Неужели мы заблуждаемся в теориях о черных дырах?!

Москва, 18:28, 08 Сен 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Философ науки Крэйг Каллендер беспокоится о том, что аналогия между черными дырами и термодинамикой слишком натянута.

Крэйг Каллендер, философ науки из Калифорнийского университета в Сан-Диего, утверждает, что связь между черными дырами и термодинамикой менее жесткая, чем предполагалось.

В начале 1970-х люди, изучающие общую теорию относительности, нашу современную теорию гравитации, заметили грубое сходство между свойствами черных дыр и законами термодинамики. Стивен Хокинг доказал, что область горизонта событий черной дыры — поверхность, которая отмечает ее границу — не может уменьшаться. Это звучало подозрительно, так как второй закон термодинамики, который гласит, что энтропия — мера беспорядка — не может уменьшиться.

Тем не менее, в то время Хокинг и другие подчеркивали, что законы черных дыр выглядят как термодинамика только на бумаге. На самом деле они не относятся к термодинамическим понятиям, таким как температура или энтропия.

Затем в быстрой последовательности пара блестящих результатов — один от самого Хокинга — предположили, что уравнения, управляющие черными дырами, на самом деле являются реальными выражениями термодинамических законов, применяемых к черным дырам. В 1972 году Джейкоб Бекенштейн утверждал, что площадь поверхности черной дыры пропорциональна ее энтропии, и, следовательно, сходство второго закона было истинной идентичностью. И в 1974 году Хокинг обнаружил, что черные дыры испускают излучение — то, что мы сейчас называем излучением Хокинга — и это излучение будет иметь точно такую ​​же «температуру» в термодинамической аналогии.

Эта связь дала физикам дразнящее окно в то, что многие считают самой большой проблемой теоретической физики, — как объединить квантовую механику с общей теорией относительности? В конце концов, термодинамика происходит от статистической механики, которая описывает поведение всех невидимых атомов в системе. Если черная дыра подчиняется термодинамическим законам, мы можем предположить, что статистическое описание всех ее фундаментальных, неделимых частей может быть сделано. Но в случае с черной дырой эти части не являются атомами. Они должны быть своего рода основной единицей гравитации, которая составляет ткань пространства и времени.

Современные исследователи настаивают, что любой кандидат в теорию квантовой гравитации должен объяснить, как законы термодинамики черных дыр возникают из-за микроскопической гравитации, и, в частности, почему происходит связь энтропии с площадью. И мало кто сомневается в истинности связи между термодинамикой черной дыры и обычной термодинамикой.

Но что, если связь между этими двумя понятиями не более чем грубая аналогия с физической реальностью? Что бы это значило для последних десятилетий работы в теории струн, петлевой квантовой гравитации и за ее пределами?

Крейг Каллендер, философ науки из Калифорнийского университета в Сан-Диего, утверждает, что пресловутые законы термодинамики черных дыр могут быть не более чем полезной аналогией, простирающейся слишком далеко. Интервью было сжато и отредактировано для ясности.

Почему люди задумали соединить черные дыры и термодинамику?

Каллендер: В начале 70-х люди заметили несколько сходств между ними. Одна из них заключается в том, что оба, похоже, обладают равновесным состоянием. У меня есть ящик с газом. Это можно описать с помощью небольшого количества параметров, например, давления, объема и температуры. То же самое с черной дырой. Это можно описать только ее массой, моментом импульса и зарядом. Дальнейшие детали не имеют значения для любой системы.

И это состояние не говорит мне, что произошло ранее. Я захожу в комнату и вижу ящик с газом со стабильными значениями давления, объема и температуры. Это только что установилось в этом состоянии, или это произошло на прошлой неделе, или, возможно, миллион лет назад? Не могу сказать. Черная дыра похожа.

Вторая особенность заключается в том, что Хокинг доказал, что площадь черных дыр всегда не уменьшается. Это напоминает один из термодинамических законов, что энтропия всегда увеличивается. Таким образом, обе системы, похоже, движутся к просто описанным состояниям

Теперь возьмите учебник по термодинамике, найдите законы и посмотрите, сможете ли вы найти верные утверждения, когда вы заменяете термодинамические термины на переменные черной дыры. Во многих случаях вы можете, и аналогия улучшается.

