Hawking-sugárzás: nincs több rejtély. Hawking-sugárzás: fogalma, jellemzői és elméleti problémái Hawking-részecskék

A Hawking-sugárzás különböző elemi részecskék kibocsátásának folyamata, amelyet elméletileg Stephen Hawking brit tudós írt le 1974-ben.

Jóval Stephen Hawking munkáinak megjelenése előtt a fekete lyukakból származó részecskesugárzás lehetőségét Vlagyimir Gribov szovjet elméleti fizikus egy másik tudóssal, Yakov Zeldovich-csal folytatott megbeszélésen fejezte ki.

Miközben az elemi részecskék viselkedését tanulmányozta egy fekete lyuk közelében, a harminc éves Stephen Hawking 1973-ban Moszkvába látogatott. A fővárosban tudományos beszélgetésen vehetett részt két kiváló szovjet tudóssal, Alekszej Sztarobinszkijjal és Jakov Zeldovicsszal. Miután egy ideig dolgoztak Gribov ötletén, arra a következtetésre jutottak, hogy a fekete lyukak az alagúthatás miatt kisugározhatnak. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a kvantumfizika szempontjából nagy a valószínűsége annak, hogy egy részecske bármilyen akadályt legyőz. A téma iránt érdeklődve Hawking alaposan áttanulmányozta a kérdést, és 1974-ben publikálta munkáját, amely később róla nevezte el az említett sugárzást.

Stephen Hawking némileg másképp írta le a fekete lyukak részecskekibocsátásának folyamatát. Az ilyen sugárzás kiváltó oka az úgynevezett „virtuális részecskék”.

A részecskék közötti kölcsönhatások leírása során a tudósok arra az ötletre jutottak, hogy a köztük lévő kölcsönhatások bizonyos kvantumok (valamilyen fizikai mennyiség „részei”) cseréjén keresztül jönnek létre. Például az elektromágneses kölcsönhatás egy atomban egy elektron és egy proton között fotonok (az elektromágneses kölcsönhatás hordozói) cseréjén keresztül megy végbe.

Ekkor azonban felmerül a következő probléma. Ha ezt az elektront szabad részecskének tekintjük, akkor semmiképpen sem tud egyszerűen fotont kibocsátani vagy elnyelni, az energiamegmaradás elve szerint. Vagyis egyszerűen nem veszíthet vagy nyerhet semmilyen energiát. Aztán a tudósok úgynevezett „virtuális részecskéket” hoztak létre. Ez utóbbiak abban különböznek a valódiaktól, hogy olyan gyorsan születnek és tűnnek el, hogy lehetetlen regisztrálni őket. A virtuális részecskék életük rövid időszaka alatt mindössze annyit tudnak tenni, hogy lendületet adnak át más részecskéknek, anélkül, hogy energiát adnának át.

Így bizonyos fizikai ingadozások (véletlenszerű eltérések a normától) miatt még az üres tér is egyszerűen hemzseg ezektől a virtuális részecskéktől, amelyek folyamatosan születnek és pusztulnak.

Hawking-sugárzás

A szovjet fizikusokkal ellentétben Stephen Hawking sugárzásleírása absztrakt, virtuális részecskéken alapul, amelyek a kvantumtérelmélet szerves részét képezik. Egy brit elméleti fizikus ezeknek a virtuális részecskéknek a fekete lyukból való spontán előbukkanását vizsgálja. Ebben az esetben a fekete lyuk erőteljes gravitációs tere képes a virtuális részecskéket „szétszedni” még azelőtt, hogy megsemmisülnének, ezáltal valódiakká változtatva azokat. Kísérletileg hasonló folyamatokat figyeltek meg a szinkrophasotronoknál, ahol a tudósoknak sikerül szétszedniük ezeket a részecskéket, miközben bizonyos mennyiségű energiát elköltenek.

A fizika szempontjából tömeggel, spinnel, energiával és egyéb jellemzőkkel rendelkező valós részecskék megjelenése az üres térben „a semmiből” ellentmond az energiamegmaradás törvényének, ezért egyszerűen lehetetlen. Ezért a virtuális részecskék valós részecskéivé való „átalakításához” energiára lesz szükség, nem kevesebbre, mint e két részecske össztömege, a jól ismert törvény szerint. Egy fekete lyuk ezt az energiát arra is fordítja, hogy elhúzza a virtuális részecskéket az eseményhorizontban.

