تشعشعات هاوکینگ: هیچ رازی دیگر وجود ندارد. تابش هاوکینگ: مفهوم، ویژگی ها و مسائل نظریه ذرات هاوکینگ

تابش هاوکینگ فرآیند تابش ذرات بنیادی مختلف است که به طور نظری توسط دانشمند بریتانیایی استیون هاوکینگ در سال 1974 توضیح داده شد.

مدت ها قبل از انتشار کار استیون هاوکینگ، امکان گسیل ذرات توسط سیاهچاله ها توسط فیزیکدان نظری شوروی ولادیمیر گریبوف در گفتگو با دانشمند دیگری به نام یاکوف زلدوویچ بیان شد.

استیون هاوکینگ سی ساله در سال 1973 با مطالعه رفتار ذرات بنیادی نزدیک یک سیاهچاله از مسکو بازدید کرد. در پایتخت، او موفق شد در یک بحث علمی با دو دانشمند برجسته شوروی، الکسی استاروبینسکی و یاکوف زلدوویچ شرکت کند. پس از مدتی کار بر روی ایده گریبوف، آنها به این نتیجه رسیدند که سیاهچاله ها به دلیل اثر تونل می توانند تابش کنند. دومی به معنای وجود احتمال این است که ذره بتواند بر هر مانعی غلبه کند، از دیدگاه فیزیک کوانتومی. هاوکینگ که به این موضوع علاقه مند بود، این موضوع را به تفصیل بررسی کرد و در سال 1974 اثر خود را منتشر کرد و پس از آن تابش مذکور به نام او نامگذاری شد.

استیون هاوکینگ روند انتشار ذرات توسط یک سیاهچاله را به روشی کمی متفاوت توصیف کرد. علت اصلی چنین تشعشعی، به اصطلاح «ذرات مجازی» است.

در فرآیند توصیف فعل و انفعالات بین ذرات، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که فعل و انفعالات بین آنها از طریق تبادل کوانتوم های معین ("بخش هایی" از مقداری فیزیکی) رخ می دهد. به عنوان مثال، برهمکنش الکترومغناطیسی در یک اتم بین یک الکترون و یک پروتون از طریق تبادل فوتون ها (حامل برهمکنش الکترومغناطیسی) انجام می شود.

با این حال، پس از آن مشکل زیر ایجاد می شود. اگر این الکترون را به عنوان یک ذره آزاد در نظر بگیریم، به هیچ وجه نمی تواند به سادگی یک فوتون ساطع یا جذب کند، طبق اصل بقای انرژی. یعنی نمی تواند به سادگی مقداری انرژی را از دست بدهد یا به دست آورد. سپس دانشمندان به اصطلاح "ذرات مجازی" را ایجاد کردند. تفاوت آنها با واقعی این است که آنقدر سریع متولد می شوند و ناپدید می شوند که ثبت آنها غیرممکن است. تنها کاری که ذرات مجازی در مدت کوتاهی از زندگی خود فرصت دارند انجام دهند، انتقال تکانه به ذرات دیگر است، در حالی که انرژی را منتقل نمی کنند.

بنابراین، حتی فضای خالی نیز به دلیل برخی نوسانات فیزیکی (انحرافات تصادفی از هنجار)، صرفاً مملو از این ذرات مجازی است که دائماً در حال تولد و نابودی هستند.

تشعشعات هاوکینگ

بر خلاف فیزیکدانان شوروی، توصیف استیون هاوکینگ از تشعشعات مبتنی بر ذرات انتزاعی و مجازی است که بخشی جدایی ناپذیر از نظریه میدان کوانتومی هستند. یک فیزیکدان نظری بریتانیایی تولید خود به خودی این ذرات مجازی را در یک سیاهچاله بررسی می کند. در این حالت، میدان گرانشی قدرتمند یک سیاهچاله قادر است ذرات مجازی را حتی قبل از نابودی «از هم جدا کند» و در نتیجه آنها را به ذرات واقعی تبدیل کند. فرآیندهای مشابهی به صورت تجربی در سنکروفازوترون ها مشاهده می شود، جایی که دانشمندان موفق می شوند این ذرات را از هم جدا کنند، در حالی که مقدار مشخصی انرژی صرف می کنند.

از نقطه نظر فیزیک، ظهور ذرات واقعی که دارای جرم، اسپین، انرژی و ویژگی های دیگر در فضای خالی "از هیچ" هستند، با قانون بقای انرژی در تضاد است، به این معنی که این امر به سادگی غیرممکن است. بنابراین، برای "تبدیل" ذرات مجازی به ذرات واقعی، انرژی مورد نیاز خواهد بود، که کمتر از جرم کل این دو ذره، طبق قانون معروف است. چنین ذخیره انرژی نیز توسط یک سیاهچاله صرف می شود تا ذرات مجازی را در افق رویداد از هم جدا کند.

