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.

Одно из таких термодинамических исследований было проведено авторами новой работы. Ученые поставили целью изучить поведение одной из разновидностей черных дыр — асимптотически анти-де-ситтеровских «волосатых» черных дыр в пространстве Лавлока (более подробно об анти-де-ситтеровских моделях и «волосах» на черных дырах см. наши материалы «Уйдем по направлению световой бесконечности» и «Никакого парадокса нет»). Авторы обнаружили, что для таких объектов может существовать фазовый переход, аналогичный фазовым переходам в физике конденсированного состояния вещества, наблюдаемым в бозе-эйнштеновских конденсатах и для явлений сверхтекучести, сверхпроводимости и магнетизма. Ученые считают, что нахождение подобных аналогий не только может поможет развитию теории квантовой гравитации, но также послужит для поиска методов экспериментального наблюдения и изучения черных дыр и других физических явлений.

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 Козлякова