A húzási folyamat eredményeként az eseményhorizonthoz közelebb vagy akár alatta elhelyezkedő részecskék egyike valóságossá „változik”, és a fekete lyuk felé irányul. A másik, az ellenkező irányba, szabad utazásra indul a világűrben. Matematikai számítások elvégzése után meggyőződhetünk arról, hogy a fekete lyuk felületére eső részecske által kapott energia (tömeg) ellenére is negatív az az energia, amelyet a fekete lyuk a széthúzási folyamatra fordít. Vagyis végső soron a leírt folyamat eredményeként a fekete lyuk csak egy bizonyos mennyiségű energiát veszített, ami ráadásul pontosan megegyezik a „kint” repülő részecske energiájával (tömegével).

Így a leírt elmélet szerint a fekete lyuk ugyan nem bocsát ki részecskéket, de hozzájárul ehhez a folyamathoz, és ezzel egyenértékű energiát veszít. A tömeg és energia egyenértékűségének Einstein már említett törvényét követve világossá válik, hogy a fekete lyuknak nincs máshonnan energiát vennie, csak a saját tömegéből.

Összefoglalva a fentieket, azt mondhatjuk, hogy a fekete lyuk részecskét bocsát ki, és ugyanakkor veszít egy kis tömegből. Ez utóbbi folyamatot "fekete lyuk párolgásnak" nevezték. A Hawking-sugárzás elmélete alapján sejthető, hogy egy idő után, bár nagyon hosszú (több billió év), a fekete lyukak egyszerűen .

Érdekes tények

• Sokan attól tartanak, hogy fekete lyukak keletkezhetnek a Nagy Hadronütköztetőben (LHC), és esetleg veszélyt jelenthetnek a földiek életére. A fekete lyukak születése az LHC-n csak akkor lehetséges, ha a téridő további dimenziói és erős gravitációs kölcsönhatások jelen vannak kis távolságokon. Az így létrejött mikroszkopikus fekete lyuk azonban a Hawking-sugárzás hatására azonnal elpárolog.
• A Hawking-sugárzás alapján egy egyedi reaktor vagy egy collapsar reaktor is működhet - egy hipotetikus eszköz, amely mikroszkopikus fekete lyukakat hoz létre. A párolgásuk következtében keletkező sugárzási energia lesz a reaktor fő energiaforrása.

Bár a Large Hadron Collider fenyegetően néz ki, a Hawking-sugárzás miatt nem kell félni tőle

• Stephen Hawking a fekete lyuksugárzásról szóló munkájának publikálása után vitatkozott egy másik híres tudóssal, Kip Thorne-nal. A vita tárgya a fekete lyuknak állító tárgy természete volt, az úgynevezett . Bár Hawking munkája a fekete lyukak létezésének feltételezésén alapult, azzal érvelt, hogy a Cygnus X-1 nem fekete lyuk. Figyelemre méltó, hogy a fogadások folyóirat-előfizetések voltak. Thorne ajánlata a Private Eye szatirikus magazin 4 éves előfizetése volt, míg Hawking ajánlata a Penthouse erotikus magazin egyéves előfizetése volt. Stephen a vitában tett kijelentésének logikáját a következőképpen érvelte: „még ha kiderül is, hogy tévedek a fekete lyukak létezésének állításakor, legalább előfizetést nyerek a magazinra”

Hawking és a mikrogravitáció (HányásÜstökös)

Ilyen forgatókönyv esetén a fekete lyukat alkotó vagy beleeső anyaggal kapcsolatos minden egyéb információ (amelyre a "haj" metaforaként használatos) "eltűnik" túl a fekete lyuk eseményhorizontján, és ezért megmarad, de nem lesz hozzáférhető külső szemlélőknek.

1973-ban Hawking Moszkvába utazott, ahol találkozott Jakov Zeldovics és Alekszej Sztarobinszkij szovjet tudósokkal. A munkájukról folytatott megbeszélések során megmutatták neki, hogy a bizonytalanság elvének értelmében a fekete lyukaknak részecskéket kell kibocsátaniuk. Ez megkérdőjelezte a fekete lyukak termodinamikájának Hawking második főtételét (vagyis a fekete lyukak nem lehetnek kisebbek), mivel energiavesztéskor tömegüket kell veszíteniük.