در نتیجه فرآیند کشش، یکی از ذرات که به افق رویداد نزدیکتر یا حتی زیر آن است، به یک ذره واقعی تبدیل می شود و به سمت سیاهچاله می رود. دیگری، در جهت مخالف، به یک سفر آزاد در فضای بیرونی می رود. با انجام محاسبات ریاضی، می توان متقاعد شد که حتی با وجود انرژی دریافتی (جرم) از ذره ای که بر روی سطح سیاه چاله افتاده است، انرژی صرف شده توسط سیاهچاله در فرآیند کشیدن منفی است. یعنی در نهایت، در نتیجه فرآیند توصیف شده، سیاهچاله فقط مقدار معینی از انرژی را از دست داد، که علاوه بر این، دقیقاً برابر با انرژی (جرم) است که ذره ای که "بیرون" پرواز کرده است.

بنابراین، طبق نظریه توصیف شده، اگرچه سیاهچاله هیچ ذره ای از خود ساطع نمی کند، اما به چنین فرآیندی کمک می کند و انرژی معادل آن را از دست می دهد. با پیروی از قانون هم ارزی جرم و انرژی انیشتین که قبلا ذکر شد، روشن می شود که یک سیاهچاله به جز جرم خودش، هیچ جایی برای گرفتن انرژی ندارد.

با جمع بندی تمام موارد فوق، می توان گفت که یک سیاهچاله ذره ای را ساطع می کند و در این فرآیند مقداری جرم از دست می دهد. فرآیند اخیر را "تبخیر سیاه چاله" می نامند. بر اساس نظریه تابش هاوکینگ، می توان حدس زد که پس از مدتی، اگرچه بسیار طولانی (تریلیون ها سال)، سیاهچاله ها به سادگی هستند.

حقایق جالب

• بسیاری از مردم می ترسند که سیاهچاله ها در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) تشکیل شوند و احتمالاً زندگی زمینیان را تهدید کنند. تولد سیاهچاله ها در LHC تنها در صورت وجود ابعاد اضافی فضا-زمان و وجود یک برهمکنش گرانشی قدرتمند در فواصل کوچک امکان پذیر است. با این حال، سیاه‌چاله میکروسکوپی که به این ترتیب شکل می‌گیرد، فوراً در اثر تشعشعات هاوکینگ تبخیر می‌شود.
• بر اساس تشعشعات هاوکینگ، یک راکتور منفرد یا یک راکتور کولاپسار، یک دستگاه فرضی که سیاهچاله های میکروسکوپی تولید می کند، می تواند کار کند. انرژی تشعشعات تشکیل شده در نتیجه تبخیر آنها منبع اصلی انرژی راکتور خواهد بود.

اگرچه برخورد دهنده بزرگ هادرونی بسیار مهیب به نظر می رسد، اما به دلیل تشعشعات هاوکینگ، هیچ ترسی از آن وجود ندارد.

• استیون هاوکینگ با انتشار کار خود در مورد تابش سیاهچاله ها با دانشمند مشهور دیگری - کیپ تورن - بحث کرد. موضوع مناقشه ماهیت جسمی بود که ادعا می کرد سیاهچاله است به نام. علیرغم این واقعیت که کار هاوکینگ بر اساس فرض وجود سیاهچاله ها بود، او استدلال کرد که Cygnus X-1 یک سیاهچاله نیست. قابل توجه است که اشتراک مجلات به عنوان نرخ عمل می کرد. شرط تورن اشتراک چهار ساله مجله طنز Private Eye بود، در حالی که شرط هاوکینگ یک اشتراک یک ساله مجله وابسته به عشق شهوانی پنت هاوس بود. استفان منطق بیانیه خود را در این مناقشه چنین استدلال می کند: "حتی اگر در ادعای وجود سیاهچاله ها اشتباه کنم، حداقل یک اشتراک مجله برنده خواهم شد."

هاوکینگ و ریزگرانش (استفراغدنباله دار)

در چنین سناریویی، تمام اطلاعات دیگر در مورد ماده ای که سیاهچاله را تشکیل داده یا در آن می افتد (که از "مو" به عنوان استعاره استفاده می شود) فراتر از افق رویداد سیاهچاله "ناپدید" می شود و بنابراین حفظ می شود، اما غیرقابل دسترسی خواهد بود. به ناظران خارجی

در سال 1973 هاوکینگ به مسکو سفر کرد و با یاکوف زلدوویچ و الکسی استاروبینسکی دانشمندان شوروی ملاقات کرد. در طول بحث با آنها در مورد کارشان، آنها به او نشان دادند که چگونه اصل عدم قطعیت سیاهچاله ها را به تابش ذرات سوق می دهد. این قانون دوم ترمودینامیک سیاهچاله هاوکینگ را زیر سوال برد (یعنی سیاهچاله ها نمی توانند کوچکتر شوند)، زیرا آنها نیز باید به دلیل انرژی جرم خود را از دست بدهند.

