إشعاع هوكينج: لا مزيد من الألغاز إشعاع هوكينج: مفهوم وخصائص ومشكلات نظرية جسيمات هوكينج

إشعاع هوكينج هو عملية انبعاث جسيمات أولية مختلفة، والتي وصفها نظريًا العالم البريطاني ستيفن هوكينج في عام 1974.

قبل فترة طويلة من نشر أعمال ستيفن هوكينج، أعرب الفيزيائي النظري السوفييتي فلاديمير غريبوف عن إمكانية إشعاع الجسيمات من الثقوب السوداء في مناقشة مع عالم آخر، ياكوف زيلدوفيتش.

أثناء دراسة سلوك الجسيمات الأولية بالقرب من الثقب الأسود، زار ستيفن هوكينج البالغ من العمر ثلاثين عامًا موسكو في عام 1973. وفي العاصمة، تمكن من المشاركة في مناقشة علمية مع اثنين من العلماء السوفييت البارزين، أليكسي ستاروبينسكي وياكوف زيلدوفيتش. بعد العمل على فكرة جريبوف لبعض الوقت، توصلوا إلى استنتاج مفاده أن الثقوب السوداء يمكن أن تشع بسبب تأثير الأنفاق. ويعني الأخير أن هناك احتمال أن يتمكن الجسيم من التغلب على أي حاجز، من وجهة نظر فيزياء الكم. وبعد أن أصبح مهتمًا بهذا الموضوع، قام هوكينج بدراسة القضية بالتفصيل وفي عام 1974 نشر عمله الذي أطلق لاحقًا على الإشعاع المذكور اسمه.

وصف ستيفن هوكينج عملية انبعاث الجسيمات من الثقب الأسود بطريقة مختلفة إلى حد ما. السبب الجذري لمثل هذا الإشعاع هو ما يسمى "الجسيمات الافتراضية".

في عملية وصف التفاعلات بين الجسيمات، توصل العلماء إلى فكرة أن التفاعلات بينها تحدث من خلال تبادل كميات معينة ("أجزاء" من بعض الكمية الفيزيائية). على سبيل المثال، يحدث التفاعل الكهرومغناطيسي في الذرة بين الإلكترون والبروتون من خلال تبادل الفوتونات (حاملات التفاعل الكهرومغناطيسي).

ومع ذلك، تنشأ المشكلة التالية. إذا اعتبرنا هذا الإلكترون جسيمًا حرًا، فلا يمكنه بأي حال من الأحوال أن ينبعث أو يمتص الفوتون، وفقًا لمبدأ الحفاظ على الطاقة. أي أنه لا يستطيع ببساطة أن يخسر أو يكتسب أي قدر من الطاقة. ثم أنشأ العلماء ما يسمى "الجسيمات الافتراضية". ويختلف الأخير عن الأشخاص الحقيقيين من حيث أنهم يولدون ويختفون بسرعة كبيرة بحيث يتعذر تسجيلهم. كل ما تستطيع الجسيمات الافتراضية القيام به خلال فترة قصيرة من حياتها هو نقل الزخم إلى جسيمات أخرى، دون نقل الطاقة.

وهكذا، فحتى الفضاء الفارغ، بسبب بعض التقلبات الفيزيائية (الانحرافات العشوائية عن القاعدة)، يعج ببساطة بهذه الجسيمات الافتراضية التي تولد وتدمر باستمرار.

إشعاع هوكينج

على عكس الفيزيائيين السوفييت، يعتمد وصف ستيفن هوكينج للإشعاع على جسيمات افتراضية مجردة تشكل جزءًا لا يتجزأ من نظرية المجال الكمي. وينظر عالم فيزياء نظرية بريطاني إلى الظهور التلقائي لهذه الجسيمات الافتراضية من الثقب الأسود. في هذه الحالة، فإن مجال الجاذبية القوي للثقب الأسود قادر على "تفكيك" الجسيمات الافتراضية حتى قبل تدميرها، وبالتالي تحويلها إلى جسيمات حقيقية. وقد لوحظت عمليات مماثلة تجريبيًا في السنكروفاسوترونات، حيث تمكن العلماء من فصل هذه الجسيمات عن بعضها البعض، مع استهلاك كمية معينة من الطاقة.

من وجهة نظر الفيزياء، فإن ظهور جسيمات حقيقية ذات كتلة ودوران وطاقة وخصائص أخرى في الفضاء الفارغ "من لا شيء" يتعارض مع قانون الحفاظ على الطاقة، وبالتالي فهو ببساطة مستحيل. لذلك، «لتحويل» الجسيمات الافتراضية إلى جسيمات حقيقية، ستكون هناك حاجة إلى طاقة لا تقل عن الكتلة الإجمالية لهذين الجسيمين، وفقًا للقانون المعروف. ينفق الثقب الأسود أيضًا هذه الكمية من الطاقة لسحب الجسيمات الافتراضية بعيدًا في أفق الحدث.

