Чёрные дыры и их термодинамика

Давно предсказаны Эйнштейном
И подтверждённые открытием,
Особым космоса явлением
И уникальным, как событие. (1)

Там концентрация гравитации,
Одностороннее движение -
Проглотит звезды, радиацию...
Ничто не выйдет - было мнение.

Но оказалось - проще репы
Их поведение и свойства
Термодинамики ответы
Нам объяснили их устройство.

Термодинамика?  Как скучно!
Как паровоз сравнить с ракетой?
Но тем не менее - научно
Они похожи, странно это.    (2)

Представим - чёрная дыра
Свободы степеней не много,
И математики игра
Карно и Джоуль - есть дорога.

Температуру заменить
На гравитацию спокойно,
А площадь «рта» этой дыры
На энтропию! Всё пристойно!   (3)

Теперь решаем уравнение
И чудо! Чёрная дыра
Теряет массу. Лишь терпение
И испарится вся она!        (4)

И так, не вечны эти дыры
И исчезают, как мираж…
Воистину, познание - сила!
А эти знания - для вас.

9-3-19

(1)  Чёрная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

(2) Термодинамика чёрных дыр в физике — феноменологический подход к изучению чёрных дыр, основанный на их описании в терминах макроскопического подхода, аналогичного термодинамике. Успешность такого подхода связана с предельной простотой равновесныхчёрных дыр, которые обладают малым числом степеней свободы.

Первоначальные идеи относительно применения термодинамики к описанию чёрных дыр были высказаны Яаковом Бекенштейном (1947-2015) в 1973 году. Он перечислил следующий набор свойств чёрных дыр:

    а. Поверхностная гравитация одинакова по всей поверхности горизонта событий.
    б. Площадь горизонта событий черной дыры не может уменьшаться со временем при любом классическом процессе.
    в. В любых неравновесных процессах с участием чёрных дыр (например, при их столкновении) площадь поверхности увеличивается.

(3) Эти свойства очень напоминают (и более того, математически эквивалентны) началам термодинамики (существование температуры, связь внутренней энергии с энтропией, и закон возрастания энтропии). То есть весь аппарат термодинамики можно применить к чёрной дыре, если положить, что сила гравитации играет роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии.

(4) Одним из предсказаний данной теории стал вывод о том, что чёрные дыры должны иметь конечную температуру и излучать. Однако этот вывод находится в кажущемся противоречии со свойством чёрной дыры не выпускать ничего из-под своего горизонта событий. Разрешение этого парадокса было дано Стивеном Хокингом. Он показал, что излучение чёрной дыры — названное впоследствии излучением Хокинга — возникает за счёт квантовых эффектов, причём излучённые частицы не выходят из-под горизонта событий, а рождаются вблизи него. Вычисленная Хокингом интенсивность излучения совпала с той, которая ожидалась на основании термодинамического подхода. Это явилось подтверждением того, что термодинамика чёрных дыр действительно имеет реальный физический смысл.