علاوه بر این، نظریه ارائه شده توسط جاکوب بکنشتاین، دانشجوی فارغ التحصیل در دانشگاه جان ویلر، مبنی بر اینکه سیاهچاله ها باید دارای دمای محدود و آنتروپی غیرصفر باشند، پشتیبانی می کند. همه اینها با «قضیه بدون مو» در تضاد بود. هاوکینگ به زودی قضیه خود را اصلاح کرد و نشان داد که وقتی اثرات مکانیکی کوانتومی در نظر گرفته می‌شود، معلوم می‌شود که سیاه‌چاله‌ها تابش حرارتی با دمای معینی ساطع می‌کنند.

در سال 1974، هاوکینگ یافته های خود را ارائه کرد و نشان داد که سیاهچاله ها تشعشعات ساطع می کنند. این اثر به "تابش هاوکینگ" معروف شد و در ابتدا بحث برانگیز بود. اما در اواخر دهه 70 و پس از انتشار تحقیقات بیشتر، این کشف به عنوان یک پیشرفت مهم در زمینه فیزیک نظری شناخته شد.

با این حال، یکی از پیامدهای چنین نظریه ای این بود که سیاهچاله ها به تدریج جرم و انرژی خود را از دست می دهند. به همین دلیل، سیاهچاله هایی که جرم بیشتری از دست می دهند باید کوچک شوند و در نهایت ناپدید شوند، پدیده ای که امروزه به عنوان تبخیر سیاهچاله شناخته می شود.

در سال 1981، هاوکینگ پیشنهاد کرد که اطلاعات موجود در سیاهچاله هنگام تبخیر سیاهچاله به طور غیرقابل برگشتی از دست می‌رود، که به عنوان «پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله» شناخته می‌شود. او استدلال می‌کرد که اطلاعات فیزیکی می‌تواند برای همیشه در یک سیاه‌چاله ناپدید شود، و به چندین حالت فیزیکی اجازه می‌دهد تا به یک حالت همگرا شوند.

این نظریه بحث برانگیز بود زیرا دو اصل اساسی فیزیک کوانتومی را نقض می کرد. فیزیک کوانتومی ادعا می کند که اطلاعات کامل یک سیستم فیزیکی - وضعیت ماده آن (جرم، موقعیت، اسپین، دما و غیره) - در تابع موج آن رمزگذاری می شود تا زمانی که تابع از بین برود. این به نوبه خود منجر به دو اصل دیگر می شود.

اولی، جبر کوانتومی، بیان می کند که - با توجه به یک تابع موج فعلی - تغییرات آینده به طور منحصر به فردی توسط عملگر تکامل تعیین می شود. دوم - برگشت پذیری - بیان می کند که عملگر تکامل یک سمت معکوس دارد، به این معنی که توابع موج گذشته نیز منحصر به فرد هستند. ترکیب این اصول منجر به این واقعیت می شود که اطلاعات در مورد وضعیت کوانتومی ماده همیشه باید حفظ شود.

هاوکینگ در کاخ سفید برای مراسم مدال آزادی

هاوکینگ با فرض ناپدید شدن اطلاعات هنگام تبخیر سیاهچاله، اساساً یک پارادوکس اساسی ایجاد کرده است. اگر یک سیاهچاله بتواند تبخیر شود و در نتیجه باعث ناپدید شدن تمام اطلاعات مربوط به تابع موج کوانتومی شود، در این صورت اطلاعات ممکن است برای همیشه از بین بروند. این موضوع به موضوع بحث در میان دانشمندان تبدیل شده است و تا به امروز عملاً حل نشده باقی مانده است.

و با این حال، تا سال 2003، در میان فیزیک اتفاق نظر وجود داشت که هاوکینگ در مورد از دست دادن اطلاعات در سیاهچاله اشتباه می کرد. در یک سخنرانی در دوبلین در سال 2004، او اعتراف کرد که شرط بندی در این زمینه را با جان پرسکیل از Caltech (که در سال 1997 انجام داد) باخته است، اما راه حل خود و تا حدودی بحث برانگیز خود را برای مشکل پارادوکس ارائه کرد: ممکن است سیاهچاله ها می تواند بیش از یک توپولوژی داشته باشد.

در مقاله‌ای که در سال 2005 درباره‌ی موضوع «از دست دادن اطلاعات در سیاه‌چاله‌ها» منتشر کرد، استدلال کرد که پارادوکس اطلاعات با مطالعه تمام تاریخ‌های جایگزین جهان‌ها وقتی که از دست دادن اطلاعات در یکی با سیاه‌چاله‌ها در دیگری بدون آن‌ها جبران شود، توضیح داده می‌شود. در نتیجه، در ژانویه 2014، هاوکینگ پارادوکس اطلاعات سیاهچاله را "بزرگترین اشتباه" خود نامید.

