Все |0-9 |А |Б |В |Г |Д |Е |Ж |З |И |К |Л |М |Н |О |П |Р |С |Т |У |Ф |Х |Ц |Ч |Ш |Щ |Э |Ю |Я

Каталог статей Принципы действия устройств Другое

Термодинамика чёрных дыр

Рейтинг 1.7/5 (21 голосов)

В 19 веке учёные, изучающие тепло и поведение газов низкой плотности, разработали теорию, известную как термодинамика. Исходя из названия, эта теория описывает динамическое поведение тепла или если смотреть шире, речь идёт об энергии. Ядром термодинамики являются её четыре начала.


Нулевое начало раскрывает нам понятие термодинамического равновесия. То есть если объект А и объект В находятся в термодинамическом равновесии друг относительно друга, как и объект В по отношению к объекту С, то соответственно объекты А и С также находятся в термодинамическом равновесии. Также это означает отсутствие обмена энергии между этими объектами и наличие одинаковой температуры. По этой причине это начало не стало первым началом термодинамики. Другие начала были сформулированы раньше. Но по мере их уточнения стало ясно, что нулевое начало также должно быть включёно в качестве физического свойства, а не только как предположение.
Первое начало говорит нам о принципе сохранения энергии. Так как теплоэто форма энергии, то нагревающийся объект должен получать энергию откуда-то извне. Точно также должно происходить, когда объект охлаждается. Теряемая энергия должна быть получена каким-либо другим объектом. Этот постулат был известен ещё до формулирования основ термодинамики.
Второе начало повествует нам о принципе передачи тепла. То есть тепло от нагретого объекта передаётся к холодному. Но оно звучит более веско, если речь идёт об энтропии. С этой точки зрения его можно перефразировать как «энтропия системы не может уменьшаться».
Очень распространено мнение, что энтропия является своего рода степенью хаоса или неупорядоченности в системе или её части. Это значит, что окружающие объекты со временем должны утрачивать свою целостность. Поэтому это утверждение даёт скептикам эволюции повод говорить, что она (эволюция) противоречит второму началу.
На самом деле энтропия должна рассматриваться как информация о системе, а не как сама система. Например, упорядоченную систему вроде равномерно распределённых по сетке камней описать довольно легко, так как они имеют простую взаимную связь друг относительно друга. Но уже описание неупорядоченной системы наподобие беспорядочно разбросанных камней потребует больше информации, так как простая схема их описания отсутствует. Таким образом, когда речь заходит об энтропии имеется ввиду, что не может уменьшаться или быть полностью уничтоженной именно информация об объекте.
Третье начало говорит, что когда температура объекта равна абсолютному нулю, уровень его энтропии минимален (очень часто он принимается равным нулю). Следствием этого начала является невозможность охлаждения объекта до абсолютного нуля.
Для описания классических чёрных дыр достаточно несколько основных параметров: массы чёрной дыры, её электрического заряд и момента импульса. Считается, что ряд свойств чёрных дыр нарушают положения начал термодинамики. Например, если объект с большим уровнем энтропии упадёт на чёрную дыру, его энтропия попросту исчезнет. То есть энтропия объекта уменьшится, что нарушает второе начало.
Также считается, что температура классической чёрной дыры равна нулю. Температура горячего объекта, попавшего на чёрную дыру также должна стать равной нулевой. Это нарушает третье начало.
Все описанные выше случаи не учитывают положения квантовой механики. Если учитывать её положения, то чёрная дыра не только способна испускать свет, но и другие частицы. Этот процесс получил название «излучение Хокинга». А так как эти объекты способны излучать свет и тепло, то они должны иметь температуру, отличную от нулевой. Этот факт говорит нам о том, что начала термодинамики справедливы и для чёрных дыр.
Ясность происходящего с этими самыми загадочными объектами во Вселенной требует объединения общей теории относительности, термодинамики и квантовой механики, что является очень сложным делом. Но основные свойства могут быть выражены в виде довольно простых правил, известных как термодинамика чёрных дыр. Это те же начала термодинамики, выраженные через призму свойств чёрных дыр.
Согласно нулевому началу чёрная дыра, не имеющая момента вращения, обладает равномерной силой тяжести у горизонта событий. Это называется тепловым равновесием чёрной дыры.
Первое начало определяет связь основных параметров чёрной дыры с энтропией и определяет её зависимость от площади поверхности горизонта событий.
Второе начало говорит о невозможности уменьшения энтропии чёрной дыры. Следствием этого положения является то, что общая поверхность горизонта событий при слиянии или объединении двух чёрных дыр должна быть больше площади поверхности горизонта событий каждой отдельной чёрной дыры.
Третье начало гласит, что экстремальные чёрные дыры (имеющие максимальный момент импульса или электрического заряда) будут иметь минимальный уровень энтропии. То есть чрезмерный импульс никогда не сможет привести, например, к разрушению чёрной дыры.
Наиболее весомым преимуществом термодинамики чёрных дыр является возможность понять сложные взаимодействия, которые там происходят. Термодинамические чёрные дыры обладают среди прочих параметров ещё температурой и энтропией. Оказалось, что правила, впервые сформулированные для описания нагрева и охлаждения простых газов, также касаются и самых таинственных объектов во Вселенной.
Однако ещё остаются явления в термодинамике чёрных дыр, остающиеся загадкой для нас.



 
 Изобретение лейденской банки