Stephen Hawking híres elmélete a fekete lyukak „szivárgásáról” jelentős frissítést kapott, amely forradalmasíthatja a kozmikus objektumokról alkotott képünket. A Penn State Egyetem kutatói egy új megközelítést javasoltak, amely szerint a fekete lyukak energiavesztése sokkal egyszerűbben leírható, mint azt korábban gondoltuk. Az új modell szerint a folyamat hasonló ahhoz, ahogyan egy forrásban lévő víz viselkedését írjuk le a termodinamika törvényei alapján.
A kutatás középpontjában a fekete lyukak entrópiája, vagyis rendezetlenségének mértéke áll, amely szorosan összefügg olyan tulajdonságokkal, mint a spin és az energia. Ez az összefüggés lehetővé teszi, hogy a fekete lyukak dinamikus viselkedését – például kialakulásukat, egyesülésüket, párolgásukat és akár robbanásszerű pusztulásukat is – a termodinamika jól ismert törvényeivel modellezzük. A kutatók szerint ez a megközelítés áthidalja azt a hiányosságot, amely Hawking eredeti elméletében rejlett.
„Hawking fekete lyuk mechanikai törvényei lenyűgöző kapcsolatot teremtettek a szélsőséges és a hétköznapi fizika között, és ötven éven át meghatározták a paradigmát, de komoly korlátjuk van” – mondta Abhay Ashtekar, a Penn State Egyetem kutatója. „Ezeket a törvényeket egyensúlyi állapotban lévő fekete lyukakra fogalmazták meg, amelyek időben nem változnak, de a fekete lyukak folyamatosan változnak: kialakulnak, egyesülnek és végül elpárolognak. Szerettük volna megtalálni a módját, hogyan léphetjük túl ezt a korlátot, és terjeszthetjük ki a törvényeket a nem egyensúlyi fekete lyukakra.”
Einsteintől Hawkingig a fekete lyukak rejtélye
A fekete lyukak megértéséhez egészen Albert Einsteinig kell visszanyúlnunk, aki 1915-ben alkotta meg az általános relativitáselméletet. Az elmélet egyenleteinek egyik következménye a szingularitás, egy olyan pont, ahol a gravitáció végtelenné válik, és amely a fekete lyukak szívét képezi. Az egyenletek másik fontos következménye az eseményhorizont, az a határfelület, ahol a szökési sebesség meghaladja a fénysebességet, így onnan semmi sem távozhat – egészen Hawking 1974-es áttöréséig.
Hawking sugárzásának elmélete gyökeresen megváltoztatta a fekete lyukakról alkotott képet. Azt állította, hogy ezek az objektumok hőenergiát sugároznak, ami lehetővé tette a termodinamika törvényeinek alkalmazását rájuk. Ez a felismerés forradalmasította a kozmológiát, hiszen a fekete lyukak hirtelen nem pusztán elnyelő, hanem sugárzó objektumokká váltak, amelyek entrópiával és hőmérséklettel rendelkeznek.
A probléma azonban az volt, hogy Hawking törvényei csak az egyensúlyi állapotban lévő fekete lyukakra voltak érvényesek. „Ezek az analógiák csak akkor működnek igazán, ha a fekete lyuk egyensúlyi állapotban van” – magyarázta Jonathan Shu, a Penn State kutatója. „Dinamikus helyzetekben az eseményhorizontok olyan tér-idő régiókban alakulhatnak ki és nőhetnek, ahol semmi sem történik, így a fekete lyuk tulajdonságait nem lehet pusztán a helyi fizika alapján meghatározni.”
Új horizont a fekete lyukak termodinamikájában
A kutatócsoport megoldást talált a problémára: az eseményhorizont helyett egy úgynevezett „dinamikus horizontot” vezettek be, amelyet a szimulációk során már régóta használnak. Ez az új megközelítés lehetővé teszi, hogy a termodinamika első és második főtételét – miszerint egy zárt rendszer energiája nem vész el, csak átalakul, és az entrópia mindig növekszik – alkalmazzuk a fekete lyukakra még akkor is, amikor azok dinamikus folyamatokban vesznek részt.
„Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a termodinamika első és második törvényét kiterjesszük azokra a fekete lyukakra is, amelyek nincsenek egyensúlyi állapotban, ezzel leküzdve a fél évszázada használt paradigma korlátait” – mondta Ashtekar. Az új modell szerint a fekete lyukak entrópiája nem az eseményhorizont területéhez, hanem a dinamikus horizont tulajdonságaihoz kötődik, ami sokkal pontosabb leírást ad a valós fizikai folyamatokról.
A kutatás eredményeit a Physical Review Letters című tudományos folyóiratban publikálták, és a szakemberek szerint ez a frissítés nemcsak a fekete lyukak jobb megértéséhez járul hozzá, hanem új utakat nyithat a kvantumgravitáció és a kozmológia területén is. Az új elmélet segítségével a tudósok pontosabban modellezhetik a fekete lyukak párolgását és egyesülését, ami közelebb vihet minket az univerzum legalapvetőbb titkainak megfejtéséhez.
© Jonathan Shu and Daniel Paraizo / Penn State
Forrás: Space.com