هاوکینگ و پیتر هیگز در برخورد دهنده بزرگ هادرون

علاوه بر گسترش درک ما از سیاهچاله ها و کیهان شناسی با استفاده از نسبیت عام و مکانیک کوانتومی، استیون هاوکینگ همچنین در رساندن علم به مخاطبان وسیع تری نیز مؤثر بوده است. او همچنین در طول فعالیت علمی طولانی خود، کتاب های پرمخاطب زیادی منتشر کرده، سفرهای زیادی کرده و سخنرانی کرده و در برنامه های تلویزیونی و فیلم ظاهر شده است.

هاوکینگ در طول دوران حرفه‌ای خود به یک مربی برجسته نیز تبدیل شد و شخصاً 39 دانشجوی موفق دکترا را تولید کرد. نام او در تاریخ جستجوی هوش فرازمینی و توسعه رباتیک و هوش مصنوعی باقی خواهد ماند. در 20 ژوئیه 2015، استیون هاوکینگ به راه اندازی ابتکارات پیشرفت کمک کرد، ابتکاری برای جستجوی حیات فرازمینی در جهان.

بدون شک استیون هاوکینگ یکی از مشهورترین دانشمندان امروزی است. کار او در زمینه‌های اخترفیزیک و مکانیک کوانتومی منجر به پیشرفت‌هایی در درک ما از فضا و زمان شده است و بحث‌های زیادی را در میان دانشمندان ایجاد کرده است. به ندرت هیچ دانشمند زنده ای تا این حد برای جلب توجه عموم مردم به علم انجام داده است.

در هاوکینگ چیزی از سلفش آلبرت انیشتین وجود دارد - دانشمند بانفوذ و مشهور دیگری که برای مبارزه با جهل و پیشرفت علم دست به هر کاری زد. اما آنچه که بیش از همه تأثیرگذار است این است که هر کاری که هاوکینگ در زندگی خود انجام داده است (از نقطه ای خاص) در مبارزه ای بی امان با بیماری های دژنراتیو بوده است. (مثلاً در حالی که کاملاً ساکن هستید، بخوانید.)

هاوکینگ بیش از 52 سال با بیماری زندگی کرد که به گفته پزشکان باید در عرض 2 سال جانش را می گرفت. و وقتی روزی برسد که هاوکینگ دیگر در میان ما نباشد، زمان مطمئناً او را در کنار افرادی مانند انیشتین، نیوتن، گالیله و کوری به عنوان یکی از بزرگترین دانشمندان تاریخ بشر قرار خواهد داد.

بزرگترین کیهان شناس و فیزیکدان نظری زمان ما. دانشمند آینده که در سال 1942 متولد شد، در سن 20 سالگی شروع به تجربه مشکلات سلامتی کرد. اسکلروز جانبی آمیوتروفیک تحصیل در دپارتمان فیزیک نظری در آکسفورد را دشوار کرد، اما مانع از آن نشد که استفن یک سبک زندگی بسیار فعال و پرحادثه داشته باشد. او در سال 1965 ازدواج کرد و در سال 1974 به عضویت انجمن سلطنتی لندن درآمد. در این زمان او یک دختر و دو پسر داشت. در سال 1985، این دانشمند صحبت نکرد. امروز، در بدن او، تنها یکی از گونه های او تحرک خود را حفظ کرد. به نظر کاملاً بی حرکت و محکوم به فنا بود. با این حال، در سال 1995 او دوباره ازدواج کرد و در سال 2007 ... او در جاذبه صفر پرواز می کند.

بر روی زمین هیچ فردی محروم از تحرک وجود ندارد که بتواند چنین زندگی کامل، مفید و جالبی داشته باشد.

اما این همه ماجرا نیست. بزرگترین پیشرفت هاوکینگ نظریه سیاهچاله ها بود. "نظریه هاوکینگ"، همانطور که اکنون نامیده می شود، دیدگاه بلندمدت دانشمندان را در مورد سیاهچاله های کیهان به شدت تغییر داد.

در ابتدای کار بر روی این نظریه، دانشمند، مانند بسیاری از همکارانش، استدلال کرد که هر چیزی که به آنها وارد می شود برای همیشه از بین می رود. این پارادوکس اطلاعاتی ارتش و دانشمندان در سراسر جهان را آزار می دهد. اعتقاد بر این بود که تعیین هیچ ویژگی این اجرام فضایی، به استثنای جرم، غیرممکن است.

هاوکینگ پس از مطالعه سیاهچاله ها در سال 1975 متوجه شد که آنها به طور مداوم جریانی از فوتون ها و برخی ذرات بنیادی دیگر را به فضا منتشر می کنند. با این حال، حتی خود دانشمند مطمئن بود که "تابش هاوکینگ" تصادفی و غیرقابل پیش بینی است. دانشمند بریتانیایی در ابتدا فکر می کرد که این تشعشع هیچ اطلاعاتی را حمل نمی کند.