ونتيجة لعملية السحب، فإن أحد الجسيمات الموجودة بالقرب من أفق الحدث أو حتى تحته، "يتحول" إلى جسيم حقيقي ويتجه نحو الثقب الأسود. والآخر، في الاتجاه المعاكس، ينطلق في رحلة حرة عبر الفضاء الخارجي. بعد إجراء حسابات رياضية، يمكن للمرء أن يكون مقتنعا بأنه حتى على الرغم من الطاقة (الكتلة) الواردة من جسيم يسقط على سطح الثقب الأسود، فإن الطاقة التي ينفقها الثقب الأسود في عملية تفكيكه تكون سلبية. وهذا هو، في نهاية المطاف، نتيجة للعملية الموصوفة، فقد الثقب الأسود فقط كمية معينة من الطاقة، والتي، علاوة على ذلك، تساوي تماما الطاقة (الكتلة) التي يمتلكها الجسيم الذي طار "للخارج".

وهكذا، وبحسب النظرية الموصوفة، على الرغم من أن الثقب الأسود لا ينبعث منه أي جسيمات، إلا أنه يساهم في هذه العملية ويفقد طاقة مكافئة. باتباع قانون أينشتاين المذكور سابقًا بشأن تكافؤ الكتلة والطاقة، يصبح من الواضح أن الثقب الأسود ليس لديه مكان يستمد منه الطاقة إلا من كتلته.

لتلخيص كل ما سبق، يمكننا القول أن الثقب الأسود يصدر جسيمًا وفي نفس الوقت يفقد بعض الكتلة. وكانت العملية الأخيرة تسمى "تبخر الثقب الأسود". بناءً على نظرية إشعاع هوكينج، يمكن للمرء أن يخمن أنه بعد مرور بعض الوقت، على الرغم من طوله الطويل (تريليونات السنين)، فإن الثقوب السوداء ببساطة.

حقائق مثيرة للاهتمام

• يخشى الكثير من الناس أن تتشكل الثقوب السوداء في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، وربما تشكل تهديدًا لحياة أبناء الأرض. إن ولادة الثقوب السوداء في LHC ممكنة فقط في حالة وجود أبعاد إضافية للزمكان ووجود تفاعل جاذبية قوي على مسافات قصيرة. ومع ذلك، فإن الثقب الأسود المجهري المتكون بهذه الطريقة سوف يتبخر على الفور بسبب إشعاع هوكينج.
• اعتمادًا على إشعاع هوكينج، يمكن تشغيل مفاعل مفرد أو مفاعل انهياري، وهو جهاز افتراضي يولد ثقوبًا سوداء مجهرية. وستكون الطاقة الإشعاعية المتولدة نتيجة تبخرها هي المصدر الرئيسي للطاقة للمفاعل.

على الرغم من أن مصادم الهادرونات الكبير يبدو خطيرًا، إلا أنه ليس هناك ما يدعو للخوف بسبب إشعاع هوكينج

• بعد نشر عمله حول إشعاع الثقب الأسود، تشاجر ستيفن هوكينج مع عالم مشهور آخر، كيب ثورن. وكان موضوع الخلاف هو طبيعة الجسم الذي يدعي أنه ثقب أسود ويسمى . على الرغم من أن عمل هوكينج كان يعتمد على افتراض وجود الثقوب السوداء، إلا أنه جادل بأن Cygnus X-1 ليس ثقبًا أسود. يشار إلى أن الرهانات كانت عبارة عن اشتراكات في المجلات. كان عرض ثورن عبارة عن اشتراك لمدة 4 سنوات في المجلة الساخرة برايفت آي، بينما كان عرض هوكينج عبارة عن اشتراك لمدة عام واحد في المجلة المثيرة بنتهاوس. وجادل ستيفن بمنطق بيانه في النزاع على النحو التالي: "حتى لو تبين أنني مخطئ في التأكيد على وجود الثقوب السوداء، فسأفوز على الأقل باشتراك في المجلة"

هوكينج والجاذبية الصغرى (القيءالمذنب)

في مثل هذا السيناريو، "تختفي" جميع المعلومات الأخرى حول المادة التي شكلت الثقب الأسود أو التي سقطت فيه (والتي يُستخدم فيها "الشعر" كاستعارة) خارج أفق الحدث للثقب الأسود، وبالتالي يتم الحفاظ عليها ولكن لن يكون من الممكن الوصول إليها. للمراقبين الخارجيين.

في عام 1973، سافر هوكينج إلى موسكو والتقى بالعلماء السوفييت ياكوف زيلدوفيتش وأليكسي ستاروبينسكي. وفي المناقشات معهم حول عملهم، أظهروا له كيف أن مبدأ عدم اليقين يعني أن الثقوب السوداء يجب أن تبعث جسيمات. أدى هذا إلى التشكيك في قانون هوكينج الثاني للديناميكا الحرارية للثقب الأسود (أي أن الثقوب السوداء لا يمكن أن تصبح أصغر)، لأنها يجب أن تفقد كتلتها عندما تفقد الطاقة.

