenio Bianchi, profesor i współautor, podkreśla kontrast:
“Kiedy dochodzi do kontaktu dwóch gorących gazów… nie ma potrzeby monitorowania interakcji mikroskopowych… Wynik można przewidzieć maksymalizując entropię przy uwzględnieniu innych praw fizycznych. Nasza nowa hipoteza sugeruje, że ta sama ogólna zasada może określić, co pozostanie po połączeniu dwóch czarnych dziur.”
Dlaczego ma to znaczenie dla fizyki czarnych dziur
Ostatnia czarna dziura „zapomina” prawie wszystko o zderzeniu. Prawie nie pamięta chaotycznej fuzji. To, co pozostało, opisują tylko dwie liczby: masa i spin. „Twierdzenie o braku włosów”.
Ale dlaczego akurat te liczby? Dlaczego nie inna kombinacja?
Odpowiedzi dostarcza podejście termodynamiczne. Pozostała część osiąga stan maksymalizujący entropię. Jest to najbardziej naturalny i prawdopodobny wynik.
B.S. Satyaprakash, który kierował badaniem, postrzega to jako coś więcej niż tylko uproszczenie:
„Ta praca bada ekscytujące możliwości na przecięciu grawitacji, fizyki czarnych dziur i termodynamiki… stawia pytanie transformacyjne: czy maksymalizacja entropii może być podstawową zasadą organizującą interakcje czarnych dziur?”
Wykracza to poza ustalone prawa mechaniki czarnych dziur. Sugeruje to głębszy związek między grawitacją a termodynamiką. Połączenie, które być może dotyczy czegoś więcej niż tylko fuzji.
Badania były wspierane przez amerykańską National Science Foundation. Wyniki opublikowano w Physical Review Letters jako rekomendację redakcyjną.
To czystszy obraz chaotycznego wszechświata. Nie musimy symulować każdego atomu w czasoprzestrzeni. Musimy tylko zobaczyć, gdzie uspokoi się bałagan.
Ale czy to oznacza, że wszystkie zdarzenia kosmiczne podążają prostymi ścieżkami termodynamicznymi? A może czarne dziury są po prostu na tyle wyjątkowe, że mogą ominąć tę zasadę? Być może nigdy nie będziemy pewni. Wszechświat nie zawsze wyjaśnia się sam.