Ezenkívül alátámasztotta Jacob Bekenstein, a John Wheeler Egyetem végzős hallgatójának elméletét, miszerint a fekete lyukaknak véges, nullától eltérő hőmérsékletűnek és entrópiának kell lenniük. Mindez ellentmond a „nincs haj” tételnek. Hawking hamarosan felülvizsgálta tételét, megmutatva, hogy a kvantummechanikai hatások figyelembevételével a fekete lyukak bizonyos hőmérsékletű hősugárzást bocsátanak ki.

1974-ben Hawking bemutatta eredményeit, és kimutatta, hogy a fekete lyukak sugárzást bocsátanak ki. Ez a hatás „Hawking-sugárzás” néven vált ismertté, és kezdetben ellentmondásos volt. De a 70-es évek végére és a további kutatások publikálása után a felfedezést jelentős áttörésként ismerték el az elméleti fizika területén.

Egy ilyen elmélet egyik következménye azonban az volt, hogy a fekete lyukak fokozatosan veszítenek tömegükből és energiájukból. Emiatt azoknak a fekete lyukaknak, amelyek több tömeget veszítenek, mint amennyit nyernek, zsugorodniuk kell, és végül eltűnniük kell – ez a jelenség ma fekete lyuk „párolgásaként” ismert.

1981-ben Hawking azt javasolta, hogy a fekete lyukak információi visszafordíthatatlanul elvesznek, amikor a fekete lyuk elpárolog, ami „fekete lyuk információs paradoxonként” vált ismertté. Azzal érvelt, hogy a fizikai információ örökre eltűnhet egy fekete lyukba, ami lehetővé teszi, hogy sok fizikai állapot egyetlen állapotba kerüljön.

Az elmélet ellentmondásosnak bizonyult, mert megsértette a kvantumfizika két alapelvét. A kvantumfizika azt állítja, hogy a fizikai rendszer teljes információja – anyagának állapota (tömeg, helyzet, spin, hőmérséklet stb.) – a függvény összeomlásáig kódolva van a hullámfüggvényében. Ez pedig két másik elvhez vezet.

Az első, a kvantumdeterminizmus azt állítja, hogy a jelen hullámfüggvényét figyelembe véve a jövőbeli változásokat az evolúciós operátor egyedileg határozza meg. A második - reverzibilitás - azt állítja, hogy az evolúciós operátornak van egy inverz oldala, ami azt jelenti, hogy a múltbeli hullámfüggvények is egyediek. Ezen elvek kombinációja oda vezet, hogy az anyag kvantumállapotára vonatkozó információkat mindig meg kell őrizni.

Hawking a Fehér Házban, hogy átvegye a Szabadságérmet

Hawking azzal a sugallattal, hogy a fekete lyuk elpárolgása után eltűnik az információ, lényegében egy alapvető paradoxont ​​hozott létre. Ha egy fekete lyuk el tud párologni, és ezáltal a kvantumhullámfüggvényről minden információ eltűnik, akkor az információ elvileg örökre elveszhet. Ez a kérdés vita tárgyává vált a tudósok között, és a mai napig gyakorlatilag megválaszolatlan.

2003-ra azonban a fizikusok között konszenzus alakult ki abban, hogy Hawking tévedett a fekete lyukak információvesztésével kapcsolatban. Egy 2004-es dublini előadáson bevallotta, hogy elvesztett egy fogadást a témában John Preskill-lel, a Caltech-től (amit 1997-ben kötött), de leírta saját és némileg ellentmondásos megoldását a paradoxonra: talán a fekete lyukaknak több lehet. mint egy topológia.

Egy 2005-ös, a témában megjelent cikkében, az Információvesztés a fekete lyukakban címmel azzal érvelt, hogy az információs paradoxon magyarázata az univerzumok összes alternatív történetének tanulmányozása, ahol az információvesztést az egyikben fekete lyukak nélkül kompenzálják a másikban. Ennek eredményeként 2014 januárjában Hawking a fekete lyuk információs paradoxont ​​a „legnagyobb hibájának” nevezte.

Hawking és Peter Higgs a nagy hadronütköztetőnél

Stephen Hawking azon túl, hogy az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika segítségével kibővítette a fekete lyukakról és a kozmológiáról alkotott ismereteinket, nagyban hozzájárult a tudomány szélesebb közönséghez való eljuttatásához. Hosszú tudományos pályafutása során számos népszerű könyvet publikált, sokat utazott és tartott előadásokat, szerepelt televíziós műsorokban és filmekben.