علاوة على ذلك، فقد أيدت النظرية التي طرحها جاكوب بيكنشتاين، وهو طالب دراسات عليا في جامعة جون ويلر، بأن الثقوب السوداء يجب أن تكون لها درجة حرارة وأنتروبيا محدودة غير الصفر. كل هذا يتناقض مع نظرية "لا شعر". وسرعان ما قام هوكينج بمراجعة نظريته، موضحًا أنه عندما تم أخذ تأثيرات ميكانيكا الكم في الاعتبار، وجد أن الثقوب السوداء تبعث إشعاعًا حراريًا بدرجة حرارة معينة.

في عام 1974، قدم هوكينج النتائج التي توصل إليها وأظهر أن الثقوب السوداء تنبعث منها إشعاعات. أصبح هذا التأثير معروفًا باسم "إشعاع هوكينج" وكان مثيرًا للجدل في البداية. ولكن بحلول نهاية السبعينيات وبعد نشر المزيد من الأبحاث، تم الاعتراف بالاكتشاف باعتباره طفرة كبيرة في مجال الفيزياء النظرية.

ومع ذلك، فإن إحدى النتائج المترتبة على مثل هذه النظرية هي أن الثقوب السوداء تفقد كتلتها وطاقتها تدريجياً. ولهذا السبب، فإن الثقوب السوداء التي تفقد كتلتها أكثر مما تكتسبه يجب أن تتقلص وتختفي في النهاية - وهي ظاهرة تعرف الآن باسم "تبخر" الثقب الأسود.

في عام 1981، اقترح هوكينج أن المعلومات الموجودة في الثقب الأسود تُفقد بشكل لا رجعة فيه عندما يتبخر الثقب الأسود، وهو ما أصبح يُعرف باسم "مفارقة معلومات الثقب الأسود". وقال إن المعلومات الفيزيائية يمكن أن تختفي إلى الأبد في الثقب الأسود، مما يسمح للعديد من الحالات الفيزيائية بالالتقاء في حالة واحدة.

تبين أن النظرية مثيرة للجدل لأنها انتهكت مبدأين أساسيين في فيزياء الكم. تنص فيزياء الكم على أن المعلومات الكاملة للنظام الفيزيائي – حالة المادة (الكتلة، الموقع، الدوران، درجة الحرارة، وما إلى ذلك) – يتم تشفيرها في دالتها الموجية حتى تنهار الدالة. وهذا بدوره يؤدي إلى مبدأين آخرين.

الأول، الحتمية الكمومية، ينص على أنه - في ضوء الدالة الموجية الحالية - يتم تحديد التغييرات المستقبلية بشكل فريد من قبل عامل التطور. والثاني - الانعكاس - ينص على أن عامل التطور له جانب معكوس، مما يعني أن وظائف الموجة الماضية فريدة أيضًا. يؤدي الجمع بين هذه المبادئ إلى حقيقة أنه يجب دائمًا الحفاظ على المعلومات المتعلقة بالحالة الكمومية للمادة.

هوكينج في البيت الأبيض لتسلم وسام الحرية

من خلال الإشارة إلى أن المعلومات تختفي بعد تبخر الثقب الأسود، خلق هوكينج مفارقة أساسية. إذا كان بإمكان الثقب الأسود أن يتبخر، مما يتسبب في اختفاء جميع المعلومات حول دالة الموجة الكمومية، فمن الممكن من حيث المبدأ فقدان المعلومات إلى الأبد. لقد أصبح هذا السؤال موضوع نقاش بين العلماء ولا يزال دون حل تقريبًا حتى يومنا هذا.

ومع ذلك، بحلول عام 2003، كان هناك بعض الإجماع بين الفيزيائيين على أن هوكينج كان مخطئًا بشأن فقدان المعلومات في الثقب الأسود. وفي محاضرة ألقاها في دبلن عام 2004، اعترف بأنه خسر رهانه حول هذا الموضوع أمام جون بريسكيل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (الذي قدمه في عام 1997)، لكنه وصف حله الخاص والمثير للجدل إلى حد ما للمفارقة: ربما يمكن للثقوب السوداء أن تحتوي على المزيد من الأشياء. من طوبولوجيا واحدة.

في ورقة بحثية نشرها عام 2005 حول موضوع فقدان المعلومات في الثقوب السوداء، قال إن مفارقة المعلومات يتم تفسيرها من خلال دراسة جميع التواريخ البديلة للأكوان، حيث يتم تعويض فقدان المعلومات في أحد الأكوان التي تحتوي على ثقوب سوداء في آخر بدونها. ونتيجة لذلك، في يناير 2014، وصف هوكينج مفارقة معلومات الثقب الأسود بأنها "أكبر خطأ له".

