Hawkingovo zračenje: koncept, karakterizacija i teorijski problemi

Crne rupe i elementarne čestice. Moderna fizika povezuje pojmove tih objekata, od kojih su prvi opisani u okviru Einsteinove teorije gravitacije, a drugi u matematičkim konstrukcijama kvantne teorije polja. Poznato je da te dvije lijepe i opetovano potvrđene eksperimentalne teorije nisu vrlo "prijateljske" među sobom. Međutim, postoji fenomen koji odražava takve različite pojave u njihovoj interakciji. To je Hawkingovo zračenje ili kvantno isparavanje crnih rupa. Što je to? Kako to funkcionira? Može li se otkriti? O tome ćemo govoriti u našem članku.

Crne rupe i njihovi horizonti

Zamislite određeno područje prostorno-vremenskog kontinuuma koje zauzima fizičko tijelo, primjerice zvijezda. Ako je ovo područje karakterizirano takvim omjerom radijusa i mase, pri čemu gravitacijska zakrivljenost kontinuuma ne dopušta ništa (čak i svjetlosnom snopu) da je napusti, to se područje naziva crna rupa. U određenom smislu, ovo je zapravo rupa, zamka u kontinuumu, kao što je često prikazana u ilustracijama, koristeći dvodimenzionalni prikaz prostora.

Međutim, u ovom slučaju nećemo biti zainteresirani za razjapljenu dubinu tog dipa, već za granicu crne rupe, nazvane horizontom događaja. Kao dio razmatranja pitanja Hawkingovog zračenja, važno obilježje horizonta je da sjecište ove površine trajno i potpuno razdvaja svaki fizički objekt od vanjskog prostora.

O vakuumu i virtualnim česticama

U razumijevanju kvantne teorije polja, vakuum uopće nije praznina, već poseban medij (točnije stanje materije), to jest polje, čije su kvantni parametri nula. Energija takvog polja je minimalna, ali ne smije se zaboraviti načelo nesigurnosti. U skladu s tim, vakuum pokazuje spontanu fluktuacijsku aktivnost. Izražava se u energetskim fluktuacijama, što ne krši zakon očuvanja.

Što je veći vrhunac fluktuacije energije vakuuma, to je njegovo trajanje kraće. Ako takva oscilacija ima energiju od 2mc2, dovoljnu za rađanje para čestica, one će se pojaviti, ali odmah uništiti, prije nego što mogu letjeti. Na taj način oni ugase fluktuaciju. Takve se virtualne čestice rađaju na račun energije vakuuma i vraćaju joj tu energiju u trenutku smrti. Njihovo postojanje potvrđeno je eksperimentalno, primjerice registriranjem poznatog Casimirovog učinka, koji pokazuje tlak plina virtualnih čestica na makro-objektu.

Da bi se razumjelo Hawkingovo zračenje, važno je da se čestice u sličnom procesu (bilo elektrona s pozitronima ili fotonima) nužno proizvode u parovima, a njihov ukupni moment je nula.

Naoružani fluktuacijama vakuuma u obliku virtualnih parova, približit ćemo se granici crne rupe i vidjeti što se tamo događa.

Na rubu ponora

Zbog prisutnosti horizonta događaja, crna rupa može intervenirati u procesu spontanih oscilacija vakuuma. Sile plime i oseke na površini rupe su ogromne, gravitacijsko polje je izrazito heterogeno. Poboljšava dinamiku ove pojave. Parovi čestica moraju se roditi mnogo aktivnije nego u odsutnosti vanjskih sila. Crna rupa troši svoju gravitacijsku energiju na taj proces.

Ništa ne zabranjuje da jedna od čestica "zaroni" ispod horizonta događaja, ako je njezin impuls usmjeren prema tome i par se rađa gotovo blizu horizonta (rupa troši energiju razbijanjem para). Tada neće biti nikakvog uništenja, a partner žustre čestice odletjet će iz crne rupe. Kao rezultat, energija se smanjuje, što znači da je masa rupe jednaka masi bjegunca. Ovaj "gubitak težine" naziva se isparavanje crne rupe.

