Regular black holes do not violate the first law of thermodynamics

Diep in het hart van ons universum kan de zwaartekracht zo intens worden dat zij materie samenperst tot een punt van oneindige dichtheid, een plek waar de bekende natuurwetten lijken te breken. Dit zijn zwarte gaten, en decennialang hebben wetenschappers geprobeerd te begrijpen wat er in hun absolute centrum gebeurt. Een populaire idee in de theoretische fysica suggereert dat als we Einsteins relativiteitstheorie van de zwaartekracht combineren met een complexere versie van elektromagnetisme — de kracht achter elektriciteit en magnetisme — we "reguliere" zwarte gaten zouden kunnen vinden. Dit zijn objecten die er van buitenaf uitzien als zwarte gaten, maar een glad, eindig centrum hebben in plaats van een verpletterende singulariteit. Om deze objecten te begrijpen, behandelen natuurkundigen ze vaak als hete, gloeiende lichamen die dezelfde regels van warmte en energie volgen als die de stoommachines of sterren beheersen. Dit is de eerste wet van de thermodynamica, een fundamentele regel die stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, alleen van vorm kan veranderen. Voor reguliere zwarte gaten is er echter een verwarrende discrepantie opgedoken in de wiskunde, wat sommige onderzoekers deed geloven dat deze fundamentele natuurwet herschreven moet worden of dat deze objecten een vreemde, verborgen vorm van energie bezitten.

Een team van natuurkundigen is nu ingestapt om dit raadsel op te lossen, door aan te tonen dat de eerste wet van de thermodynamica perfect intact blijft voor deze reguliere zwarte gaten en dat er geen nieuwe, exotische energietermen vereist zijn. De verwarring ontstond omdat wetenschappers het probleem vanuit de verkeerde hoek bekeken. Wanneer zij berekenden hoe de massa van een regulier zwart gat verandert terwijl het groeit of krimpt, veranderden zij onbedoeld de regels van het universum waarin het zwarte gat leeft. Het is alsof men probeert het gewicht van een ballon te meten terwijl men tegelijkertijd de luchtdruk in de kamer verandert; het resultaat zou een getal zijn dat niet voldoet aan de standaardregels van de fysica, niet omdat de regels fout zijn, maar omdat de omstandigheden van het experiment verschuiven. De onderzoekers hebben aangetoond dat als men de onderliggende regels van het universum constant houdt — specifiek de constanten die bepalen hoe zwaartekracht en elektromagnetisme met elkaar interageren — de standaard thermodynamische wetten zonder enige wijziging standhouden. De temperatuur van het zwarte gat komt overeen met de warmtestroom, en de energiebalans werkt precies zoals verwacht.

De sleutel tot deze ontdekking ligt in het begrijpen van het verschil tussen een enkel, specifiek zwart gat en de gehele familie van mogbare zwarte gaten. In het verleden namen onderzoekers vaak een specifieke, gladde zwarte gat-oplossing en vroegen zich af hoe de massa ervan zou veranderen als zij één getal in de beschrijving aanpasten, zoals de grootte of lading. Het doen van dit in een model van een regulier zwart gat verandert echter de fundamentele constanten van de theorie zelf. Het is alsover een specifieke boom bestuderen door de samenstelling van de bodem aan te passen telkens wanneer men de hoogte ervan meet; u bestudeert niet langer de boom, maar een heel ander ecosysteem. De auteurs toonden aan dat wanneer men de energieveranderingen berekent terwijl men de "bodem" — de fundamentele constanten van de theorie — exact hetzelfde houdt, de wiskunde perfect uitkomt. De schijnbare discrepantie, die sommigen had doen voorstellen om een nieuwe, gecorrigeerde vorm van interne energie, was simpelweg een artefact van het bewegen door verschillende theorieën in plaats van binnen één theorie te blijven.

Verder bewezen de onderzoekers dat de vreemde correctiefactor die sommige wetenschappers hadden geprobeerd te gebruiken om de energievergelijking te herstellen, geen ware maatstaf voor energie is. In de thermodynamica moet een hoeveelheid, om een opgeslagen energie te vertegenwoordigen, op een zeer specifieke manier handelen: als men een cirkel beschrijft en terugkeert naar het startpunt, moet de totale verandering in energie nul zijn. De onderzoekers toonden aan dat deze correctiefactor voor deze test faalt. Het kan niet de differentiaal van een lokale energiefunctie zijn, wat betekent dat het geen echte, fysieke energie vertegenwoordigt die in het zwarte gat is opgeslagen. In plaats daarvan is deze factor simpelweg een wiskundige ratio die beschrijft hoeveel van de totale massa van het zwarte gat daadwerkelijk binnen de gebeurtenishorizon van het zwarte gat is gelegen vergeleken met de totale massa van het systeem. Het is een geometrische relatie, geen nieuwe vorm van energie.

De studie onthulde ook een subtiel probleem dat optreedt in hogere dimensies, specifiek in universums met vijf of meer ruimtelijke dimensies. In deze gevallen kan een wiskundige singulariteit in de beschrijving van het elektromagnetische veld verschijnen net buiten de gebeurtenishorizon van het zwarte gat voor bepaalde typen bijna-extreme zwarte gaten. Hoewel dit de uit de paper afgeleide thermodynamische wetten niet ongeldig maakt, suggereert het dat de fysieke beschrijving van de materie binnen deze hogere-dimensionale zwarte gaten incompleet of instabiel zou kunnen zijn in die specifieke regio's. Deze bevinding benadrukt dat hoewel de energiebalans solide is, het volledige beeld van hoe materie zich gedraagt in deze extreme omgevingen nog steeds mysteries bevat, vooral wanneer we verder gaan dan de vier dimensies van onze alledaagse ervaring.

Uiteindelijk herstelt dit werk het vertrouwen in de standaardwetten van de fysica wanneer deze worden toegepast op deze exotische, singulariteitsvrije zwarte gaten. De onderzoekers hebben verduidelijkt dat de eerste wet van de thermodynamica niet aangepast hoeft te worden, noch de conceptie van entropie veranderd hoeft te worden. De schijnbare schendingen waren illusies gecreëerd door appels met peren te vergelijken — het mengen van verschillende fysieke theorieën in een enkele berekening. Door de eigenschappen van het zwarte gat zorgvuldig te scheiden van de eigenschappen van de theorie die het beschrijft, hebben de auteurs aangetoond dat het universum consistent blijft. Reguliere zwarige gaten, indien zij bestaan, gehoorzamen aan dezelfde fundamentele regels van energie en warmte als de rest van het kosmos, gestuurd door de vertrouwde Hawking-temperatuur en het oppervlak van hun horizonten. Deze helderheid stelt natuurkundigen in staat om de aard van deze objecten verder te verkennen zonder de afleiding van onnodige correcties, waarbij zij zich kunnen concentreren op de diepere vragen over hoe zwaartekracht en materie interageren aan de rand van de werkelijkheid.