Regular black holes do not violate the first law of thermodynamics

हमारे ब्रह्मांड के हृदय में गहराई में, गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र हो सकता है कि वह पदार्थ को अनंत घनत्व वाले एक बिंदु में कुचल देता है, एक ऐसी जगह जहाँ भौतिकी के ज्ञात नियम टूटते हुए प्रतीत होते हैं। ये ब्लैक होल (कृष्ण विवर) हैं, और दशकों से वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि उनके बिल्कुल केंद्र में क्या होता है। सैद्धांतिक भौतिकी का एक लोकप्रिय विचार सुझाव देता है कि यदि हम आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत को विद्युत चुंबकत्व के एक अधिक जटिल संस्करण के साथ जोड़ दें—जो बिजली और चुंबकत्व के पीछे का बल है—तो हमें "नियमित" ब्लैक होल मिल सकते हैं। ये वे वस्तुएं हैं जो बाहर से ब्लैक होल जैसी दिखती हैं लेकिन उनका केंद्र एक कुचले हुए विलक्षणता (सिंगुलैरिटी) के बजाय एक चिकना, परिमित केंद्र रखती हैं। इन वस्तुओं को समझने के लिए, भौतिक विज्ञानी अक्सर उन्हें गर्म, चमकते पिंडों की तरह मानते हैं जो उन्हीं ताप और ऊर्जा के नियमों का पालन करते हैं जो भाप के इंजनों या सितारों को नियंत्रित करते हैं। यह ऊष्मागतिकी (थर्मोडायनामिक्स) का पहला नियम है, जो एक मौलिक नियम है कि ऊर्जा को बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता, केवल रूप बदला जा सकता है। हालाँकि, नियमित ब्लैक होल के लिए, गणित में एक भ्रमित करने वाला बेमेल दिखाई दिया है, जिससे कुछ शोधकर्ताओं का मानना है कि इस प्रकृति के मौलिक नियम को फिर से लिखने की आवश्यकता हो सकती है या इन वस्तुओं के पास एक अजीब, छिपी हुई ऊर्जा का रूप हो सकता है।

भौतिकविदों की एक टीम अब इस पहेली को सुलझाने के लिए सामने आई है, जिसने यह दिखाया है कि नियमित ब्लैक होल के लिए ऊष्मागतिकी का पहला नियम पूरी तरह से बरकरार है और किसी भी नए, विलक्षण ऊर्जा पदों की आवश्यकता नहीं है। भ्रम इसलिए उत्पन्न हुआ क्योंकि वैज्ञानिक समस्या को गलत कोण से देख रहे थे। जब उन्होंने यह गणना की कि एक नियमित ब्लैक होल का द्रव्यमान कैसे बदलता है जब वह बढ़ता या घटता है, तो वे अनजाने में उन नियमों को बदल रहे थे जिनमें वह ब्लैक होल रहता है। यह वैसा ही है जैसे कोई कमरे में हवा के दबाव को बदलते हुए एक गुब्बारे का वजन मापने की कोशिश करे; परिणाम भौतिकी के मानक नियमों में फिट न होने वाला एक अंक होगा, इसलिए नहीं कि नियम गलत हैं, बल्कि इसलिए क्योंकि प्रयोग की स्थितियाँ बदल रही थीं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यदि आप ब्रह्मांड के अंतर्निय नियमों को स्थिर रखते हैं—विशेष रूप से उन स्थिरांकों को जो यह परिभाषित करते हैं कि गुरुत्वाकर्षण और विद्युत चुंबकत्व कैसे परस्पर क्रिया करते हैं—तो मानक ऊष्मागतिक नियम बिना किसी संशोधन के सत्य रहते हैं। ब्लैक होल का तापमान ऊष्मा प्रवाह से मेल खाता है, और ऊर्जा का संतुलन बिल्कुल अपेक्षित रूप से काम करता है।

इस खोज की कुंजी एक विशिष्ट, विशेष ब्लैक होल और संभावित ब्लैक होल के पूरे परिवार के बीच के अंतर को समझने में निहित है। अतीत में, शोधकर्ता अक्सर एक विशिष्ट, चिकने ब्लैक होल समाधान को लेते थे और पूछते थे कि यदि वे इसके विवरण में एक एकल संख्या, जैसे कि इसके आकार या आवेश को थोड़ा बदल दें, तो इसका द्रव्यमान कैसे बदलेगा। हालाँकि, एक नियमित ब्लैक होल मॉडल में ऐसा करने से वास्तव में उस सिद्धांत के मौलिक स्थिरांक ही बदल जाते हैं जो इसे परिभाषित करता है। यह एक विशिष्ट प्रकार के पेड़ का अध्ययन करने के लिए मिट्टी की संरचना बदलने जैसा है, हर बार जब आप उसकी ऊंचाई मापते हैं; आप अब उस पेड़ का अध्ययन नहीं कर रहे हैं, बल्कि एक अलग पारिस्थितिकी तंत्र का अध्ययन कर रहे हैं। लेखकों ने दिखाया कि जब आप ऊर्जा परिवर्तनों की गणना करते समय "मिट्टी" को—अर्थात सिद्धांत के मौलिक स्थिरांकों को—बिल्कुल समान रखते हैं, तो गणित पूरी तरह से काम करता है। वह स्पष्ट बेमेल, जिसने कुछ लोगों को ऊर्जा समीकरण को ठीक करने के लिए एक नए, संशोधित ऊर्जा पद का प्रस्ताव देने के लिए प्रेरित किया था, वास्तव में एक ही गणना में विभिन्न सिद्धांतों को मिलाने के कारण उत्पन्न हुआ एक आभास मात्र था।