با این حال، ویژگی یک ذهن درخشان، توانایی شک کردن مداوم است. هاوکینگ به تحقیقات خود ادامه داد و کشف کرد که تبخیر یک سیاهچاله (یعنی تابش هاوکینگ) ماهیت کوانتومی دارد. این به او اجازه داد تا به این نتیجه برسد که اطلاعاتی که در سیاهچاله افتاده است نابود نمی شود، بلکه تغییر می کند. این تئوری که وضعیت حفره دائمی است، وقتی از دیدگاه فیزیک غیرکوانتومی بررسی شود، درست است.

با توجه به نظریه کوانتومی، خلاء با ذرات «مجازی» پر شده است که میدان‌های فیزیکی متفاوتی را تابش می‌کنند. قدرت تابش دائماً در حال تغییر است. هنگامی که بسیار قوی می شود، جفت های ذره-پاد ذره می توانند مستقیماً از خلاء در افق رویداد (مرز) سیاهچاله متولد شوند. اگر انرژی کل یک ذره مثبت باشد و دومی منفی باشد، اگر در همان زمان ذرات به سیاهچاله سقوط کنند، آنها شروع به رفتار متفاوت می کنند. پادذره منفی شروع به کاهش انرژی استراحت سیاهچاله می کند، در حالی که ذره مثبت به سمت بی نهایت تمایل دارد.

از بیرون، این فرآیند شبیه تبخیر از یک سیاهچاله است. این همان چیزی است که "تابش هاوکینگ" نامیده می شود. این دانشمند دریافت که این "تبخیر" اطلاعات تحریف شده دارای طیف حرارتی خاص خود است که توسط دستگاه ها قابل مشاهده است و دمای خاصی دارد.

تابش هاوکینگ، به گفته خود این دانشمند، نشان می دهد که همه اطلاعات از بین نمی روند و برای همیشه در سیاهچاله ناپدید می شوند. او مطمئن است که فیزیک کوانتومی عدم امکان نابودی کامل یا از دست دادن اطلاعات را ثابت می کند. و این بدان معنی است که چنین اطلاعاتی، هرچند به شکل اصلاح شده، حاوی تشعشعات هاوکینگ است.

اگر حق با دانشمند باشد، می توان گذشته و آینده سیاهچاله ها را مانند تاریخ سیارات دیگر کاوش کرد.

متأسفانه نظر در مورد امکان سفر در زمان یا جهان های دیگر با کمک سیاهچاله ها وجود دارد. وجود تشعشعات هاوکینگ ثابت می کند که هر جسمی که در یک سوراخ بیفتد به شکل اطلاعات تغییر یافته به جهان ما باز می گردد.

همه دانشمندان عقاید فیزیکدان بریتانیایی را ندارند. با این حال، آنها همچنین از به چالش کشیدن آنها خودداری می کنند. امروز تمام دنیا منتظر انتشارات جدیدی از هاوکینگ هستند که در آن هاوکینگ قول داده است که عینیت نظریه خود را که دنیای علمی را زیر و رو کرده است را با جزئیات و به طور قطع تایید کند.

علاوه بر این، دانشمندان موفق شدند تشعشعات هاوکینگ را در آزمایشگاه به دست آورند. این اتفاق در سال 2010 رخ داد.

پدیده ای وجود دارد که پدیده های مختلفی مانند سیاهچاله ها و ذرات بنیادی را در برهم کنش آنها منعکس می کند. تابش هاوکینگ یا کوانتومی...

توسط Masterweb

26.06.2018 18:00

سیاهچاله ها و ذرات بنیادی فیزیک مدرن مفاهیم این اجسام را به هم پیوند می دهد که اولین مورد در چارچوب نظریه گرانش اینشتین و دومی در ساختارهای ریاضی نظریه میدان کوانتومی توضیح داده شده است. مشخص است که این دو نظریه تجربی زیبا و بارها تایید شده با یکدیگر چندان "دوست" نیستند. با این حال، پدیده ای وجود دارد که چنین پدیده های متفاوتی را در تعامل آنها منعکس می کند. این تابش هاوکینگ یا تبخیر کوانتومی سیاهچاله ها است. آن چیست؟ چگونه کار می کند؟ آیا می توان آن را کشف کرد؟ ما در مقاله خود در مورد این صحبت خواهیم کرد.

سیاهچاله ها و افق آنها

بیایید ناحیه ای از پیوستار فضا-زمان را تصور کنیم که توسط یک جسم فیزیکی، به عنوان مثال، یک ستاره اشغال شده است. اگر این ناحیه با نسبتی از شعاع و جرم مشخص شود که انحنای گرانشی پیوستار اجازه خروج چیزی (حتی یک پرتو نور) از آن را ندهد، چنین ناحیه ای سیاهچاله نامیده می شود. به یک معنا، در واقع یک حفره است، شکافی در پیوستار، همانطور که اغلب در تصاویر نشان داده می شود، با استفاده از یک نمایش دو بعدی از فضا.

