Stephen Hawking, Gravitációs hullámok és fekete lyuk termodinamika; Astrodicticum Simplex

Tegnap sorozatomban írtam Stephen Hawking szingularitás-tétel tudományos munkájáról. Az 1960-as évek végén tudósként vált ismertté, és jelentős mértékben hozzájárult mindenségünk kezdetének jobb megértéséhez. Az elkövetkező években Hawking intenzíven szentelte magát azoknak a tárgyaknak, amelyek napjaink tudományos munkájával leginkább összefüggenek: a fekete lyukakkal.

Az ütköző fekete lyukak gravitációs hullámokat hoznak létre! Most mindig a képet készítem, amikor fekete lyukakról van szó! Tetszik az illusztráció! (Kép: IGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))

Az oda vezető út egy olyan jelenségen vezet keresztül, amelyet gyakran figyelmen kívül hagynak a különféle Hawkings-témák. 1970-ben Gary Gibbons-szal cikket írtak a gravitációs hullámokról („Elmélet a rövid gravitációs sugárzások észleléséről”). Ez a jelenség 2016 óta csak nagyon sok címsort tett fel. Ekkor jelentették be a gravitációs hullámok első konkrét bizonyítását (lásd itt és a cikk linkjeit). De már 1958-ban Joseph Webber fizikus bejelentette a gravitációs hullámok mérését (lásd itt). A mai napig nem lehet teljesen biztos abban, hogy mérési hibáról van-e szó, vagy valóban gravitációs hullámokat detektáltak-e akkoriban (bár a vélemény „mérési hibákra” hajlamos). De az elméleti fizika mindenképpen foglalkozott Webber méréseivel, és Hawking az 1970-es cikkben is spekulált az egyértelműséget biztosító detektálási módszerekkel. Röviddel ezután megjelent Hawking újabb cikke: „Gravitációs sugárzás az ütköző fekete lyukakból”. Ez a gravitációs hullámokról is szólt, de a munka messze túlmutatott azok felderítésének kérdésén.

Ebben a cikkben Hawking közzétette az úgynevezett övét "Terület-tétel" ismert. Hawking megállapította, hogy a fekete lyukak biztosan gravitációs hullámokat bocsáthatnak ki ütközések során. Tehát energiát veszít - a felületét az ún Esemény horizontja magába zárja, de mégsem tud zsugorodni: Amikor két fekete lyuk ütközik, az egyesülés során keletkezett lyuk eseményhorizontja nagyobb, mint a két egyedi lyuk horizontjának nagysága. Az eseményhorizont valójában pontosan az, amit kívülről „fekete lyuknak” érzékelünk. Ez az a határ, amelynél a menekülési sebesség meghaladja a fénysebességet. Más szavakkal: megközelítheti a fekete lyukat az eseményhorizontig, és ha elég gyors, akkor ismét eltávolodhat tőle. Az eseményhorizont mögött az embernek gyorsabbnak kell lennie a fénynél, hogy elkerülje a fekete lyuk gravitációs erejét, és ez lehetetlen. Emiatt kívülről nem látható minden, ami túl van az eseményhorizonton. Semmi nem menekülhet onnan, és ezért nem tudjuk, mi áll valójában a háttérben.

John Bardeen és Brandon Carter társaságában Stephen Hawking 1973-ban publikált egy művet „A fekete lyuk mechanikájának négy törvénye” címmel. Ebben négy állítást fogalmaztak meg a fekete lyukakról, amelyek a termodinamika négy fő elvéhez hasonlóan tekinthetők. És ez:

Nulla törvény: Az álló, nem forgó fekete lyuk eseményhorizontján lévő gravitációs gyorsulás mindenhol azonos értékű.
Első fő záradék: Külső zavarok esetén a fekete lyuk teljes energiája nagyon meghatározott módon változik (amelyet konkrétan kell megfogalmazni, most már túl messzire vezet, és nem járulna hozzá a jobb megértéshez sok magyarázat nélkül).
Második törvény: Az eseményhorizont területe változatlan maradhat, vagy növekedhet, de soha nem csökken.
Harmadik törvény: Nem lehet olyan fekete lyukat létrehozni, amelynek gravitációs gyorsulása az eseményhorizontnál nulla.

Ha összehasonlítja ezeket az állításokat a klasszikus termodinamikával, gyorsan láthatja az összefüggéseket. A nulladik törvény megfelel annak az állításnak, miszerint egy fizikai rendszer hőmérséklete mindig hőegyensúlyban van. Az első törvény az, amit a termodinamikában az energiatakarékosságként ismerünk. A második törvény megfelelőjét már fentebb kifejtettem. És a harmadik törvény analóg a termodinamikai állítással, amely szerint egy fizikai rendszert soha nem lehet abszolút nullára hűteni.

A fekete lyukak és a termodinamika kapcsolata lenyűgöző - ugyanakkor zavaró is. Valóban csak formális megfelelője volt? És mi van a felmerülő ellentmondásokkal? Bekenstein értelmezése az eseményhorizont területéről, Hawkingssal együtt terület tétel bebizonyosodott, hogy nincs megsértve a termodinamika második törvénye. Ha valamit bedobok egy fekete lyukba, akkor az entrópiája és így az eseményhorizont területe nagyobb lesz, és minden rendben van (legalábbis nagyon leegyszerűsítve). De ha fekete lyukak igazából Olyan tárgyak, amelyek követik a termodinamikát, akkor hőmérsékletüknek is meg kell lenniük. És ha hőmérsékletük van, akkor ki kell adniuk a sugárzást. De definíció szerint pontosan ez a fekete lyuk Nem csinálni!

Hawking ezt követően egy kicsit később megoldotta ezt az ellentmondást azzal a felfedezéssel, amely a mai napig az egyik legfontosabb hozzájárulása az elméleti fizikához. De erről többet a sorozat következő részében.