इसके अलावा, टीम ने सिद्ध किया कि वह अजीब सुधार कारक (करेक्शन फैक्टर) जिसे कुछ वैज्ञानिकों ने ऊर्जा समीकरण को ठीक करने के लिए उपयोग करने का प्रयास किया था, ऊर्जा का वास्तविक माप नहीं है। ऊष्मागतिकी में, किसी मात्रा के लिए यह दर्शाने के लिए कि वह संचित ऊर्जा है, उसे एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से व्यवहार करना चाहिए: यदि आप एक घेरे में घूमकर अपने शुरुआती बिंदु पर वापस आते हैं, तो ऊर्जा में कुल परिवर्तन शून्य होना चाहिए। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह सुधार कारक इस परीक्षण में विफल रहता है। यह एक स्थानीय ऊर्जा फलन का अवकल (डिफरेंशियल) नहीं हो सकता, जिसका अर्थ है कि यह ब्लैक होल के भीतर संग्रहीत वास्तविक, भौतिक ऊर्जा का प्रतिनिधित्व नहीं करता है। इसके बजाय, यह कारक केवल एक गणितीय अनुपात है जो यह बताता है कि ब्लैक होल के कुल द्रव्यमान का वास्तव में कितना हिस्सा उसके घटना क्षितिज (इवेंट होराइजन) के भीतर स्थित है बनाम कुल प्रणाली का द्रव्यमान। यह एक ज्यामितीय संबंध है, न कि ऊर्जा का कोई नया रूप।

अध्ययन ने एक सूक्ष्म मुद्दे को भी उजागर किया जो उच्च आयामों में उभरता है, विशेष रूप से पांच या अधिक स्थानिक आयामों वाले ब्रह्मांडों में। इन मामलों में, कुछ प्रकार के 'नियर-एक्सट्रीम' ब्लैक होल के लिए, ब्लैक होल के घटना क्षितिज के ठीक बाहर विद्युत चुंबकीय क्षेत्र के वर्णन में एक गणितीय विलक्षणता (सिंगुलैरिटी) दिखाई दे सकती है। हालांकि यह पेपर में व्युत्पन्न ऊष्मागतिक नियमों को अमान्य नहीं करता है, यह सुझाव देता है कि इन उच्च-आयामी ब्लैक होल के भीतर पदार्थ का भौतिक वर्णन उन विशिष्ट क्षेत्रों में अपूर्ण या अस्थिर हो सकता है। यह खोज रेखांकित करती है कि जबकि ऊर्जा संतुलन सही है, पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, इसका पूर्ण चित्र अभी भी रहस्यों से भरा है, विशेष रूप से जब हम हमारे रोजमर्रा के अनुभव के चार आयामों से परे जाते हैं।

अंततः, यह कार्य इन विलक्षणता-मुक्त, विदेशी ब्लैक होल पर लागू होने वाले भौतिकी के मानक नियमों में विश्वास बहाल करता है। शोधकर्ताओं ने स्पष्ट किया है कि ऊष्मागतिकी के पहले नियम को संशोधित करने की आवश्यकता नहीं है, न ही एंट्रॉपी की अवधारणा को बदलने की आवश्यकता है। उल्लंघन के आभास उन भ्रमों से उत्पन्न हुए थे जो सेब की तुलना संतरे से करके (अलग-अलग चीजों की तुलना करके) पैदा हुए थे—एक ही गणना में विभिन्न भौतिक सिद्धांतों को मिला देना। ब्लैक होल के गुणों को उसे वर्णित करने वाले सिद्धांत के गुणों से सावधानीपूर्वक अलग करके, लेखकों ने दिखाया है कि ब्रह्मांड सुसंगत बना हुआ है। नियमित ब्लैक होल, यदि वे अस्तित्व में हैं, ऊर्जा और ऊष्मा के उन्हीं मौलिक नियमों का पालन करते हैं जो शेष ब्रह्मांड का पालन करते हैं, जो परिचित हॉकिंग तापमान और उनके क्षितिज के क्षेत्रफल द्वारा शासित होते हैं। यह स्पष्टता भौतिकविदों को अनावश्यक सुधारों के भटकाव के बिना इन वस्तुओं की प्रकृति की खोज जारी रखने की अनुमति देती है, जिससे वे वास्तविकता के किनारे पर गुरुत्वाकर्षण और पदार्थ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, जैसे गहरे प्रश्नों पर ध्यान केंद्रित कर सकें।