هوكينج وبيتر هيجز في مصادم الهادرونات الكبير

بالإضافة إلى توسيع فهمنا للثقوب السوداء وعلم الكونيات باستخدام النسبية العامة وميكانيكا الكم، كان ستيفن هوكينج أيضًا فعالاً في جلب العلوم إلى جمهور أوسع. كما نشر خلال مسيرته العلمية الطويلة العديد من الكتب المشهورة، وسافر وألقى محاضرات على نطاق واسع، وظهر في البرامج التلفزيونية والأفلام.

خلال حياته المهنية، أصبح هوكينج أيضًا معلمًا متميزًا، حيث قام شخصيًا بتخريج 39 طالبًا ناجحًا بدرجة الدكتوراه. وسيبقى اسمه في تاريخ البحث عن الذكاء خارج الأرض، وتطوير الروبوتات والذكاء الاصطناعي. في 20 يوليو 2015، ساعد ستيفن هوكينج في إطلاق مبادرات الاختراق، وهي مبادرة للبحث عن حياة خارج كوكب الأرض في الكون.

لا شك أن ستيفن هوكينج هو أحد أشهر العلماء الأحياء اليوم. أدى عمله في الفيزياء الفلكية وميكانيكا الكم إلى تحقيق اختراقات في فهمنا للمكان والزمان، كما أثار الكثير من الجدل بين العلماء. لا يكاد أي عالم حي أن يفعل الكثير لجذب انتباه عامة الناس إلى العلم.

هناك شيء ما في هوكينج من سلفه ألبرت أينشتاين، وهو عالم آخر مؤثر ومشهور بذل كل ما في وسعه لمحاربة الجهل وتطوير العلم. لكن الأمر المثير للإعجاب بشكل خاص هو أن كل ما فعله هوكينج في حياته (منذ نقطة معينة فصاعدا) كان في إطار معركة عنيدة ضد مرض تنكسي. (اقرأ، على سبيل المثال، دون حراك تماما.)

عاش هوكينج أكثر من 52 عامًا مصابًا بمرض كان من المفترض، وفقًا للأطباء، أن يودي بحياته في غضون عامين. وعندما يأتي اليوم الذي يرحل فيه هوكينج عنا، فإن الزمن بلا شك سيضعه إلى جانب أمثال أينشتاين ونيوتن وجاليليو وكوري كواحد من أعظم العلماء في تاريخ البشرية.

أعظم عالم الكونيات والفيزياء النظرية في عصرنا. ولد عالم المستقبل عام 1942، وبدأ يعاني من مشاكل صحية في سن العشرين. جعل التصلب الجانبي الضموري من الصعب جدًا الدراسة في قسم الفيزياء النظرية بجامعة أكسفورد، لكنه لم يمنع ستيفن من قيادة أسلوب حياة نشط للغاية ومليء بالأحداث. تزوج عام 1965 وأصبح زميلًا في الجمعية الملكية في لندن عام 1974. وبحلول ذلك الوقت كان قد أنجب ابنة وولدين. وفي عام 1985 توقف العالم عن الكلام. اليوم، احتفظ خد واحد فقط بالحركة في جسده. بدا الأمر بلا حراك تمامًا وإدانته. ومع ذلك، في عام 1995 تزوج مرة أخرى، وفي عام 2007... يطير في انعدام الجاذبية.

لا يوجد شخص على وجه الأرض محروم من الحركة ويعيش مثل هذه الحياة الكاملة والمفيدة والمثيرة للاهتمام.

ولكن هذا ليس كل شيء. كان أعظم تطور لهوكينج هو نظرية الثقوب السوداء. لقد غيرت "نظرية هوكينج"، كما يطلق عليها الآن، بشكل جذري فهم العلماء طويل الأمد للثقوب السوداء في الكون.

في بداية العمل على النظرية، جادل العالم، مثل العديد من زملائه، بأن كل ما يدخلهم قد تم تدميره إلى الأبد. هذه المفارقة المعلوماتية تطارد العسكريين والعلماء في جميع أنحاء العالم. وكان يعتقد أنه من المستحيل تحديد أي خصائص لهذه الأجسام الفضائية، باستثناء الكتلة.

بعد دراسة الثقوب السوداء في عام 1975، وجد هوكينج أنها تنبعث باستمرار من تيار من الفوتونات وبعض الجسيمات الأولية الأخرى في الفضاء. ومع ذلك، حتى العالم نفسه كان على يقين من أن «إشعاع هوكينج» كان عشوائيًا، ولا يمكن التنبؤ به. واعتقد العالم البريطاني في البداية أن هذا الإشعاع لا يحمل أي معلومات.

ومع ذلك، فإن خاصية العقل اللامع هي القدرة على الشك باستمرار. واصل هوكينج بحثه واكتشف أن تبخر الثقب الأسود (أي إشعاع هوكينج) هو ذو طبيعة كمومية. وقد سمح له ذلك باستنتاج أن المعلومات التي تسقط في الثقب الأسود لا يتم تدميرها، بل تتغير. إن النظرية القائلة بأن حالة الثقب ثابتة صحيحة عند النظر إليها من وجهة نظر الفيزياء غير الكمومية.

