Группа физиков из Университета штата Пенсильвания предложила новый подход к термодинамике черных дыр, который развивает теорию Стивена Хокинга. Новая методика позволяет описывать динамические процессы, такие как слияние и испарение объектов, что было невозможно в рамках прежней парадигмы, работавшей только для статичных черных дыр. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Теория, сформулированная Хокингом и другими учеными в 1970-х годах, установила связь между законами термодинамики и поведением черных дыр. В частности, энтропия черной дыры – мера беспорядка – связывалась с площадью ее горизонта событий, то есть границы, из-за которой не может вырваться даже свет. Эта модель успешно описывала черные дыры в состоянии равновесия, но имела фундаментальное ограничение.
Проблема заключается в том, что горизонт событий определяется не только текущим состоянием черной дыры, но и будущей эволюцией всего пространства-времени. Это делает его «телеологическим» понятием, неприменимым для анализа динамических ситуаций в реальном времени. Если черная дыра растет, сливается с другой или испаряется, ее горизонт событий ведет себя непредсказуемо, что не позволяет корректно рассчитать энтропию.
Команда под руководством Абхая Аштекара предложила заменить горизонт событий так называемым «динамическим горизонтом». В отличие от классического определения, динамический горизонт характеризуется свойствами черной дыры в конкретный момент времени и не зависит от будущих событий. Этот подход уже используется в компьютерном моделировании, а теперь исследователи формализовали его для термодинамических расчетов.
Новый метод позволяет распространить первое и второе начала термодинамики на неравновесные черные дыры. Это открывает возможность точнее изучать реальные астрофизические явления, например, слияния, которые регистрируют гравитационно-волновые обсерватории LIGO-Virgo-KAGRA, и квантовое испарение черных дыр.
