Hawkingovo sevanje: koncept, karakterizacija in teoretični problemi

Črne luknje in osnovni delci. Sodobna fizika povezuje koncepte teh objektov, od katerih je prva opisana v okviru Einsteinove teorije gravitacije, druga pa v matematičnih konstrukcijah kvantne teorije polja. Znano je, da te lepe in večkrat potrjene eksperimentalne teorije med seboj niso zelo "prijazne". Vendar pa obstaja pojav, ki odraža take različne pojave v njihovi interakciji. To je Hawkingovo sevanje ali kvantno izhlapevanje črnih lukenj. Kaj je to? Kako deluje? Ali je mogoče zaznati? O tem bomo govorili v našem članku.

Črne luknje in njihova obzorja

Predstavljajte si določeno območje prostorsko-časovnega kontinuuma, ki ga zaseda fizično telo, na primer zvezda. Če je za to območje značilno takšno razmerje polmera in mase, pri katerem gravitacijska ukrivljenost kontinuuma ne dopušča ničesar (niti svetlobnega žarka), da bi jo zapustila, se to območje imenuje črna luknja. V nekem smislu je to res luknja, potop v kontinuumu, kot je pogosto upodobljen v ilustracijah, z uporabo dvodimenzionalne predstavitve prostora.

Toda v tem primeru nas ne bo zanimala zevajoča globina tega potopa, ampak na meji črne luknje, ki se imenuje obzorje dogodkov. Kot del obravnave vprašanja Hawkingovega sevanja je pomembna značilnost obzorja, da presečišče te površine trajno in popolnoma ločuje vsak fizični objekt od zunanjega prostora.

O vakuumu in virtualnih delcih

V razumevanju kvantne teorije polja vakuum sploh ni praznina, temveč poseben medij (natančneje stanje snovi), to je polje, katerega kvantni parametri so nič. Energija takega polja je minimalna, vendar ne smemo pozabiti na načelo negotovosti. V skladu z njim vakuum kaže spontano fluktuacijsko aktivnost. Izraža se v energetskih nihanjih, ki ne kršijo zakona ohranjanja.

Višje kot je nihanje vakuumske energije, krajše je njegovo trajanje. Če ima takšno nihanje energijo 2mc2, ki zadostuje za rojstvo parih delcev, se bodo pojavili, vendar bodo takoj izginili, preden bodo lahko leteli. Pri tem ugasnejo nihanje. Takšni navidezni delci se rodijo na račun vakuumske energije in jo vrnejo ob njegovi smrti. Njihov obstoj je bil eksperimentalno potrjen, na primer z registracijo znanega Casimirovega učinka, ki prikazuje plinski tlak virtualnih delcev na makro objektu.

Da bi razumeli Hawkingovo sevanje, je pomembno, da so delci v podobnem procesu (ali elektroni s pozitroni ali fotoni) nujno proizvedeni v parih, njihov skupni moment pa je nič.

Oboroženi z vakuumskimi nihanji v obliki virtualnih parov, se bomo približali meji črne luknje in videli, kaj se tam dogaja.

Na robu brezna

Zaradi prisotnosti obzorja dogodkov je črna luknja sposobna posegati v proces spontanih vakuumskih nihanj. Plimske sile na površini luknje so ogromne, gravitacijsko polje je izredno heterogeno. Izboljšuje dinamiko tega pojava. Pare delcev se morajo roditi veliko bolj aktivno kot v odsotnosti zunanjih sil. Črna luknja porabi svojo gravitacijsko energijo za ta proces.

Nič ne prepoveduje enega od delcev, da se “potopi” pod obzorjem dogodkov, če je njegov impulz usmerjen v skladu s tem in se par rodi skoraj blizu obzorja (luknja porabi energijo, ki razpade par). Potem ne bo nobenega uničenja, in partner živahnega delca bo odletel iz črne luknje. Posledično se energija zmanjša, kar pomeni, da je masa luknje enaka masi ubežnika. Ta »izguba teže« se imenuje izhlapevanje črne luknje.

Ko opisuje sevanje črnih lukenj, Hawking deluje z virtualnimi delci. To je tisto, kar loči njegovo teorijo z vidika Gribova, Zeldovicha in Starobinskega, izraženega leta 1973. Sovjetski fiziki so nato opozorili na možnost kvantnega tuneliranja realnih delcev skozi obzorje dogodkov, zaradi česar mora črna luknja imeti sevanje.