ومع الأخذ بعين الاعتبار نظرية الكم، فإن الفراغ مملوء بجسيمات "افتراضية" تبعث مجالات فيزيائية مختلفة. تتغير قوة الإشعاع باستمرار. عندما تصبح قوية جدًا، يمكن أن تولد أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة مباشرة من الفراغ عند أفق الحدث (حدود) الثقب الأسود. إذا تبين أن الطاقة الإجمالية لجسيم واحد إيجابية، والثانية سلبية، إذا سقطت الجزيئات في نفس الوقت في ثقب أسود، فإنها تبدأ في التصرف بشكل مختلف. يبدأ الجسيم المضاد السالب في تقليل الطاقة المتبقية للثقب الأسود، ويميل الجسيم الموجب إلى ما لا نهاية.

من الخارج، تبدو هذه العملية مثل التبخر القادم من الثقب الأسود. وهذا ما يسمى "إشعاع هوكينج". ووجد العالم أن هذا "التبخر" للمعلومات المشوهة له طيف حراري خاص به، مرئي للأجهزة، ودرجة حرارة معينة.

يشير إشعاع هوكينج، وفقا للعالم نفسه، إلى أنه لا يتم فقدان جميع المعلومات وتختفي إلى الأبد في الثقب الأسود. وهو واثق من أن فيزياء الكم تثبت استحالة التدمير الكامل أو فقدان المعلومات. وهذا يعني أن إشعاع هوكينج يحتوي على مثل هذه المعلومات، وإن كان في شكل معدل.

إذا كان العالم على حق، فيمكن دراسة ماضي ومستقبل الثقوب السوداء بنفس طريقة دراسة تاريخ الكواكب الأخرى.

ولسوء الحظ، فإن الرأي السائد حول إمكانية السفر عبر الزمن أو إلى أكوان أخرى باستخدام الثقوب السوداء. يثبت وجود إشعاع هوكينج أن أي جسم يقع في حفرة سيعود إلى كوننا في شكل معلومات متغيرة.

ليس كل العلماء يشاركون معتقدات الفيزيائي البريطاني. ومع ذلك، فهم أيضًا لا يجرؤون على تحديهم. واليوم، ينتظر العالم أجمع إصدارات هوكينج الجديدة، التي وعد فيها بالتأكيد بشكل تفصيلي وبشكل قاطع على موضوعية نظريته التي قلبت العالم العلمي رأسا على عقب.

علاوة على ذلك، تمكن العلماء من الحصول على إشعاع هوكينج في ظروف المختبر. حدث هذا في عام 2010.

هناك ظاهرة تعكس ظواهر مختلفة مثل الثقوب السوداء والجسيمات الأولية في تفاعلها. هل هذا إشعاع هوكينج أم كمي؟

من ماستر ويب

26.06.2018 18:00

الثقوب السوداء والجسيمات الأولية. تربط الفيزياء الحديثة بين مفاهيم هذه الأشياء، حيث تم وصف أولها في إطار نظرية الجاذبية لأينشتاين، والثانية - في الإنشاءات الرياضية لنظرية المجال الكمي. من المعروف أن هاتين النظريتين الجميلتين والمؤكدتين تجريبياً عدة مرات ليستا "وديتين" مع بعضهما البعض. ومع ذلك، هناك ظاهرة تعكس هذه الظواهر المختلفة في تفاعلها. هذا هو إشعاع هوكينج أو التبخر الكمي للثقوب السوداء. ما هو؟ كيف يعمل؟ هل يمكن اكتشافه؟ سنتحدث عن هذا في مقالتنا.

الثقوب السوداء وآفاقها

دعونا نتخيل منطقة معينة من استمرارية الزمان والمكان يشغلها جسم مادي، على سبيل المثال، نجم. إذا كانت هذه المنطقة تتميز بمثل هذه النسبة من نصف القطر والكتلة التي لا يسمح فيها انحناء الجاذبية لأي شيء (حتى شعاع الضوء) بالخروج منها، فإن مثل هذه المنطقة تسمى ثقبًا أسود. بمعنى ما، إنها في الواقع فجوة، فجوة في السلسلة المتصلة، كما يتم تصويرها غالبًا في الرسوم التوضيحية باستخدام تمثيل ثنائي الأبعاد للفضاء.

ومع ذلك، في هذه الحالة، سنكون مهتمين ليس بعمق هذا الثقب، ولكن بحدود الثقب الأسود، والتي تسمى أفق الحدث. عند النظر في إشعاع هوكينج، فإن إحدى السمات المهمة للأفق هي أن عبور هذا السطح يفصل بشكل دائم وكامل أي جسم مادي عن الفضاء الخارجي.