Pályafutása során Hawking jeles oktató is lett, személyesen 39 sikeres hallgatót szerzett doktori fokozattal. Neve megmarad a földönkívüli intelligencia kutatásának, a robotika és a mesterséges intelligencia fejlesztésének történetében. 2015. július 20-án Stephen Hawking segített elindítani a Breakthrough Initiatives nevű kezdeményezést, amely földönkívüli élet után kutat az univerzumban.

Stephen Hawking kétségtelenül az egyik leghíresebb ma élő tudós. Az asztrofizikában és a kvantummechanikában végzett munkája áttörést hozott a tér és idő megértésében, és sok vitát váltott ki a tudósok körében. Aligha egyetlen élő tudós is tett ennyit azért, hogy felkeltse a nagyközönség figyelmét a tudományra.

Van valami Hawkingban elődjétől, Albert Einsteintől, egy másik befolyásos és híres tudóstól, aki mindent megtett a tudatlanság elleni küzdelem és a tudomány fejlesztése érdekében. De ami különösen lenyűgöző, az az, hogy Hawking életében (egy bizonyos ponttól kezdve) mindent, amit tett, egy degeneratív betegség elleni makacs harcra törekedett. (Például úgy olvassa el, hogy teljesen mozdulatlan marad.)

Hawking több mint 52 évig élt olyan betegséggel, amelynek az orvosok szerint 2 éven belül az életét kellett volna követelnie. És amikor eljön a nap, amikor Hawking már nincs közöttünk, az idő kétségtelenül Einstein, Newton, Galileo és Curie mellé állítja az emberiség történetének egyik legnagyobb tudósaként.

Korunk legnagyobb kozmológusa és elméleti fizikusa. Az 1942-ben született tudós 20 éves korában egészségügyi problémákkal küzdött. Az amiotrófiás laterális szklerózis nagyon megnehezítette az Oxfordi Elméleti Fizikai Tanszéken való tanulást, de nem akadályozta meg Stephent abban, hogy nagyon aktív, eseménydús életmódot folytasson. 1965-ben megnősült, és 1974-ben a Royal Society of London tagja lett. Ekkor már volt egy lánya és két fia. 1985-ben a tudós abbahagyta a beszédet. Ma már csak az egyik arc tartja meg a mozgást a testében. Teljesen mozdulatlannak és elítéltnek tűnt. 1995-ben azonban újra megnősül, 2007-ben pedig... nulla gravitációban repül.

Nincs olyan ember a Földön, aki megfosztaná a mozgásképességét, és ilyen teljes, hasznos és érdekes életet élne.

De ez még nem minden. Hawking legnagyobb fejlesztése a fekete lyukak elmélete volt. A „Hawking-elmélet”, ahogyan ma nevezik, gyökeresen megváltoztatta a tudósok régóta fennálló felfogását az Univerzum fekete lyukairól.

Az elméleti munka elején a tudós sok kollégájához hasonlóan azzal érvelt, hogy minden, ami beléjük kerül, örökre megsemmisül. Ez az információs paradoxon világszerte kísértette a katonai személyzetet és a tudósokat. Úgy vélték, hogy ezeknek az űrobjektumoknak semmilyen tulajdonságát nem lehet megállapítani, kivéve a tömeget.

Miután 1975-ben tanulmányozta a fekete lyukakat, Hawking megállapította, hogy azok folyamatosan fotonokat és más elemi részecskéket bocsátanak ki az űrbe. Azonban még maga a tudós is biztos volt abban, hogy a „Hawking-sugárzás” véletlenszerű, kiszámíthatatlan. A brit tudós kezdetben úgy gondolta, hogy ez a sugárzás nem hordoz semmilyen információt.

A ragyogó elme tulajdonsága azonban az állandó kételkedés képessége. Hawking folytatta kutatásait, és felfedezte, hogy a fekete lyuk (vagyis a Hawking-sugárzás) elpárologtatása kvantum jellegű. Ez lehetővé tette számára, hogy arra a következtetésre jutott, hogy a Fekete Lyukba eső információk nem semmisülnek meg, hanem megváltoznak. Az az elmélet, hogy a lyuk állapota állandó, helytálló, ha a nem kvantumfizika szemszögéből nézzük.