Затем Хокинг обнаруживает излучение Хокинга, что еще больше улучшает аналогию. В этот момент большинство физиков начинают утверждать, что аналогия настолько хороша, что это больше, чем аналогия — это идентичность! Это супер-сильное и удивительное утверждение. В нем говорится, что законы черных дыр, большинство из которых являются особенностями геометрии пространства-времени, так или иначе идентичны физическим принципам, лежащим в основе физики паровых двигателей.

Поскольку идентичность играет огромную роль в квантовой гравитации, я хочу пересмотреть это утверждение идентичности. Мало кто из основателей физики так и сделал.

Так что же такое статистическая механика для черных дыр?

Это хороший вопрос. На чем обычная термодинамика держится? Ну, мы знаем, что все эти макроскопические термодинамические системы состоят из частиц. Законы термодинамики оказываются описаниями наиболее статистически вероятных конфигураций, происходящих с микроскопической точки зрения.

На чем держится термодинамика черной дыры? Являются ли статистические законы наиболее вероятным способом поведения черных дыр? Хотя в этом направлении существуют предположения, пока у нас нет четкого микроскопического понимания физики черных дыр. В отсутствие этого идентичные заявления кажутся еще более удивительными.

Что заставило вас задуматься об аналогии?

Многих волнует вопрос, не стала ли теоретическая физика слишком умозрительной. Есть много комментариев о том, достаточно ли привязаны голография, струнный ландшафт — все виды вещей — чтобы экспериментировать. У меня есть похожие проблемы. Так что мы с учеником Джоном Догерти подумали, с чего все началось?

На наш взгляд, многое из этого начинается с заявленной идентичности между черными дырами и термодинамикой. Когда вы смотрите в литературе, вы видите, что люди говорят: «Единственное свидетельство, которое мы имеем для квантовой гравитации, единственный твердый намек, это термодинамика черных дыр».

Если это главное, что мы отскакиваем от квантовой гравитации, то мы должны тщательно это изучить. Если это окажется плохой подсказкой, возможно, было бы лучше распространить наши ставки немного шире, чем идти ва-банк на эту идентичность.

Какие проблемы вы видите, рассматривая черную дыру как термодинамическую систему?

Я вижу в основном три. Первая проблема: что такое черная дыра? Люди часто думают о черных дырах как о некой темной сфере, как в голливудском фильме или чем-то подобном. Они думают об этом как звезде, которая рухнула. Но математическая черная дыра, основа термодинамики черной дыры, — это не материал от разрушенной звезды. Это все вошло в сингулярность. Черная дыра — это то, что осталось.

Черная дыра не является прочной вещью в центре. Система действительно всего пространства-времени.

Да, это глобальное понятие, для которого была разработана термодинамика черных дыр, и в этом случае система действительно представляет собой целое пространство-время.

Вот еще один способ мучительно думать. Предположим, звезда коллапсирует и образует горизонт событий. Но теперь другая звезда падает за горизонт этого события и падает, так что она находится внутри первой. Вы не можете думать, что у каждой есть свой маленький горизонт, который ведет себя термодинамически. Это только один горизонт.

Вот еще один. Горизонт событий меняет форму в зависимости от того, что собирается быть в него брошенным. Это ясновидение. Странно, но здесь нет ничего пугающего, пока мы помним, что горизонт событий определяется только глобально. Это не локально наблюдаемая величина.

Картина более противоречива, чем обычно думают люди. Для меня, если система глобальная, то это совсем не похоже на термодинамику.

Второе возражение: термодинамика черных дыр — это бледная тень термодинамики. Я был удивлен, увидев, что аналогия оказалась не такой тщательной, как я ожидал. Если вы возьмете учебник по термодинамике и начнете заменять утверждения их аналогами из черной дыры, вы не обнаружите, что аналогия заходит так глубоко.

Крейг Каллендер объясняет, почему связь между черными дырами и термодинамикой является не более чем аналогией

Например, нулевой закон термодинамики устанавливает целую теорию и понятие равновесия — основную идею, что характеристики системы не меняются. И это говорит о том, что если одна система находится в равновесии с другой — A с B и B с C — тогда A должна быть в равновесии с C. Основой термодинамики является это равновесное отношение, которое устанавливает значение температуры.