با این حال، در این صورت، ما نه به عمق شکاف این شیب، بلکه به مرز سیاهچاله، به نام افق رویداد، علاقه مند خواهیم بود. به عنوان بخشی از بررسی مسئله تابش هاوکینگ، یکی از ویژگی های مهم افق این است که تقاطع این سطح به طور دائم و کاملاً هر جسم فیزیکی را از فضای خارج جدا می کند.

در مورد ذرات خلاء و مجازی

در درک نظریه میدان کوانتومی، خلاء به هیچ وجه یک خلاء نیست، بلکه یک محیط خاص (به طور دقیق تر، یک حالت ماده) است، یعنی میدانی که تمام پارامترهای کوانتومی آن برابر با صفر است. انرژی چنین میدانی حداقل است، اما نباید اصل عدم قطعیت را فراموش کرد. در مطابقت کامل با آن، خلاء فعالیت نوسانی خود به خودی را نشان می دهد. این در نوسانات انرژی بیان می شود که به هیچ وجه قانون حفاظت را نقض نمی کند.

هر چه پیک نوسان انرژی خلاء بیشتر باشد، مدت زمان آن کوتاهتر است. اگر چنین نوسانی دارای انرژی 2 mc2 باشد که برای تولد یک جفت ذره کافی است، آنها به وجود می آیند، اما بلافاصله از بین می روند، بدون اینکه زمانی برای پراکندگی داشته باشند. بنابراین، نوسانات را خاموش می کنند. چنین ذرات مجازی با هزینه انرژی خلاء متولد می شوند و پس از مرگ این انرژی را به آن باز می گردانند. وجود آنها به طور تجربی تأیید شده است، به عنوان مثال، هنگام ثبت اثر معروف کازیمیر، که فشار گازی از ذرات مجازی را بر روی یک شی بزرگ نشان می دهد.

برای درک تابش هاوکینگ، مهم است که ذرات در چنین فرآیندی (خواه الکترون با پوزیترون یا فوتون) لزوماً جفت تولید شوند و تکانه کل آنها صفر باشد.

مسلح به نوسانات خلاء در قالب جفت های مجازی، به لبه یک سیاهچاله نزدیک می شویم و خواهیم دید که در آنجا چه اتفاقی می افتد.

در لبه پرتگاه

به دلیل وجود افق رویداد، یک سیاهچاله قادر است در فرآیند نوسانات خلاء خود به خود مداخله کند. نیروهای جزر و مدی در نزدیکی سطح سوراخ بسیار زیاد است و میدان گرانشی در اینجا بسیار ناهمگن است. پویایی این پدیده را افزایش می دهد. جفت ذرات باید بسیار فعالتر از عدم وجود نیروهای خارجی تولید شوند. برای این فرآیند، سیاهچاله انرژی گرانشی خود را صرف می کند.

هیچ چیز یکی از ذرات را از "غواصی" در زیر افق رویداد منع نمی کند، اگر تکانه آن به روش مناسب هدایت شود و تولد یک جفت تقریباً در همان افق اتفاق افتاده باشد (در این حالت، سوراخ برای شکستن جفت انرژی صرف می کند). . آن وقت هیچ نابودی وجود نخواهد داشت و شریک ذره زیرک از سیاهچاله دور می شود. در نتیجه، انرژی کاهش می‌یابد و از این رو جرم سوراخ به مقداری برابر با جرم فرار کاهش می‌یابد. به این "کاهش وزن" تبخیر سیاه چاله می گویند.

هاوکینگ هنگام تشریح تابش سیاهچاله ها دقیقاً با ذرات مجازی عمل می کرد. این تفاوت بین نظریه او و دیدگاه گریبوف، زلدوویچ و استاروبینسکی است که در سال 1973 بیان شد. سپس فیزیکدانان شوروی به امکان تونل زدن کوانتومی ذرات واقعی در افق رویداد اشاره کردند که در نتیجه سیاهچاله باید تشعشع داشته باشد.

تشعشعات هاوکینگ چیست؟

طبق نظریه این دانشمند، سیاهچاله ها خودشان چیزی از خود ساطع نمی کنند. با این حال، فوتون هایی که از سیاهچاله خارج می شوند دارای طیف حرارتی هستند. برای یک ناظر، این "نتیجه" ذرات باید مانند یک سوراخ به نظر برسد، مانند هر جسم گرم شده، نوعی تابش ساطع می کند و به طور طبیعی در این فرآیند انرژی خود را از دست می دهد. حتی می توان دمای مربوط به تابش هاوکینگ را با استفاده از فرمول TPH=(h∙c3)/(16p2∙k∙G∙M) محاسبه کرد، جایی که h ثابت پلانک است (نه کاهش یافته!)، c سرعت نور است. ، k ثابت بولتزمن، G ثابت گرانشی، M جرم سیاهچاله است. تقریباً این دما برابر با 6.169∙10-8 K∙ (M0/M) خواهد بود، که در آن M0 جرم خورشید است. به نظر می رسد که هر چه جرم سیاهچاله بیشتر باشد، دمای مربوط به تابش کمتر است.