Kada opisuje zračenje crnih rupa, Hawking djeluje s virtualnim česticama. To je ono što razlikuje njegovu teoriju sa stajališta Gribova, Zeldovicha i Starobinskoga, izraženog 1973. Sovjetski fizičari su zatim ukazali na mogućnost kvantnog tuneliranja pravih čestica kroz horizont događaja, zbog čega crna rupa mora imati zračenje.

Što je Hawkingovo zračenje?

Crne rupe, prema teoriji znanstvenika, ne emitiraju ništa. Međutim, fotoni koji napuštaju crnu rupu imaju termički spektar. Za promatrača, ovaj "ishod" čestica trebao bi izgledati kao rupa, kao i svako grijano tijelo, emitira zračenje, prirodno gubi energiju. Čak možete izračunati temperaturu povezanu s Hawkingovim zračenjem pomoću formule T _BH = (h ³ c ³ ) / (16 ^{2 2} ∙ k ∙ G) M), gdje je h Planckova konstanta (nije reducirana!), C je brzina svjetlosti, k - Boltzmannova konstanta, G - gravitacijska konstanta, M - masa crne rupe. Približno će ta temperatura biti jednaka 6,169 10 ^-8 K M (M ₀ / M), gdje je M ₀ masa Sunca. Ispostavlja se da što je crna rupa masivnija, to je niža temperatura koja odgovara zračenju.

Ali crna rupa nije zvijezda. Gubitak energije, ne hladi se. Naprotiv! Sa smanjenjem mase rupa postaje "toplija". Gubitak težine također znači i smanjenje radijusa. Kao rezultat, isparavanje dolazi s povećanim intenzitetom. Iz toga slijedi da male rupe moraju završiti isparavanje eksplozijom. Istina, sama egzistencija takvih mikroproba ostaje hipotetska.

Postoji alternativni opis Hawkingovog procesa koji se temelji na Unruh učinku (također hipotetičkom), koji predviđa registraciju toplinskog zračenja ubrzavajućeg promatrača. Ako je spojen s inercijalnim referentnim sustavom, neće detektirati nikakvo zračenje. Vakuum oko ubrzanog kolapsirajućeg objekta za promatrača također će biti ispunjen zračenjem s toplinskim karakteristikama.

Informacije o problemu

Problemi koje je stvorila Hawkingova teorija zračenja povezani su s takozvanim teoremom o ne-kosi crne rupe. Njegova je suština ukratko sljedeća: rupa je potpuno ravnodušna prema karakteristikama koje je objekt imao, a koji je pao izvan horizonta događaja. Samo je masa kojom se rupa povećala važna. Informacije o parametrima tijela koje je palo u njega pohranjeno je unutra, iako nije dostupno promatraču. A Hawkingova teorija nam govori da crne rupe, ispada, nisu vječne. Ispada da informacije koje bi bile pohranjene u njima, zajedno s rupama, nestaju. Za fizičare to nije dobra situacija, jer dovodi do potpuno besmislenih vjerojatnosti pojedinih procesa.

Nedavno je došlo do pozitivnih pomaka u rješavanju ovog paradoksa, uključujući i sudjelovanje samog Hawkinga. U 2015. godini navedeno je da je zbog posebnih svojstava vakuuma moguće otkriti beskonačan broj parametara za zračenje rupe, tj. Iz njega izvući podatke.

Problem s registracijom

Teškoća u rješavanju takvih paradoksa pogoršana je činjenicom da Hawkingovo zračenje nije moguće registrirati. Još jednom pogledajte gornju formulu. Pokazuje koliko su crne rupe hladne - sto milijunti dijelovi Kelvina za rupe sunčeve mase i polumjer od tri kilometra! Njihovo postojanje je vrlo sumnjivo.

Međutim, postoji nada za mikroskopske (vruće, reliktne) crne rupe. No, do sada nitko nije promatrao teoretski predviđene svjedoke najranijih razdoblja svemira.

Konačno, morate napraviti malo optimizma. U 2016. godini pojavila se poruka o otkriću analogije Hawkingovog kvantnog zračenja na akustičkom modelu horizonta događaja. Analogija se također temelji na Unruh učinku. Iako ima ograničen opseg primjenjivosti, na primjer, ne dopušta proučavanje nestanka informacija, međutim, nada se da će takve studije pomoći u stvaranju nove teorije crnih rupa koja uzima u obzir kvantne pojave.