Термодинаміка чорних дір

Термодинаміка чорних дір у фізиці - феноменологічний підхід до вивчення чорних дір, заснований на її описі в термінах макроскопічного підходу, аналогічного термодинаміці. Успішність такого підходу пов'язана з граничною простотою рівноважних чорних дір, які володіють малим числом ступенів свободи.

Первинні ідеї щодо застосування термодинаміки до опису чорних дірок були висловлені Бекенштейном в 1973 [1]. Він перерахував наступний набір властивостей чорних дір:

  • Сила гравітації однакова по всій поверхні горизонту подій
  • Площа горизонту подій чорної діри не може зменшуватися з часом при будь-якому класичному процесі.
  • У будь-яких нерівних процесах за участю чорних дір (наприклад, при їх зіткненні) площа поверхні збільшується.

Ці властивості дуже нагадують (і більше того, математично еквівалентні) початку термодинаміки (існування температури, зв'язок внутрішньої енергії з ентропією, і закон зростання ентропії). Тобто весь апарат термодинаміки можна застосувати до чорної діри, якщо покласти, що сила гравітації грає роль температури, а площа поверхні горизонту подій пропорційна ентропії.

Одним з пророцтв даної теорії став висновок про те, що чорні діри повинні випромінювати. Однак цей висновок знаходиться в уявній суперечності з властивістю чорної діри не випускати нічого під свого горизонту подій. Дозвіл цього парадоксу було дано Стівеном Хокінгом [2]. Він показав, що випромінювання чорної діри - назване згодом випромінюванням Хокінга - виникає за рахунок квантових ефектів, причому випромінюють частки не виходять з-під горизонту подій, а народжуються поблизу нього. Обчислена Хокінгом інтенсивність випромінювання співпала з тією, яка очікувалася на підставі термодинамічного підходу. Це стало підтвердженням того, що термодинаміка чорних дір дійсно має реальний фізичний зміст.


Примітки

  1. Jacob D. Bekenstein Black Holes AND Entropy - prola.aps.org/abstract/PRD/v7/i8/p2333_1 (Англ.) / / Phys. Rev. D. - 1973. - Т. 7. - С. 2333-2346.
  2. SW Hawking Particle Creation By Black Holes - projecteuclid.org/euclid.cmp/1103899181 (Англ.) / / Comm. in Math. Phys. - 1975. - Т. 43. - С. 199-220.