Kaj je Hawkingovo sevanje?

Črne luknje, po teoriji znanstvenika, ne oddajajo ničesar. Vendar fotoni, ki zapuščajo črno luknjo, imajo termični spekter. Za opazovalca mora ta »izid« delcev izgledati kot luknja, kot vsako segreto telo, oddaja sevanje, ki naravno izgublja energijo. Temperaturo, povezano z Hawkingovim sevanjem, lahko izračunamo tudi s formulo T _BH = (h ³ c ³ ) / (16 ^{2 2} ∙ k ∙ G) M), kjer je h Planckova konstanta (ni zmanjšana!), C hitrost svetlobe, k - Boltzmannova konstanta, G - gravitacijska konstanta, M - masa črne luknje. Približno bo ta temperatura enaka 6,169 10 ^-8 K ∙ (M ₀ / M), kjer je M ₀ masa Sonca. Izkazalo se je, da je masivnejša črna luknja, nižja je temperatura, ki ustreza sevanju.

Toda črna luknja ni zvezda. Izguba energije, se ne ohladi. Ravno nasprotno! Z zmanjšanjem mase luknja postane »bolj vroča«. Izguba teže pomeni tudi zmanjšanje polmera. Posledično izhlapevanje prihaja z naraščajočo intenzivnostjo. Iz tega sledi, da morajo majhne luknje izparevati z eksplozijo. Res je, da sam obstoj takšnih mikrohole ostane hipotetičen.

Obstaja alternativni opis Hawkingovega procesa, ki temelji na Unruhovem učinku (tudi hipotetičnem), ki predvideva registracijo toplotnega sevanja s pospešujočim opazovalcem. Če je povezan z inercialnim referenčnim sistemom, ne bo zaznal sevanja. Vakuum okoli pospešenega zrušitvenega objekta za opazovalca bo prav tako napolnjen z sevanjem s toplotnimi lastnostmi.

Informacije o težavah

Težave, ki jih je ustvarila Hawkingova teorija sevanja, so povezane s tako imenovanim »no-hair teoremom« črne luknje. Njegovo bistvo je na kratko naslednje: luknja je popolnoma brezbrižna do značilnosti, ki jih je imel objekt, ki je padel onkraj obzorja dogodkov. Pomembna je le masa, s katero se je luknja povečala. Informacije o parametrih telesa, v katerega je padlo, so shranjene v notranjosti, čeprav opazovalcu ni na voljo. In Hawkingova teorija nam pove, da črne luknje, kot se izkaže, niso večne. Izkazalo se je, da informacije, ki bi bile shranjene v njih, skupaj z luknjami, izginejo. Za fizike to ni dobra situacija, ker vodi do popolnoma nesmiselnih verjetnosti posameznih procesov.

V zadnjem času je prišlo do pozitivnega razvoja pri reševanju tega paradoksa, vključno s sodelovanjem samega Hawkinga. Leta 2015 je bilo ugotovljeno, da je zaradi posebnih lastnosti vakuuma mogoče razkriti neskončno število parametrov za sevanje luknje, tj.

Problem registracije

Težavo pri reševanju takšnih paradoksov otežuje dejstvo, da Hawkingovega sevanja ni mogoče registrirati. Oglejte si zgornjo formulo. Prikazuje, kako so črne luknje hladne - sto milijonske Kelvinove dele za luknje sončne mase in polmer treh kilometrov! Njihov obstoj je zelo dvomljiv.

Obstaja pa upanje za mikroskopske (vroče, reliktne) črne luknje. Toda doslej še nihče ni opazil teh teoretično napovedanih prič o najzgodnejših obdobjih vesolja.

Končno morate narediti malo optimizma. Leta 2016 se je pojavilo sporočilo o odkritju analognega Hawkingovega kvantnega sevanja na akustičnem modelu obzorja dogodkov. Analogija temelji tudi na učinku Unruh. Čeprav ima na primer omejen obseg uporabnosti, ne omogoča proučevanja izginotja informacij, vendar je upanje, da bodo takšne študije pomagale pri ustvarjanju nove teorije črnih lukenj, ki upošteva kvantne pojave.