Bilim insanları, Stephen Hawking'in en etkili fikirlerinden birindeki büyük bir sınırlamayı aşabilecek yeni bir kara delik tanımı önerdi. Araştırma, kara delikler zamanla değişirken bile işe yarayan, güncellenmiş bir kara delik termodinamiği yaklaşımı sunuyor. Bu yeni çerçevenin, kara deliklerin nasıl oluştuğu, birleştiği ve yavaşça buharlaştığına dair önemli içgörüler sağlaması bekleniyor.
Enerji akışına yanıt olarak büyüyen bir kara deliğin illüstrasyonu. Penn State'ten yeni araştırma, kara deliklerin entropisi için Stephen Hawking'in kara delik mekaniği yasalarını oluşan, birleşen ve buharlaşan bu tür denge dışı, dinamik kara deliklere genişleten yeni bir ölçü öneriyor. Kredi: Jonathan Shu ve Daniel Paraizo, Penn State (düzenlenmiştir)Kara delikler, bilinen evrendeki en uç cisimler arasında yer alıyor. Muazzam miktardaki kütleyi inanılmaz derecede küçük bir bölgeye sıkıştırarak, ışığın bile kaçamayacağı kadar yoğun bir yerçekimi oluşturuyorlar. Bilim insanları bu kozmik cisimleri anlamak için Einstein'ın genel görelilik teorisi ve kuantum mekaniğine başvuruyor.
1970'lerin başında Stephen Hawking ve diğer araştırmacılar, termodinamik yasaları ile kara deliklerin davranışı arasında şaşırtıcı bağlantılar keşfetti.
Araştırma ekibinin lideri Penn State'ten Abhay Ashtekar, "Hawking'in kara delik mekaniği yasaları, uç ve sıradan fizik arasında tatmin edici bir bağlantı sağladı ve 50 yıl boyunca paradigma olarak kaldı. Ancak ciddi bir sınırlamaları var" dedi. Ashtekar, bu yasaların denge halindeki (zamanla değişmeyen) kara delikler için formüle edildiğini, oysa kara deliklerin sürekli değiştiğini, oluştuğunu, birleştiğini ve sonunda buharlaştığını belirtti. Ashtekar, "Bu sınırlamayı aşmanın ve yasaları denge dışı durumdaki kara deliklere genişletmenin bir yolunu bulmak istedik" diye ekledi.
Ashtekar ve meslektaşları, bir kara deliğin entropisini belirlemek için yeni bir yöntem önerdi. Physical Review Letters dergisinde yayımlanan ve Editörün Seçimi olarak belirlenen bulgular, entropi ölçüsünü kara deliğin dönüşü ve enerjisiyle daha yakından ilişkilendiriyor.
Hawking'in Çerçevesi Neden Güncellenmeliydi?
Çalışmanın yazarlarından Penn State'te fizik yüksek lisans öğrencisi Daniel E. Paraizo, "Kara delik mekaniğinin yasaları doğrudan Einstein'ın denklemlerinden geliyor. Bir kara deliğin içini göremediğiniz için, onu yapmanın sonsuz sayıda yolu varmış gibi görünüyordu. Bu da entropilerinin sonsuz olması anlamına geliyordu. Ayrıca yalnızca enerji emdikleri ve asla ışınım yapmadıkları düşünülüyordu. Bu nedenle sıcaklıkları sıfırdı" dedi.
İlk başta bu fikirler, kara delikleri termodinamiğin bilinen yasalarıyla bağdaşmaz hale getiriyordu çünkü kara delikler sonsuz entropiye sahipti ve sıcaklıkları yoktu. Hawking daha sonra kuantum mekaniğini kullanarak kara deliklerin parçacık ve enerji yayabildiğini göstererek bu tabloyu değiştirdi.
Paraizo, "Bu, kara deliklerin termodinamik özellikleri hakkındaki düşünceleri, denklemlerle tanımlanan bir tür matematiksel kavram olmaktan çıkarıp daha fiziksel bir gerçeklik haline getirdi. Bu, kara deliklerde termodinamikte kullanılan entropi ve sıcaklığın analojilerini bulmanın kapısını araladı" ifadelerini kullandı.
Hawking, bir kara deliğin olay ufkunun boyutunun entropisiyle orantılı olduğunu öne sürmüştü. Ayrıca, bir kara deliğin sıcaklığının, kütlesi ve dönüşünün bir kombinasyonuna bağlı olduğunu gösterdi.
Dinamik Kara Delikler İçin Daha İyi Bir Ölçü
Araştırmacılara göre sorun, Hawking'in yaklaşımının yalnızca kara delik denge halindeyken işe yaraması. Çalışmanın yazarlarından Penn State'te fizik yüksek lisans öğrencisi Jonathan Shu, "Bu analojiler yalnızca denge halindeki bir kara delik için gerçekten işe yarıyor. Dinamik durumlarda, olay ufukları, uzay-zamanın hiçbir şeyin olmadığı düz bölgelerinde oluşabilir ve büyüyebilir. Bu onları teleolojik kılar; özellikleri yalnızca kara deliğin yerel fiziğiyle belirlenemez, gelecekte olabilecek veya olmayabilecek olayların tahminine dayanır. Bu nedenle, olay ufuklarının alanı, dinamik kara deliklerin fiziksel entropisinin bir ölçüsü olamaz. Büyüyen, buharlaşan ve birleşen kara delikleri anlamak istiyorsak, uygulanabilir bir alternatife ihtiyacımız var" dedi.
Ekibin çözümü, geleneksel olay ufkunun yerine fizikçilerin "dinamik ufuk" (dynamical horizon) dediği bir kavramı koyuyor. Bu kavram, kara deliklerin bilgisayar simülasyonlarında zaten yaygın olarak kullanılıyor. Dinamik ufuk, olay ufkunun aksine, bir kara deliğin özelliklerini belirli bir andaki durumuna göre tanımlıyor ve böylece gelecekteki olaylara bağımlılıktan kaynaklanan karmaşıklıkları ortadan kaldırıyor.
Ashtekar, "Bu, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını denge halinde olmayan kara deliklere genişletmemize olanak tanıyor ve böylece yarım yüzyıldan uzun süredir kullanılan paradigmanın sınırlamalarının üstesinden geliyoruz" dedi. "Bu genelleştirilmiş yasaları, kuantum teorisinde buharlaşan kara delikleri ve LIGO-Virgo-KAGRA işbirliğinin kütleçekim dalgalarını kullanarak tespit ettiği kara delik birleşmelerini daha iyi anlamak için uygulayabiliriz."
Araştırma, Penn State Atherton Profesörlük Programı ve Penn State Eberly Bilim Koleji tarafından desteklendi.
