Главная » Наука и образование » Теоретики изучили сверхтекучие черные дыры

Теоретики изучили сверхтекучие черные дыры

Опубликовано: 2017-01-18

Теоретики изучили сверхтекучие черные дыры

Ученые из Канады и Сингапура предсказали, что в
термодинамике некоторых черных дыр может наблюдаться особый фазовый переход лямбда-типа.
Аналогичное явление существует в физике конденсированного состояния, например,
при переходе жидкого гелия в состояние сверхтекучести. Работа опубликована в
журнале Physical Review Letters.

Такая область физики, как термодинамика черных дыр, появилась
при попытке «примирить» классические законы термодинамики с фактом
существования горизонта событий черных дыр. Аналогичная ситуация в свое время
привела к возникновению квантовой механики, когда в попытке объяснить
отсутствие «ультрафиолетовой катастрофы» с точки зрения статистической физики
Макс Планк ввел понятие кванта энергии электромагнитного излучения. Считается,
что устранение нестыковок между классической термодинамикой и свойствами черных
дыр аналогичным образом может помочь в создании квантовой теории гравитации.

О том, что черные дыры могут обладать некими термодинамическими
свойствами, заговорили после того, как Стивен Хокинг опубликовал один из
выводов, полученных в рамках классической общей теории относительности (ОТО), о
том, что площадь горизонта событий черной дыры не может уменьшаться. Этому
принципу поставили в соответствие второй закон термодинамики о неубывании энтропии изолированной системы. Несмотря на то, что
впоследствии именно этот закон был опровергнут самим же Хокингом (после
открытия явления «испарения» черных дыр, а следовательно, уменьшения их массы
и горизонта событий), идея прижилась и привела к созданию целого направления в
физике черных дыр. Так, для горизонта событий были сформулированы нулевой,
первый и третий законы термодинамики черных дыр.

Чтобы иметь возможность интерпретировать новые законы и
делать из них какие-то выводы о свойствах черных дыр, ученые продолжили
проводить аналогии. Физики поставили в соответствие термодинамическим
потенциалам и величинам из классической термодинамики некие параметры черной
дыры, которые обладают похожими свойствами. Так, в качестве температуры в
термодинамике черных дыр выступает сила гравитационного притяжения на горизонте
событий, в качестве энтальпии — масса черной дыры, энтропии — площадь горизонта событий и так далее. В
результате была построена «новая» термодинамика, позволяющая изучать возможные
свойства черных дыр и выявлять те из них, которые можно было бы проверить в
эксперименте.

Аналогии физических свойств в случае с черными дырами и
физикой твердого тела существуют как в прямом, так и в обратном направлении. Причем с их помощью становится возможным экспериментальное изучение свойств черных дыр непосредственно
в лаборатории, а не только с помощью астрономических наблюдений. Так, в
акустике есть понятие «глухой дыры», или так называемой черной дыры для
акустических колебаний — фононов. Аналогично тому, как свет (фотоны) не может
покинуть пределов горизонта событий черной дыры, так и фононы не могут выйти за
пределы дыры акустической. Это явление было предсказано несколько десятилетий
назад, однако его экспериментальное наблюдение произошло только в 2009 году. В
2016 году на «глухих дырах» удалось даже пронаблюдать излучение Хокинга, что может
стать первым экспериментальным подтверждением гипотезы об «испарении» черных
дыр, предложенной Стивеном Хокингом.

Екатерина Митрофанова

N+1