Термодинамика чёрных дыр

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Одно из важнейших свойств чёрных дыр заключается в том, что чёрная дыра в равновесии — система предельно простая и обладает очень малым числом степеней свободы. Это наводит на мысль, что чёрную дыру можно было бы описать в рамках макроскопического подхода, аналогичного термодинамике. Оказывается, это действительно можно реализовать, и такой подход получил название термодинамики чёрных дыр.

Первоначальные идеи относительно применения термодинамики к описанию чёрных дыр были высказаны Бекенштейном в 1973 году в статье Phys. Rev. D 7, 2333–2346 (1973). Он перечислил следующий набор свойств чёрных дыр:

• сила гравитации одинакова по всей поверхности горизонта событий
• изменение массы (т.е. внутренней энергии) чёрной дыры связано с изменением площади её горизонта событий, её углового момента и её электрического заряда
• в любых неравновесных процессах с участием чёрных дыр (например, при их столкновении) площадь поверхности увеличивается.

Эти свойства очень напоминают (и более того, математически эквивалентны) начала 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.

Возникает естественный вопрос, является ли эта эквивалентность реальной, физической, или это просто похожесть математических законов. В частности, если чёрной дыре определённой массы можно сопоставить некоторую температуру, то, в согласии с законами термодинамики, она должна излучать. Это, казалось бы, находится в противоречии со свойством чёрной дыры не выпускать ничего из-под своего горизонта событий.

Ответы на эти вопросы были даны в Стивеном Хокингом в работе Comm. Math. Phys. 43 (1975) 199. 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.

[править] Ссылки

• Black hole thermodynamics, hep-th/0502195, S.F.Ross, 44 стр.