حول الفراغ والجسيمات الافتراضية

في فهم نظرية المجال الكمي، فإن الفراغ ليس فراغا على الإطلاق، ولكنه وسيلة خاصة (على وجه التحديد، حالة المادة)، أي المجال الذي تكون فيه جميع المعلمات الكمومية تساوي الصفر. إن طاقة مثل هذا المجال ضئيلة، لكن لا ينبغي لنا أن ننسى مبدأ عدم اليقين. وبالتوافق التام معه، يُظهر الفراغ نشاطًا متقلبًا تلقائيًا. ويتم التعبير عنها في اهتزازات الطاقة، والتي لا تنتهك قانون الحفظ.

كلما ارتفعت ذروة تقلبات طاقة الفراغ، كلما قصرت مدتها. إذا كان لمثل هذا الاهتزاز طاقة تبلغ 2mc2، وهي طاقة كافية لإنتاج زوج من الجسيمات، فسوف تظهر، ولكنها ستفنى على الفور دون أن يكون لها وقت للتطاير. وبهذه الطريقة سوف يخففون من التقلبات. ومثل هذه الجسيمات الافتراضية تولد من طاقة الفراغ وتعود إليه هذه الطاقة عند موتها. وقد تم تأكيد وجودها تجريبيا، على سبيل المثال، من خلال تسجيل تأثير كازيمير الشهير، الذي يوضح ضغط غاز من الجسيمات الافتراضية على جسم كبير.

لفهم إشعاع هوكينج، من المهم أن تولد الجسيمات في مثل هذه العملية (سواء كانت إلكترونات مع بوزيترونات أو فوتونات) بالضرورة في أزواج، ويكون زخمها الإجمالي صفرًا.

مسلحين بتقلبات الفراغ على شكل أزواج افتراضية، سنقترب من حافة الثقب الأسود ونرى ما يحدث هناك.

على حافة الهاوية

بفضل وجود أفق الحدث، فإن الثقب الأسود قادر على التدخل في عملية تذبذبات الفراغ التلقائية. إن قوى المد والجزر على سطح الحفرة هائلة، ومجال الجاذبية هنا غير متجانس للغاية. إنه يعزز ديناميات هذه الظاهرة. يجب أن يتم إنشاء أزواج من الجزيئات بشكل أكثر نشاطًا مما كانت عليه في غياب القوى الخارجية. ينفق الثقب الأسود طاقة جاذبيته في هذه العملية.

لا شيء يمنع أحد الجسيمات من "الغوص" تحت أفق الحدث إذا تم توجيه زخمه وفقًا لذلك وحدث ولادة الزوج في الأفق نفسه تقريبًا (في هذه الحالة، ينفق الثقب الطاقة على كسر الزوج). عندها لن يكون هناك فناء، وسيطير شريك الجسيم الذكي بعيدًا عن الثقب الأسود. ونتيجة لذلك، تتناقص طاقة الثقب، وبالتالي كتلته، بمقدار يساوي كتلة الجسم الهارب. ويسمى "فقدان الوزن" هذا بتبخر الثقب الأسود.

عند وصف إشعاع الثقوب السوداء، تعامل هوكينج مع الجسيمات الافتراضية. هذا هو الفرق بين نظريته ووجهة نظر غريبوف وزيلدوفيتش وستاروبينسكي التي تم التعبير عنها في عام 1973. ثم أشار الفيزيائيون السوفييت إلى إمكانية نفق الكم للجسيمات الحقيقية عبر أفق الحدث، ونتيجة لذلك يجب أن يكون للثقب الأسود إشعاع.

ما هو إشعاع هوكينج

فالثقوب السوداء، بحسب نظرية العالم، لا تصدر أي شيء من تلقاء نفسها. ومع ذلك، فإن الفوتونات التي تخرج من الثقب الأسود لها طيف حراري. بالنسبة للمراقب، يجب أن يبدو هذا "التدفق" للجسيمات كما لو أن الثقب، مثل أي جسم ساخن، ينبعث منه نوع من الإشعاع، ويفقد الطاقة بشكل طبيعي في هذه العملية. يمكنك أيضًا حساب درجة الحرارة المماثلة لإشعاع هوكينج باستخدام الصيغة PM=(h∙c3)/(16п2∙k∙G∙M)، حيث h هو ثابت بلانك (غير معلوم!)، c هي سرعة الضوء، k هو ثابت بولتزمان، G هو ثابت الجاذبية، M هي كتلة الثقب الأسود. تقريبًا درجة الحرارة هذه ستكون مساوية لـ 6.169∙10-8 K∙(M0/M)، حيث M0 هي كتلة الشمس. وتبين أنه كلما زاد حجم الثقب الأسود، انخفضت درجة الحرارة المقابلة للإشعاع.

لكن الثقب الأسود ليس نجما. فقدان الطاقة، فإنه لا يبرد. والعكس صحيح! ومع انخفاض الكتلة، يصبح الثقب "أكثر سخونة". فقدان الكتلة يعني أيضًا انخفاضًا في نصف القطر. ونتيجة لذلك، يحدث التبخر بكثافة متزايدة. ويترتب على ذلك أن الثقوب الصغيرة يجب أن تكتمل تبخرها بانفجار. صحيح أن وجود مثل هذه الثقوب الدقيقة في حد ذاته يظل افتراضيًا في الوقت الحالي.