A kvantumelméletet figyelembe véve a vákuumot „virtuális” részecskék töltik meg, amelyek különböző fizikai mezőket bocsátanak ki. A sugárzás erőssége folyamatosan változik. Amikor nagyon megerősödik, a Fekete Lyuk eseményhorizontján (határán) közvetlenül a vákuumból részecske-antirészecske párok születhetnek. Ha az egyik részecske teljes energiája pozitívnak, a második negatívnak bizonyul, ha egyidejűleg a részecskék egy fekete lyukba estek, akkor másképp kezdenek viselkedni. A negatív antirészecske elkezdi csökkenteni a fekete lyuk nyugalmi energiáját, a pozitív részecske pedig a végtelenbe hajlik.

Kívülről ez a folyamat a fekete lyukból származó párolgásnak tűnik. Ezt hívják „Hawking-sugárzásnak”. A tudós azt találta, hogy a torz információk „elpárolgása” saját hőspektrummal rendelkezik, amely a műszerek számára látható, és egy bizonyos hőmérséklettel rendelkezik.

A Hawking-sugárzás maga a tudós szerint azt jelzi, hogy nem minden információ vész el, és örökre eltűnik a Fekete lyukban. Bízik benne, hogy a kvantumfizika bizonyítja a teljes pusztulás vagy információvesztés lehetetlenségét. Ez azt jelenti, hogy a Hawking-sugárzás tartalmaz ilyen információkat, igaz, módosított formában.

Ha a tudósnak igaza van, akkor a fekete lyukak múltja és jövője ugyanúgy tanulmányozható, mint a többi bolygó története.

Sajnos az a vélemény, hogy a fekete lyukak segítségével időben vagy más univerzumokba utazhatunk. A Hawking-sugárzás jelenléte azt bizonyítja, hogy bármely tárgy, amely egy lyukba esik, megváltozott információ formájában visszatér az Univerzumunkba.

Nem minden tudós osztja a brit fizikusok meggyőződését. Kihívni azonban nem is merik őket. Ma az egész világ várja Hawking új publikációit, amelyekben megígérte, hogy részletesen és végérvényesen megerősíti elméletének objektivitását, amely a tudományos világot felforgatta.

Sőt, a tudósoknak sikerült Hawking-sugárzást elérniük laboratóriumi körülmények között. Ez 2010-ben történt.

Van egy jelenség, amely olyan eltérő jelenségeket tükröz, mint a fekete lyukak és az elemi részecskék kölcsönhatásában. Ez Hawking-sugárzás vagy kvantum...

A Masterwebről

26.06.2018 18:00

Fekete lyukak és elemi részecskék. A modern fizika összekapcsolja ezeknek az objektumoknak a fogalmait, amelyek közül az elsőt Einstein gravitációs elméletének keretein belül írják le, a másodikat pedig a kvantumtérelmélet matematikai konstrukcióiban. Köztudott, hogy ez a két gyönyörű és kísérletileg sokszor megerősített elmélet nem túl „barátságos” egymással. Létezik azonban egy jelenség, amely ilyen eltérő jelenségeket tükröz kölcsönhatásukban. Ez a Hawking-sugárzás vagy a fekete lyukak kvantumpárolgása. Ami? Hogyan működik? Kideríthető? Cikkünkben erről fogunk beszélni.

Fekete lyukak és horizontjaik

Képzeljünk el a tér-idő kontinuum egy tartományát, amelyet egy fizikai test, például egy csillag foglal el. Ha ezt a tartományt a sugár és a tömeg olyan aránya jellemzi, amelyben a kontinuum gravitációs görbülete nem engedi, hogy bármi (még egy fénysugár sem) távozzon onnan, akkor az ilyen régiót fekete lyuknak nevezzük. Bizonyos értelemben valóban egy lyuk, egy rés a kontinuumban, ahogyan a tér kétdimenziós ábrázolását használó illusztrációkon gyakran ábrázolják.

Ebben az esetben azonban nem a lyuk ásító mélysége, hanem a fekete lyuk határa, az úgynevezett eseményhorizont lesz érdekelt. Ha a Hawking-sugárzást vesszük figyelembe, a horizont fontos jellemzője, hogy ezen a felületen való átkelés véglegesen és teljesen elválaszt minden fizikai tárgyat a világűrtől.