اما سیاهچاله یک ستاره نیست. از دست دادن انرژی، خنک نمی شود. برعکس! با کاهش جرم، سوراخ داغ تر می شود. از دست دادن جرم به معنای کاهش شعاع است. در نتیجه تبخیر با شدت افزایش می یابد. نتیجه این است که سوراخ های کوچک باید تبخیر خود را با یک انفجار کامل کنند. درست است، وجود چنین ریزچاله هایی فرضی است.

یک توصیف جایگزین از فرآیند هاوکینگ بر اساس اثر Unruh وجود دارد (همچنین فرضی)، که ثبت تابش حرارتی توسط یک ناظر شتاب‌دهنده را پیش‌بینی می‌کند. اگر با یک قاب مرجع اینرسی همراه باشد، هیچ تشعشعی را تشخیص نخواهد داد. خلاء اطراف جسمی که به سرعت در حال فروپاشی است برای ناظر نیز با تشعشعات با ویژگی های حرارتی پر می شود.

مشکل اطلاعات

مشکلی که نظریه تابش هاوکینگ ایجاد کرده است مربوط به به اصطلاح «قضیه بدون مو» برای سیاهچاله است. ماهیت آن به طور خلاصه به شرح زیر است: سوراخ کاملاً بی تفاوت است که جسمی که در پشت افق رویداد قرار گرفته است چه ویژگی هایی داشته است. آنچه مهم است جرمی است که سوراخ رشد کرده است. اطلاعات مربوط به پارامترهای جسمی که در آن افتاده است در داخل ذخیره می شود، اگرچه در دسترس ناظر نیست. و نظریه هاوکینگ به ما می گوید که سیاهچاله ها ابدی نیستند. معلوم می شود که اطلاعاتی که در آنها ذخیره می شد همراه با سوراخ ها ناپدید می شوند. برای فیزیکدانان، این وضعیت خوب نیست، زیرا منجر به احتمالات کاملاً بی معنی فرآیندهای فردی می شود.

اخیراً تحولات مثبتی در حل این پارادوکس رخ داده است، از جمله مشارکت خود هاوکینگ. در سال 2015 بیان شد که به دلیل ویژگی های خاص خلاء، می توان تعداد بی نهایت پارامتر تشعشع یک سوراخ را آشکار کرد، یعنی اطلاعات را از آن بیرون کشید.

مشکل ثبت نام

دشواری حل چنین پارادوکس هایی با این واقعیت تشدید می شود که تشعشعات هاوکینگ قابل تشخیص نیست. بیایید دوباره به فرمول بالا نگاه کنیم. این نشان می دهد که سیاهچاله ها چقدر سرد هستند - صد میلیونم کلوین برای سوراخ هایی با جرم خورشید و شعاع سه کیلومتر! وجود آنها بسیار مشکوک است.

با این حال، امیدی برای سیاهچاله های میکروسکوپی (گرم، باقی مانده) وجود دارد. اما تا کنون، هیچ کس این شاهدان پیش بینی شده نظری از اولین دوره های جهان را مشاهده نکرده است.

در نهایت، کمی خوش بینی باید اضافه شود. در سال 2016، گزارشی درباره کشف آنالوگ تابش کوانتومی هاوکینگ در مدل آکوستیک افق رویداد منتشر شد. این قیاس نیز بر اساس اثر Unruh است. اگرچه دامنه محدودی دارد، به عنوان مثال، اجازه مطالعه ناپدید شدن اطلاعات را نمی دهد، با این حال، این امید وجود دارد که چنین مطالعاتی به ایجاد نظریه جدیدی از سیاهچاله ها که پدیده های کوانتومی را در نظر می گیرد کمک کند.

خیابان کیفیان، 16 0016 ارمنستان، ایروان +374 11 233 255

بیشتر فوتون ها، سیاهچاله ها. به خاطر انرژی 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 بقای انرژی و این فرآیند با کاهش جرم سیاهچاله، یعنی "تبخیر" آن همراه است. قبل از بازدید او از مسکو در سال 1973، وی با دانشمندان شوروی یاکوف زلدوویچ و الکساندر استاروبینسکی ملاقات کرد که به هاوکینگ نشان دادند که طبق اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی، سیاهچاله‌های در حال چرخش باید ذرات تولید و تابش کنند.

تبخیر یک سیاهچاله یک فرآیند کاملا کوانتومی است. واقعیت این است که مفهوم سیاهچاله به عنوان جسمی که چیزی از خود ساطع نمی کند، اما فقط می تواند ماده را جذب کند، تا زمانی معتبر است که اثرات کوانتومی در نظر گرفته نشود. در مکانیک کوانتومی، به لطف تونل زنی، غلبه بر موانع بالقوه ای که برای یک سیستم غیرکوانتومی غیرقابل عبور هستند، ممکن می شود.

