Para ilmuwan telah mengusulkan cara baru untuk mendeskripsikan lubang hitam, yang dapat mengatasi keterbatasan besar dari salah satu gagasan paling berpengaruh Stephen Hawking. Penelitian ini memperkenalkan pendekatan terbaru terhadap termodinamika lubang hitam yang berfungsi bahkan ketika lubang hitam berevolusi seiring berjalannya waktu, dan berpotensi menawarkan wawasan baru tentang bagaimana lubang hitam terbentuk, bergabung, dan menguap secara perlahan.
Lubang hitam adalah salah satu objek paling ekstrem di alam semesta yang diketahui. Mereka mengkonsentrasikan sejumlah besar massa ke wilayah yang sangat kecil, menciptakan gravitasi yang begitu kuat sehingga bahkan cahaya pun tidak bisa lepas. Untuk memahami objek kosmik ini, fisikawan mengandalkan teori relativitas umum dan mekanika kuantum Einstein.
Pada awal tahun 1970-an, Stephen Hawking dan peneliti lain menemukan hubungan mengejutkan antara hukum termodinamika, yang menggambarkan proses yang lazim seperti memanaskan air di kompor, dan perilaku lubang hitam.
“Hukum mekanika lubang hitam Hawking memberikan hubungan yang memuaskan antara fisika ekstrim dan fisika biasa dan telah menjadi paradigma selama 50 tahun, namun hukum tersebut memiliki keterbatasan yang serius,” kata Abhay Ashtekar, seorang profesor di Universitas Atherton dan Profesor Fisika Evan Pugh di Eberly College of Science Penn State dan pemimpin tim peneliti. “Mereka diformulasikan untuk lubang hitam yang berada dalam keseimbangan, atau tidak berubah seiring berjalannya waktu, namun lubang hitam terus berubah, terbentuk, bergabung, dan akhirnya menguap. Kami ingin menemukan cara untuk mengatasi keterbatasan ini dan memperluas hukum tersebut pada lubang hitam yang berada di luar keseimbangan.”
Ashtekar dan rekan-rekannya mengusulkan metode baru untuk menentukan entropi lubang hitam, suatu besaran yang mengukur ketidakteraturan dan, menurut hukum kedua termodinamika, tidak akan pernah berkurang. Temuan mereka, dipublikasikan di Surat Pemeriksaan Fisik dan dipilih sebagai saran editor, perkenalkan ukuran entropi yang lebih erat kaitannya dengan rotasi dan energi lubang hitam. Para peneliti mengatakan hal ini dapat meningkatkan pemahaman para ilmuwan tentang peristiwa dinamis seperti penggabungan dan penguapan lubang hitam.
Mengapa kerangka kerja Hawking memerlukan pembaruan
“Hukum mekanika lubang hitam berasal langsung dari persamaan Einstein,” kata Daniel E. Paraizo, mahasiswa pascasarjana fisika di Penn State dan penulis makalah tersebut. “Karena Anda tidak dapat melihat ke dalam lubang hitam, sepertinya ada banyak sekali cara untuk membuat lubang hitam, sehingga entropinya tidak terbatas. Diperkirakan juga bahwa lubang hitam hanya menyerap energi dan tidak pernah memancarkan radiasi, sehingga suhunya nol.”
Pada awalnya, gagasan ini membuat lubang hitam tampak tidak sesuai dengan hukum termodinamika yang umum, karena lubang hitam tampaknya memiliki entropi tak terbatas dan tidak memiliki suhu. Hawking kemudian mengubah gambaran ini dengan menggunakan mekanika kuantum untuk menunjukkan bahwa lubang hitam dapat memancarkan partikel dan energi.
“Ini mengubah pemikiran tentang sifat termodinamika lubang hitam dari semacam konsep matematika yang dijelaskan melalui persamaan menjadi realitas fisik,” kata Paraizo. “Ini membuka pintu untuk mencari analogi lubang hitam dalam entropi dan suhu yang digunakan dalam termodinamika.”
Hawking mengusulkan bahwa ukuran cakrawala peristiwa lubang hitam, batas di mana bahkan cahaya tidak dapat lolos, sebanding dengan entropinya. Ia juga menunjukkan bahwa suhu lubang hitam bergantung pada kombinasi massa dan rotasinya.
Pengukuran lubang hitam dinamis yang lebih baik
Masalahnya, kata para peneliti, pendekatan Hawking hanya berhasil ketika lubang hitam berada dalam keseimbangan.
“Namun, ada masalah,” kata Jonathan Shu, mahasiswa pascasarjana fisika di Penn State dan penulis makalah tersebut. “Analogi-analogi ini benar-benar hanya berlaku untuk lubang hitam yang berada dalam kesetimbangan. Dalam situasi dinamis, cakrawala peristiwa dapat terbentuk dan tumbuh di apa yang kita sebut wilayah datar ruang-waktu, di mana tidak terjadi apa-apa. Hal ini menjadikannya bersifat teleologis – sifat-sifatnya tidak dapat ditentukan hanya oleh fisika lubang hitam lokal, melainkan bergantung pada prediksi peristiwa yang mungkin terjadi atau tidak terjadi di masa depan. Oleh karena itu, wilayah cakrawala peristiwa tidak dapat menjadi ukuran entropi fisik lubang hitam dinamis. Jika kita ingin memahami lubang hitam yang bertumbuh, menguap, dan menyatu, kita memerlukan sebuah alternatif yang layak.
Solusi tim ini menggantikan cakrawala peristiwa tradisional dengan apa yang oleh fisikawan disebut sebagai “cakrawala dinamis,” sebuah konsep yang sudah banyak digunakan dalam simulasi komputer terhadap lubang hitam. Berbeda dengan cakrawala peristiwa, cakrawala dinamis ditentukan oleh sifat-sifat lubang hitam pada waktu tertentu, sehingga menghindari komplikasi yang disebabkan oleh ketergantungan pada peristiwa di masa depan.
“Hal ini memungkinkan kita untuk memperluas hukum pertama dan kedua termodinamika pada lubang hitam yang tidak berada dalam keseimbangan, sehingga mengatasi keterbatasan paradigma yang telah digunakan selama lebih dari setengah abad,” kata Ashtekar. “Kita dapat menerapkan hukum umum ini untuk lebih memahami penguapan lubang hitam dalam teori kuantum dan penggabungan lubang hitam, seperti yang terdeteksi oleh kolaborasi LIGO-Virgo-KAGRA menggunakan gelombang gravitasi.”
Penelitian ini didukung oleh Penn State Atherton Chair Program dan Penn State Eberly College of Science.