A vákuumról és a virtuális részecskékről

A kvantumtérelmélet felfogásában a vákuum egyáltalán nem üresség, hanem egy speciális közeg (pontosabban egy halmazállapot), vagyis olyan mező, amelyben minden kvantumparaméter nullával egyenlő. Egy ilyen mező energiája minimális, de nem szabad megfeledkezni a bizonytalansági elvről. Ezzel teljes összhangban a vákuum spontán fluktuációs aktivitást mutat. Energiarezgésekben fejeződik ki, ami nem sérti a megmaradás törvényét.

Minél magasabb a vákuumenergia-ingadozás csúcsa, annál rövidebb az időtartama. Ha egy ilyen rezgés energiája 2 mc2, ami elegendő egy pár részecske előállításához, akkor azok megjelennek, de azonnal megsemmisülnek anélkül, hogy ideje lenne szétrepülni. Ily módon csillapítják az ingadozást. Az ilyen virtuális részecskék a vákuum energiája miatt születnek, és haláluk után visszaadják ezt az energiát. Létezésüket kísérletileg igazolták, például a híres Kázmér-effektus rögzítésével, amely egy virtuális részecskékből álló gáz nyomását mutatja egy makroobjektumra.

A Hawking-sugárzás megértéséhez fontos, hogy egy ilyen folyamatban a részecskék (legyen szó pozitronnal vagy fotonnal rendelkező elektronokról) szükségszerűen párban születjenek, és a teljes impulzusuk nulla.

Vákuum-ingadozásokkal felvértezve, virtuális párok formájában, megközelítjük a fekete lyuk szélét, és meglátjuk, mi történik ott.

A szakadék szélén

Az eseményhorizont jelenlétének köszönhetően a fekete lyuk képes megzavarni a spontán vákuum-oszcilláció folyamatát. A lyuk felszínén fellépő árapály-erők óriásiak, a gravitációs tér pedig rendkívül inhomogén. Fokozza ennek a jelenségnek a dinamikáját. A részecskepárokat sokkal aktívabban kell létrehozni, mint külső erők hiányában. A fekete lyuk erre a folyamatra fordítja gravitációs energiáját.

Semmi sem akadályozza meg, hogy az egyik részecske „merüljön” az eseményhorizont alá, ha a lendülete ennek megfelelően van irányítva, és a pár születése szinte a horizonton történik (ebben az esetben a lyuk energiát fordít a pár megszakítására). Akkor nem lesz megsemmisülés, és a fürge részecske partnere elrepül a fekete lyukból. Ennek eredményeként a lyuk energiája és így tömege a szökevény tömegével megegyező mértékben csökken. Ezt a „fogyást” fekete lyuk párolgásnak nevezik.

A fekete lyukak sugárzásának leírásakor Hawking virtuális részecskékkel operált. Ez a különbség elmélete és Gribov, Zeldovics és Sztarobinszkij 1973-ban megfogalmazott nézőpontja között. A szovjet fizikusok ezután rámutattak a valós részecskék kvantum-alagútjának lehetőségére az eseményhorizonton keresztül, aminek eredményeként a fekete lyuknak sugárzással kell rendelkezniük.

Mi az a Hawking-sugárzás

A fekete lyukak a tudós elmélete szerint maguk nem bocsátanak ki semmit. A fekete lyukat elhagyó fotonok azonban termikus spektrummal rendelkeznek. A szemlélő számára a részecskék „kiáramlásának” úgy kell tűnnie, mintha a lyuk, mint minden felhevült test, valamilyen sugárzást bocsátana ki, és közben természetesen energiát veszítene. Akár a Hawking-sugárzással összehasonlítható hőmérsékletet is kiszámíthatja a PM=(h∙c3)/(16п2∙k∙G∙M) képlettel, ahol h Planck-állandó (nincs megadva!), c a fénysebesség, k a Boltzmann-állandó, G a gravitációs állandó, M a fekete lyuk tömege. Ez a hőmérséklet hozzávetőlegesen 6,169∙10-8 K∙(M0/M) lesz, ahol M0 a Nap tömege. Kiderült, hogy minél tömegesebb a fekete lyuk, annál alacsonyabb a sugárzásnak megfelelő hőmérséklet.

De a fekete lyuk nem csillag. Energiát veszít, nem hűl le. Oda-vissza! Ahogy a tömeg csökken, a lyuk „forróbbá” válik. A tömegvesztés a sugár csökkenését is jelenti. Ennek eredményeként a párolgás növekvő intenzitással megy végbe. Ebből következik, hogy a kis lyukaknak robbanással kell befejezniük párolgásukat. Igaz, egyelőre az ilyen mikrolyukak létezése hipotetikus marad.