هناك وصف بديل لعملية هوكينج، يعتمد على تأثير أونروه (افتراضي أيضًا)، والذي يتنبأ بتسجيل الإشعاع الحراري بواسطة مراقب متسارع. إذا تم توصيله بإطار مرجعي بالقصور الذاتي، فلن يكتشف أي إشعاع. بالنسبة للمراقب، فإن الفراغ المحيط بجسم ينهار بشكل متسارع سيتم ملؤه أيضًا بالإشعاع ذي الخصائص الحرارية.

مشكلة المعلومات

المشكلة التي خلقتها نظرية هوكينج عن الإشعاع ترجع إلى ما يسمى بـ "نظرية عدم وجود شعر" للثقب الأسود. جوهرها باختصار هو كما يلي: الثقب غير مبال تمامًا بالخصائص التي يمتلكها الجسم الذي سقط خارج أفق الحدث. الشيء الوحيد المهم هو الكتلة التي زاد بها الثقب. يتم تخزين المعلومات حول معلمات الجسم الذي سقط فيه في الداخل، على الرغم من أنه لا يمكن للمراقب الوصول إليها. وتخبرنا نظرية هوكينج أن الثقوب السوداء ليست أبدية. اتضح أن المعلومات التي كان من الممكن تخزينها فيها تختفي مع الثقوب. بالنسبة للفيزيائيين، هذا الوضع ليس جيدًا، لأنه يؤدي إلى احتمالات لا معنى لها تمامًا للعمليات الفردية.

وفي الآونة الأخيرة، حدثت تطورات إيجابية في حل هذه المفارقة، بما في ذلك مشاركة هوكينج نفسه. في عام 2015، ذُكر أنه بفضل الخصائص الخاصة للفراغ، من الممكن تحديد عدد لا حصر له من معلمات إشعاع الثقب، أي "سحب" المعلومات منه.

مشكلة التسجيل

وتتفاقم صعوبة حل مثل هذه المفارقات بسبب حقيقة أنه لا يمكن اكتشاف إشعاع هوكينج. دعونا نلقي نظرة أخرى على الصيغة أعلاه. إنه يوضح مدى برودة الثقوب السوداء - جزء من مائة مليون من كلفن للثقوب ذات الكتلة الشمسية ونصف قطرها ثلاثة كيلومترات! وجودهم مشكوك فيه للغاية.

ومع ذلك، هناك أمل في وجود ثقوب سوداء مجهرية (ساخنة، وبقايا). لكن حتى الآن لم يرصد أحد هذه الشهود المتنبأ بها نظريًا للعصور الأولى للكون.

وأخيراً، علينا أن نضيف القليل من التفاؤل. في عام 2016، ظهرت رسالة حول اكتشاف نظير لإشعاع هوكينج الكمي في النموذج الصوتي لأفق الحدث. ويستند هذا التشبيه أيضًا على تأثير أونروه. وعلى الرغم من أن نطاق تطبيقها محدود، على سبيل المثال، إلا أنها لا تسمح بدراسة اختفاء المعلومات، إلا أن هناك أمل في أن تساعد مثل هذه الأبحاث في إنشاء نظرية جديدة للثقوب السوداء تأخذ في الاعتبار الظواهر الكمومية.

شارع كييفيان، 16 0016 أرمينيا، يريفان +374 11 233 255

الفوتونات بشكل رئيسي، والثقب الأسود. بسبب الطاقة و"href = "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D1%81%D0%BE%D1 %85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3 %D0%B8%D0%B8">قانون حفظ الطاقة و، هذه العملية يصاحبها انخفاض في كتلة الثقب الأسود، أي "تبخره". تنبأ به نظريا ستيفن هوكينج في عام 1973. عمل هوكينج سبقته زيارته لموسكو في عام 1973، حيث التقى بالعالمين السوفييت ياكوف زيلدوفيتش وألكسندر ستاروبينسكي، وقد أثبتا لهوكينج أنه وفقًا لمبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم، فإن الثقوب السوداء الدوارة يجب أن تولد وتصدر جسيمات.

إن تبخر الثقب الأسود هو عملية كمومية بحتة. والحقيقة هي أن مفهوم الثقب الأسود كجسم لا ينبعث منه أي شيء، ولكن يمكنه فقط امتصاص المادة، صالح طالما لم تؤخذ التأثيرات الكمومية في الاعتبار. في ميكانيكا الكم، وبفضل النفق، يصبح من الممكن التغلب على الحواجز المحتملة التي لا يمكن التغلب عليها بالنسبة لنظام غير كمي.