Нулевой закон для черных дыр заключается в том, что поверхностная гравитация черной дыры, которая измеряет гравитационное ускорение, является постоянной на горизонте. Таким образом, предполагается, что температура является постоянной. Это не совсем верно. Здесь мы видим бледную тень первоначального нулевого закона.

Аналогом равновесия считается «стационарный», технический термин, который в основном говорит, что черная дыра вращается с постоянной скоростью. Но нет никакого смысла в том, что одна черная дыра может быть «неподвижной» с другой черной дырой. Вы можете взять любой термодинамический объект, разрезать его пополам и сказать, что одна половина находится в равновесии с другой. Но вы не можете взять черную дыру и разрезать ее пополам. Вы не можете сказать, что эта ее половина неподвижна с другой.

Вот еще один способ, которым аналогия проваливается. Энтропия черной дыры определяется площадью черной дыры. Площадь равна длине в квадрате, объем — длина в кубах. Так, что мы делаем со всеми этими термодинамическими отношениями, которые включают объем, как закон Бойля? Является ли объем, который является длиной, умноженной на площадь, действительно длиной, умноженной на энтропию? Это разрушило бы аналогию. Поэтому мы должны сказать, что объем не является аналогом объема, что удивительно.

Самая известная связь между черными дырами и термодинамикой происходит от понятия энтропии. Для нормальных вещей мы считаем энтропию мерой беспорядка основных атомов. Но в 1970-х годах Джейкоб Бекенштейн сказал, что площадь поверхности горизонта событий черной дыры эквивалентна энтропии. На чем это основано?

Это моя третья проблема. Бекенштейн говорит, что если я брошу что-то в черную дыру, энтропия исчезнет. Но этого не может быть, считает он, согласно законам термодинамики, поскольку энтропия всегда должна увеличиваться. Так что какая-то компенсация должна быть выплачена, когда вы бросаете вещи в черную дыру.

Бекенштейн замечает решение. Когда я бросаю что-то в черную дыру, масса увеличивается, как и площадь. Если я определю область черной дыры как энтропию, то я найду свою компенсацию. Между ними есть отличная сделка — одно идет вниз, а другое — вверх, и это спасает второй закон.

Когда я увидел это, я подумал, ага, он подумал, что если не знать больше о системе, это означает, что ее значение энтропии изменилось. Я сразу увидел, что это довольно нежелательно, потому что оно идентифицирует энтропию с неопределенностью и нашими знаниями.

В основах статистической механики ведутся долгие споры о том, является ли энтропия субъективным или объективным понятием. Я твердо на стороне думающих, что это объективное понятие. Я думаю, что деревья, не замеченные в лесу, приходят в равновесие, независимо от того, что кто-то знает о них или нет, что то, как тепловые потоки не имеют ничего общего со знаниями, и так далее.

Бросьте паровой двигатель за горизонт событий. Мы ничего не можем знать об этом, кроме его массы, но я утверждаю, что он все еще может выполнять такую ​​же работу, как раньше. Если вы мне не верите, мы можем проверить это, заставив физика прыгнуть в черную дыру и следовать за паровым двигателем! Компенсация необходима только в том случае, если вы считаете, что то, о чем вы больше не знаете, перестает существовать.

Как вы думаете, можно ли исправить термодинамику черной дыры, или все это безнадежно?

Мой разум открыт, но я должен признать, что я глубоко скептически отношусь к этому. Я подозреваю, что «термодинамика» черной дыры действительно представляет собой интересный набор взаимосвязей об информации с точки зрения внешнего вида черной дыры. Это все о забвении информации.

Поскольку термодинамика — это больше, чем теория информации, я не думаю, что существует глубокий термодинамический принцип, действующий через Вселенную, который заставляет черные дыры вести себя так, как они это делают, и я беспокоюсь, что физика — это отличный намек на квантовую гравитацию когда это не может быть.

Игра роли «Сократовского овода» в основах физики иногда важна. В этом случае оглядывание назад вызывает немного скептицизма, который может оказаться полезным в дальнейшем.