A Hawking-folyamatnak létezik egy alternatív leírása, amely az Unruh-effektuson alapul (szintén hipotetikus), amely előrejelzi a hősugárzás regisztrálását egy gyorsuló megfigyelő által. Ha egy inerciális referenciakerethez csatlakozik, akkor nem érzékel sugárzást. A megfigyelő számára a felgyorsult összeomló objektum körüli vákuum is megtelik termikus jellemzőkkel rendelkező sugárzással.

Információs probléma

A Hawking-féle sugárzáselmélet által előidézett probléma a fekete lyuk úgynevezett „nincs haj” tételének köszönhető. Lényege röviden a következő: a lyuk teljesen közömbös attól, hogy az eseményhorizonton túlra esett tárgy milyen tulajdonságokkal rendelkezett. Az egyetlen dolog, ami számít, az a tömeg, amellyel a lyuk nőtt. A beleesett test paramétereiről szóló információkat a belső tárolja, bár a megfigyelő számára hozzáférhetetlen. És Hawking elmélete azt mondja, hogy a fekete lyukak, mint kiderült, nem örökkévalók. Kiderül, hogy a lyukakkal együtt a bennük tárolt információ is eltűnik. A fizikusok számára ez a helyzet nem jó, mert teljesen értelmetlen valószínűségekhez vezet az egyes folyamatok számára.

A közelmúltban pozitív fejlemények történtek ennek a paradoxonnak a feloldásában, többek között maga Hawking részvétele is. 2015-ben elhangzott, hogy a vákuum speciális tulajdonságainak köszönhetően egy lyuk sugárzásának végtelen számú paraméterét lehet azonosítani, azaz információt „kihúzni” onnan.

Regisztrációs probléma

Az ilyen paradoxonok feloldásának nehézségét nehezíti, hogy a Hawking-sugárzás nem észlelhető. Vessünk még egy pillantást a fenti képletre. Megmutatja, milyen hidegek a fekete lyukak – a Kelvin százmilliomod része a naptömegű és három kilométeres sugarú lyukak esetében! Létezésük erősen kétséges.

Van azonban remény mikroszkopikus (forró, reliktum) fekete lyukakra. De eddig senki sem figyelte meg ezeket az elméletileg megjósolt tanúkat az Univerzum legkorábbi korszakairól.

Végül hozzá kell tennünk egy kis optimizmust. 2016-ban egy üzenet jelent meg a kvantum Hawking-sugárzás analógjának felfedezéséről az eseményhorizont akusztikus modelljében. Az analógia is az Unruh-effektuson alapul. Habár alkalmazhatósága korlátozott, például nem teszi lehetővé az információk eltűnésének tanulmányozását, van remény arra, hogy az ilyen kutatások hozzájáruljanak a fekete lyukak új elméletének megalkotásához, amely figyelembe veszi a kvantumjelenségeket.

Kievyan Street, 16 0016 Örményország, Jereván +374 11 233 255

Főleg fotonok, fekete lyuk. Az energia és a "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">az energia megmaradás törvénye, és ez a folyamat a fekete lyuk tömegének csökkenésével, azaz „elpárolgásával” jár együtt. Elméletileg Stephen Hawking jósolta 1973-ban. Hawking munkája 1973-as moszkvai látogatása előzte meg, ahol találkozott Jakov Zeldovics és Alekszandr Sztarobinszkij szovjet tudósokkal, akik megmutatták Hawkingnak, hogy a kvantummechanika bizonytalansági elve szerint a forgó fekete lyukaknak részecskéket kell generálniuk és kibocsátani.

A fekete lyuk párolgása tisztán kvantumfolyamat. Az a tény, hogy a fekete lyuk fogalma, mint olyan tárgy, amely nem bocsát ki semmit, hanem csak anyagot tud elnyelni, mindaddig érvényes, amíg a kvantumhatásokat nem veszik figyelembe. A kvantummechanikában az alagútépítésnek köszönhetően lehetővé válik a nem kvantumrendszerek számára leküzdhetetlen potenciális akadályok leküzdése.