وفي حالة الثقب الأسود، يبدو الوضع هكذا. في نظرية المجال الكمي، يمتلئ الفراغ المادي بتقلبات تظهر وتختفي باستمرار في مجالات مختلفة (يمكن للمرء أن يقول "الجسيمات الافتراضية"). وفي مجال القوى الخارجية، تتغير ديناميكيات هذه التقلبات، وإذا كانت القوى قوية بما فيه الكفاية، فيمكن أن تولد أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة مباشرة من الفراغ. وتحدث مثل هذه العمليات أيضًا بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود (لكنها لا تزال خارجه). في هذه الحالة، تكون الحالة ممكنة عندما يكون إجمالي الطاقة i للجسيم المضاد سالبًا، والطاقة الإجمالية i للجسيم موجبة. عند السقوط في الثقب الأسود، يقلل الجسيم المضاد من إجمالي طاقة السكون، وبالتالي كتلته، في حين أن الجسيم قادر على الطيران بعيدًا إلى ما لا نهاية. بالنسبة للمراقب البعيد، يبدو هذا مثل الإشعاع الصادر من ثقب أسود.

المهم ليس حقيقة الإشعاع فحسب، بل أيضًا حقيقة أن هذا الإشعاع له طيف حراري. وهذا يعني أن الإشعاع القريب من أفق الحدث للثقب الأسود يمكن أن يرتبط بدرجة حرارة معينة

أين هو ثابت بلانك ج- سرعة الضوء في الفراغ، ك- ثابت بولتزمان، ز- ثابت الجاذبية، وأخيرا، م- كتلة الثقب الأسود . من خلال تطوير النظرية، من الممكن بناء الديناميكا الحرارية الكاملة للثقوب السوداء.

ومع ذلك، فإن هذا النهج تجاه الثقب الأسود يتعارض مع ميكانيكا الكم ويؤدي إلى مشكلة اختفاء المعلومات في الثقب الأسود.

ولم يتم تأكيد التأثير بعد من خلال الملاحظات. وفقًا للنسبية العامة، أثناء تكوين الكون، كان من المفترض أن تكون الثقوب السوداء البدائية قد ولدت، وبعضها (بكتلة أولية تبلغ 10 12 كجم) يجب أن ينتهي بالتبخر في عصرنا. وبما أن معدل التبخر يزداد مع انخفاض حجم الثقب الأسود، فإن المراحل النهائية يجب أن تكون في الأساس انفجارًا للثقب الأسود. ولم يتم تسجيل مثل هذه الانفجارات حتى الآن.

التأكيد التجريبي

يدعي باحثون من جامعة ميلانو أنهم تمكنوا من ملاحظة تأثير إشعاع هوكينج، مما أدى إلى خلق نقيض الثقب الأسود - ما يسمى بالثقب الأبيض. على عكس الثقب الأبيض، الذي "يمتص" كل المادة والإشعاع من الخارج، فإن الثقب الأبيض يمنع الضوء الذي يدخل إليه تمامًا، وبالتالي يخلق حدودًا، أفق الحدث. وفي التجربة، لعبت بلورة الكوارتز، التي لها بنية معينة، دور الثقب الأبيض، ووُضعت في ظروف خاصة، توقفت بداخلها فوتونات الضوء تمامًا. ومن خلال إضاءة البلورة المذكورة أعلاه بضوء الليزر تحت الأحمر، اكتشف العلماء وأكدوا وجود تأثير إعادة الانبعاث، إشعاع هوكينج.

اكتشف الفيزيائي جيف شتاينهاور من المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا في حيفا الإشعاع الذي تنبأ به ستيفن هوكينج في عام 1974. ابتكر العالم نظيرًا صوتيًا للثقب الأسود وأظهر في التجارب أن إشعاعًا ذا طبيعة كمومية ينبعث منه. نُشرت المقالة في مجلة Nature Physics، وأوردت بي بي سي نيوز تقريرًا موجزًا ​​عن الدراسة.
...ليس من الممكن حتى الآن اكتشاف هذا الإشعاع الصادر من ثقب أسود حقيقي، لأنه ضعيف جدًا. لذلك، استخدم شتاينهاور نظيره - ما يسمى "بالثقب الأعمى". ولوضع نموذج لأفق الحدث لثقب أسود، استخدم مكثفات بوز-آينشتاين من ذرات الروبيديوم المبردة إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق.
سرعة انتشار الصوت فيه منخفضة جدًا - حوالي 0.5 مم / ثانية. وإذا قمت بإنشاء حدود، على جانب واحد منها تتحرك الذرات بسرعات دون سرعة الصوت، ومن ناحية أخرى، فإنها تتسارع إلى سرعات تفوق سرعة الصوت، فإن هذه الحدود ستكون مشابهة لأفق الحدث للثقب الأسود. في التجربة، تم التقاط الكمات الذرية - في هذه الحالة الفونونات - في منطقة ذات سرعة تفوق سرعة الصوت. تم فصل أزواج الفونونات، وكان أحدهما في منطقة، والثاني في منطقة أخرى. تشير الارتباطات التي سجلها العالم إلى أن الجسيمات متشابكة كميًا.