Суперкомпьютеры раньше были единственным способом узнать, что происходит при столкновении двух черных дыр. Для решения уравнений Эйнштейна требуется огромная вычислительная мощность. Математика становится сложной, вращение — запутанным. Это настоящий кошмар для тех, кто не живет внутри серверной стойки.
А теперь? Физики из Университета штата Пенсильвания утверждают, что в этом нет необходимости. Достаточно лишь термодинамики.
Звучит абсурдно. Черные дыры — это гравитационные ямы, а не двигатели. Это не пар и не газ. Они не должны подчиняться законам теплопередачи. Но они подчиняются. Или, по крайней мере, ведут себя так, будто подчиняются. Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, показывает, что конечная масса и спин остатка черной дыры подчиняются удивительно простому правилу: максимальной энтропии.
Можно ли предсказать слияние черных дыр с помощью простой физики?
Две черные дыры на орбите не остаются далеко друг от друга. Гравитация притягивает их сильнее. Они закручиваются в спирали, а затем сталкиваются. Это энерговыделяющее событие. Оно искажает пространство-время и посылает гравитационные волны, расходящиеся на миллиарды световых лет.
Земные детекторы улавливают эти волны. Мы «слышим» столкновение. По сигналу мы можем оценить размер оставшейся после слияния черной дыры. То есть, остатка.
Обычно для получения точного прогноза требуются сложные симуляции. Решение дифференциальных уравнений до головокружения. Команда из Университета штата Пенсильвания задалась другим вопросом. Можем ли мы обойтись без суперкомпьютера? Можем ли мы использовать базовые термодинамические принципы для предсказания исхода?
Моника Ринкон-Рамирез, первый автор исследования, выражает это так:
«Конечная черная дыра после слияния вибрирует, как ударенный колокол, и излучает гравитационные волны до тех пор, пока не успокоится… Наш вопрос заключался в следующем: можем ли мы предсказать это конечное состояние, используя аргументы термодинамики?»
Речь идет о том, как. Как природа решает, что останется после того, как уляжется пыль?
Энтропия, беспорядок и конечное состояние
Термодинамика обычно имеет дело с газами. Двигателями. Кулинарией. С огромным количеством частиц, беспорядочно движущихся в пространстве. Она описывает энергию, тепло и энтропию на макроуровне. Мы не отслеживаем каждую молекулу. Мы рассматриваем общую картину.
Общая теория относительности подходит иначе. Она рассматривает гравитацию как искривленное пространство-время. Детерминированное. Один вход — один выход. Никакой случайности. Раньше считалось, что черные дыры вообще находятся вне пределов термодинамики. Это изменилось в 1970-х годах, когда Стивен Хокинг показал, что они излучают энергию. У них есть энтропия.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания развили эту идею. Они изучали бинарные системы черных дыр. Слияния. В частности, они рассматривали момент импульса. Он измеряет вращательное движение. При слияниях черные дыры теряют энергию и момент импульса, испуская гравитационные волны.
Так что же остается?
Вайшак Прасад, соавтор исследования, четко объясняет энтропию:
«Энтропия по сути является мерой беспорядка… В беспорядочной комнате энтропия высока… В идеально аккуратной комнате энтропия низка… Природа стремится к состояниям с высокой энтропией, потому что их больше.»
Исследователи предполагают, что слияние делает то же самое. Система дрейфует к состоянию с максимально возможной энтропией. Наиболее вероятной конфигурации. При этом учитываются потерянная энергия и вращение.
Это «гипотеза максимальной энтропии».
Совпадение с симуляциями без написания кода
Идея не нова в теории. Она перекликается с тем, как мы предсказываем конечное состояние смешивания горячего и холодного газов. Не нужно отслеживать каждое столкновение. Достаточно максимизировать энтропию. И получить ответ.
Команда задумалась: применима ли та же логика к черным дырам?
Они проверили это. Они сопоставили массу и момент импульса сливающихся черных дыр с последовательностью возможных вращающихся остатков. Затем они нашли точку максимальной энтропии в этой последовательности. Наконец, они сравнили результаты с данными симуляций численной относительности. Именно эти симуляции являются золотым стандартом. Дорогими. Требующими много времени. Точными.
Совпадение оказалось поразительным.
«Удивительно, но мы наблюдаем, что энтропия этой последовательности достигает максимума в точках, которые удивительно близки к массе и моменту импульса фактического конечного остатка… согласие в пределах нескольких процентов», — отмечает Ринкон-Рамирез.
Это не просто приблизительное совпадение. Результат находится в пределах нескольких процентов от сложных симуляций. Это впечатляет для такой простой формулы.
Эудженио Бьянки, профессор и соавтор, подчеркивает контраст:
«Когда два горячих газа приводятся в контакт… не нужно отслеживать микроскопические взаимодействия… Максимизация энтропии при учете других физических законов предсказывает результат. Наша новая гипотеза предполагает, что тот же широкий принцип может определить, что останется, когда объединятся две черные дыры.»
Почему это важно для физики черных дыр
Конечная черная дыра «забывает» почти всё о столкновении. Она сохраняет почти нет памяти о хаотичном слиянии. То, что остается, описывается всего двумя числами: массой и спином. «Теорема об отсутствии волос».
Но почему именно эти числа? Почему не какая-то другая комбинация?
Термодинамический подход дает ответ. Остаток оседает в состоянии, максимизирующем энтропию. Это наиболее естественный, наиболее вероятный исход.
Б.С. Сатьяпракаш, возглавлявший исследования, видит в этом нечто большее, чем просто упрощение:
«Эта работа исследует удивительную возможность на стыке гравитации, физики черных дыр и термодинамики… ставит трансформационный вопрос: может ли максимизация энтропии быть фундаментальным организующим принципом, управляющим взаимодействиями черных дыр?»
Это выходит за рамки установленных законов механики черных дыр. Это предполагает более глубокую связь между гравитацией и термодинамикой. Связь, которая, возможно, применима не только к слияниям.
Исследование поддержало Национальное научное фонд США. Результаты были опубликованы в Physical Review Letters как рекомендация редактора.
Это более чистый взгляд на хаотичную вселенную. Нам не нужно симулировать каждый атом пространства-времени. Нам просто нужно увидеть, где уляжется беспорядок.
Но означает ли это, что все космические события следуют простым термодинамическим путям? Или черные дыры просто настолько уникальны, что могут обойти это правило? Мы, возможно, никогда не узнаем наверняка. Вселенная не всегда объясняет себя сама по себе.
