Теоретики изучили сверхтекучие черные дыры

Черная дыра искажает Большое Магелланово Облако (моделирование). Горизонт событий черной дыры ограничивает область пространства, которую не может покинуть даже свет. На рисунке горизонт событий находится на границе между абсолютно черной областью и остальным пространством.

Wikimedia Commons

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.