Egy fekete lyuk esetében a helyzet így néz ki. A kvantumtérelméletben a fizikai vákuumot különféle mezők (mondhatnánk „virtuális részecskék”) folyamatosan megjelenő és eltűnő fluktuációi töltik ki. A külső erők terén ezeknek az ingadozásoknak a dinamikája megváltozik, és ha az erők elég erősek, akkor közvetlenül a vákuumból részecske-antirészecske párok születhetnek. Ilyen folyamatok a fekete lyuk eseményhorizontjának közelében (de még mindig azon kívül) is előfordulnak. Ebben az esetben lehetséges olyan eset, amikor az antirészecske összenergiája i negatívnak, a részecske összenergiája pedig pozitívnak bizonyul. A fekete lyukba esve egy antirészecske csökkenti teljes nyugalmi energiáját, így tömegét, miközben a részecske a végtelenségig képes elrepülni. Egy távoli szemlélő számára ez egy fekete lyuk sugárzásának tűnik.

Nem csak a sugárzás ténye fontos, hanem az is, hogy ennek a sugárzásnak van termikus spektruma. Ez azt jelenti, hogy a fekete lyuk eseményhorizontjához közeli sugárzás egy bizonyos hőmérséklethez köthető

hol van Planck állandója, c- fénysebesség vákuumban, k- Boltzmann állandó, G- gravitációs állandó, és végül M- a fekete lyuk tömege. Az elmélet kidolgozásával meg lehet alkotni a fekete lyukak teljes termodinamikáját.

Ez a fekete lyuk megközelítése azonban ütközik a kvantummechanikával, és az információ eltűnésének problémájához vezet egy fekete lyukban.

A hatást megfigyelések még nem erősítették meg. Az általános relativitáselmélet szerint az Univerzum kialakulása során ősfekete lyukaknak kellett volna megszületniük, amelyek egy részének (10 12 kg kezdeti tömegű) korunkban be kell fejeződnie. Mivel a párolgási sebesség a fekete lyuk méretének csökkenésével növekszik, a végső szakasznak lényegében a fekete lyuk felrobbanásának kell lennie. Eddig nem jegyeztek fel ilyen robbanásokat.

Kísérleti megerősítés

A Milánói Egyetem kutatói azt állítják, hogy meg tudták figyelni a Hawking-sugárzás hatását, létrehozva a fekete lyuk antipódját - az úgynevezett fehér lyukat. Ellentétben a fehér lyukkal, amely kívülről „beszív” minden anyagot és sugárzást, a fehér lyuk teljesen leállítja a bejutó fényt, így határt, eseményhorizontot hoz létre. A kísérletben a fehér lyuk szerepét egy bizonyos szerkezetű, különleges körülmények közé helyezett kvarckristály töltötte be, amelyben a fény fotonjai teljesen leálltak. A fent említett kristály infravörös lézerfénnyel való megvilágításával a tudósok felfedezték és megerősítették a reemissziós hatás, a Hawking-sugárzás létezését.

Jeff Steinhauer fizikus, a haifai Israel Institute of Technology munkatársa még 1974-ben észlelte a Stephen Hawking által megjósolt sugárzást. A tudós létrehozta a fekete lyuk akusztikus analógját, és kísérletekkel kimutatta, hogy kvantum jellegű sugárzás árad belőle. A cikk a Nature Physics folyóiratban jelent meg, a BBC News pedig röviden beszámolt a tanulmányról.
...Ezt a sugárzást egy igazi fekete lyukból még nem lehet kimutatni, mivel az túl gyenge. Ezért Steinhauer analógját használta - az úgynevezett „vaklyukat”. Egy fekete lyuk eseményhorizontjának modellezéséhez rubídium atomokból álló Bose-Einstein kondenzátumot vett az abszolút nullához közeli hőmérsékletre hűtve.
A hang terjedési sebessége nagyon alacsony - körülbelül 0,5 mm / s. És ha létrehoz egy határt, amelynek egyik oldalán az atomok szubszonikus sebességgel mozognak, a másikon pedig szuperszonikus sebességre gyorsulnak, akkor ez a határ hasonló lesz egy fekete lyuk eseményhorizontjához. A kísérlet során atomi kvantumokat - jelen esetben fononokat - egy területen szuperszonikus sebességgel fogtak be. A fononpárok szétváltak, az egyik az egyik régióban volt, a második pedig egy másikban. A tudós által feljegyzett összefüggések azt mutatják, hogy a részecskék kvantum-összefonódnak.