Stephen Hawking, gravitačné vlny a termodynamika čiernych dier; Astrodicticum Simplex
Včera som vo svojej sérii písal o vedeckej práci Stephena Hawkinga o vete o singularite. Vedcom sa stal známy na konci 60. rokov a významnou mierou prispel k lepšiemu pochopeniu začiatku nášho vesmíru. V nasledujúcich rokoch sa Hawking intenzívne venoval objektom, ktoré sa dnes s jeho vedeckou prácou spájajú najviac: čiernym dieram.
Zrážky čiernych dier vytvárajú gravitačné vlny! Pokiaľ ide o čierne diery, teraz to fotím vždy! Páči sa mi ilustrácia! (Obrázok: IGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))
Cesta tam vedie cez jav, ktorý človek pri rôznych Hawkingsových témach často prehliada. V roku 1970 spolu s Garym Gibbonsom napísal článok o gravitačných vlnách („Teória detekcie krátkych výbuchov gravitačného žiarenia“). Tento fenomén sa od roku 2016 dostal iba na veľa titulkov. V tom čase bol oznámený prvý konkrétny dôkaz gravitačných vĺn (pozri tu a odkazy v tomto článku). Ale už v roku 1958 oznámil fyzik Joseph Webber meranie gravitačných vĺn (pozri tu). Dodnes si človek nie je úplne istý, či ide o chybu merania, alebo či boli v tom čase skutočne detegované skutočné gravitačné vlny (hoci názor smeruje k „chybám merania“). Ale teoretická fyzika sa definitívne zaoberala Webberovými meraniami a Hawking tiež špekuloval v článku z roku 1970 o detekčných metódach, ktoré môžu poskytnúť jasnosť. Krátko nato sa objavil ďalší článok od Hawkinga: „Gravitačné žiarenie zo zrážajúcich sa čiernych dier“. Išlo tiež o gravitačné vlny - práca však išla ďaleko nad rámec otázky ich detekcie.
V tomto článku Hawking zverejnil to, čo sa teraz nazýva jeho „Oblastná veta“ je známe. Hawking zistil, že čierne diery môžu počas kolízií určite vyžarovať gravitačné vlny. Stratí teda energiu - oblasťou je tzv Horizont udalostí ohraničuje, ale stále sa nemôže zmenšiť: Keď sa zrazia dve čierne diery, horizont udalostí diery vytvorenej počas zlúčenia je väčší ako súčet veľkosti horizontov dvoch jednotlivých dier. Horizont udalostí je vlastne presne to, čo zvonku vnímame ako „čiernu dieru“. Je to hranica, pri ktorej úniková rýchlosť presahuje rýchlosť svetla. Inými slovami: K čiernej diere sa môžete priblížiť až k horizontu udalostí a ak ste dosť rýchli, môžete sa od nej opäť vzdialiť. Za horizontom udalostí by potom človek musel byť rýchlejší ako svetlo, aby unikol pred gravitačnou silou čiernej diery, a to je nemožné. Z tohto dôvodu nie je všetko, čo je za horizontom udalostí, zvonka viditeľné. Odtiaľ nemôže nič uniknúť, a preto nevieme, čo sa za tým vlastne skrýva.
Spolu s Johnom Bardeenom a Brandonom Carterom vydal Stephen Hawking v roku 1973 prácu s názvom „Štyri zákony mechaniky čiernych dier“. V ňom formulovali štyri výroky o čiernych dierach, na ktoré sa dá pozerať analogicky so štyrmi hlavnými princípmi termodynamiky. A tento:
- Nulový zákon: Gravitačné zrýchlenie v horizonte udalostí stacionárnej, nerotujúcej čiernej diery má všade rovnakú hodnotu.
- Prvá hlavná veta: V prípade vonkajších porúch sa celková energia čiernej diery mení veľmi špecifickým spôsobom (ktorý konkrétne formulovať teraz vedie príliš ďaleko a bez väčšieho vysvetlenia by neprispel k lepšiemu pochopeniu).
- Druhý zákon: Plocha horizontu udalostí môže buď zostať rovnaká, alebo môže rásť, ale nikdy sa nezmenšovať.
- Tretí zákon: Nie je možné vytvoriť čiernu dieru, ktorej gravitačné zrýchlenie je na horizonte udalostí nulové.
Ak porovnáte tieto tvrdenia s klasickou termodynamikou, môžete rýchlo zistiť súvislosti. Nultý zákon zodpovedá tvrdeniu, že teplota fyzikálneho systému je vždy v tepelnej rovnováhe. Prvý zákon je to, čo poznáme v termodynamike ako úsporu energie. Korešpondenciu druhého zákona som už vysvetlil vyššie. A tretí zákon je analogický s termodynamickým výrokom, podľa ktorého fyzikálny systém nemožno nikdy ochladiť na absolútnu nulu.
Spojenie medzi čiernymi dierami a termodynamikou je fascinujúce - ale tiež mätúce. Bol to skutočne iba formálny ekvivalent? A čo rozpory, ktoré vzniknú? Bekensteinova interpretácia oblasti horizontu udalostí spolu s Hawkingsom plošná veta ukázalo sa, že nedochádza k porušeniu druhého termodynamického zákona. Ak niečo hodím do čiernej diery, jej entropia a tým aj plocha jej horizontu udalostí bude väčšia a všetko bude ok (aspoň vo veľmi zjednodušených termínoch). Ale ak čierne diery naozaj Sú to objekty, ktoré sledujú termodynamiku, musia tiež mať teplotu. A keď majú teplotu, musia vydávať žiarenie. Ale presne také sú čierne diery podľa definície Nie robiť!
Hawking potom o niečo neskôr tento rozpor vyriešil objavom, ktorý je dodnes jedným z jeho najdôležitejších príspevkov k teoretickej fyzike. Ale o tom viac v ďalšej časti série.