در مورد سیاهچاله وضعیت به شرح زیر است. در نظریه میدان کوانتومی، خلاء فیزیکی با نوسانات دائمی در حال ظهور و ناپدید شدن میدان‌های مختلف پر می‌شود (می‌توانیم «ذرات مجازی» را نیز بگوییم). در زمینه نیروهای خارجی، دینامیک این نوسانات تغییر می کند و اگر نیروها به اندازه کافی بزرگ باشند، جفت ذره- پاد ذره می توانند مستقیماً از خلاء متولد شوند. چنین فرآیندهایی در نزدیکی (اما هنوز خارج از) افق رویداد یک سیاهچاله رخ می دهد. در این حالت، زمانی ممکن است که انرژی کل پادذره منفی شود و انرژی کل ذره مثبت شود. با افتادن در سیاهچاله، پادذره کل انرژی استراحت خود و در نتیجه جرم را کاهش می دهد، در حالی که ذره می تواند تا بی نهایت پرواز کند. برای یک ناظر دور، این شبیه تابش یک سیاهچاله است.

مهم نه تنها واقعیت تابش است، بلکه این واقعیت است که این تابش دارای طیف حرارتی است. این بدان معنی است که تابش نزدیک به افق رویداد سیاهچاله می تواند با دمای خاصی مرتبط باشد

ثابت پلانک کجاست، جسرعت نور در خلاء است، ک- ثابت بولتزمن، جیثابت گرانش است و در نهایت مجرم سیاهچاله است. با توسعه این نظریه، می توان ترمودینامیک کامل سیاهچاله ها را ساخت.

با این حال، چنین رویکردی به یک سیاهچاله در تضاد با مکانیک کوانتومی است و منجر به مشکل ناپدید شدن اطلاعات در یک سیاهچاله می شود.

تاکنون، این اثر توسط مشاهدات تایید نشده است. بر اساس نسبیت عام، در طول شکل گیری کیهان، سیاهچاله های اولیه باید متولد می شدند که برخی از آنها (با جرم اولیه 1012 کیلوگرم) باید در زمان ما تبخیر شوند. از آنجایی که سرعت تبخیر با کاهش اندازه سیاهچاله افزایش می یابد، آخرین مراحل باید اساساً انفجار سیاهچاله باشد. تاکنون چنین انفجارهایی ثبت نشده است.

تایید تجربی

محققان دانشگاه میلان می گویند که با ایجاد پادپود یک سیاهچاله - به اصطلاح سفیدچاله - تأثیر تشعشعات هاوکینگ را مشاهده کرده اند. بر خلاف سفیدچاله که تمام مواد و تشعشعات را از خارج به داخل می‌کشد، یک سفیدچاله به طور کامل نور ورودی به آن را متوقف می‌کند و در نتیجه یک مرز، یک افق رویداد ایجاد می‌کند. در این آزمایش نقش یک سفیدچاله را یک کریستال کوارتز ایفا می کرد که ساختار خاصی داشت و در شرایط خاصی قرار می گرفت که فوتون های نور کاملاً در داخل آن متوقف می شدند. دانشمندان با روشن کردن کریستال فوق با نور لیزر مادون قرمز، وجود اثر تابش مجدد، تابش هاوکینگ را کشف و تأیید کردند.

جف اشتاینهاور، فیزیکدان از موسسه فناوری اسرائیل در حیفا، تشعشعات پیش‌بینی شده توسط استیون هاوکینگ را در سال 1974 شناسایی کرد. این دانشمند یک آنالوگ صوتی از یک سیاهچاله ایجاد کرد و در آزمایشات نشان داد که تشعشعاتی که ماهیت کوانتومی دارد از خود ساطع می کند. این مقاله در ژورنال Nature Physics منتشر شده است، به طور خلاصه در مورد این مطالعه گزارش BBC News.
تثبیت این تشعشع بر روی یک سیاهچاله واقعی هنوز امکان پذیر نیست، زیرا بسیار ضعیف است. بنابراین، اشتاینهاور از آنالوگ خود استفاده کرد - به اصطلاح "چاله کور". او برای مدل‌سازی افق رویداد یک سیاه‌چاله، میعانات بوز-انیشتین را از اتم‌های روبیدیم سرد شده تا دمای نزدیک به صفر مطلق گرفت.
سرعت انتشار صدا در آن بسیار کم است - حدود 0.5 میلی متر در ثانیه. و اگر مرزی ایجاد کنید که در یک طرف آن اتم ها با سرعت مافوق صوت حرکت می کنند و در طرف دیگر آنها تا سرعت مافوق صوت شتاب می گیرند، آنگاه این مرز شبیه افق رویداد یک سیاهچاله خواهد بود. کوانتوم های اتمی - در این مورد، فونون ها - در آزمایش توسط منطقه ای با سرعت مافوق صوت گرفته شدند. جفت فونون شکسته شد، یکی در یک منطقه بود و دومی در منطقه دیگر. همبستگی های ثبت شده توسط این دانشمند نشان می دهد که این ذرات درهم تنیده کوانتومی هستند.