Radiasi Hawking: tidak ada lagi misteri. Radiasi Hawking: konsep, karakteristik dan masalah teori partikel Hawking

Radiasi Hawking adalah proses emisi berbagai partikel elementer, yang secara teoritis dijelaskan oleh ilmuwan Inggris Stephen Hawking pada tahun 1974.

Jauh sebelum karya Stephen Hawking diterbitkan, kemungkinan radiasi partikel dari lubang hitam telah diungkapkan oleh fisikawan teoretis Soviet Vladimir Gribov dalam diskusi dengan ilmuwan lain, Yakov Zeldovich.

Saat mempelajari perilaku partikel elementer di dekat lubang hitam, Stephen Hawking yang berusia tiga puluh tahun mengunjungi Moskow pada tahun 1973. Di ibu kota, ia sempat mengikuti diskusi ilmiah dengan dua ilmuwan Soviet terkemuka, Alexei Starobinsky dan Yakov Zeldovich. Setelah mengerjakan ide Gribov selama beberapa waktu, mereka sampai pada kesimpulan bahwa lubang hitam dapat memancar akibat efek terowongan. Yang terakhir berarti bahwa ada kemungkinan bahwa sebuah partikel dapat mengatasi hambatan apa pun, dari sudut pandang fisika kuantum. Karena tertarik dengan topik ini, Hawking mempelajari masalah ini secara mendetail dan pada tahun 1974 menerbitkan karyanya, yang kemudian menamai radiasi tersebut dengan namanya.

Stephen Hawking menggambarkan proses emisi partikel dari lubang hitam dengan cara yang agak berbeda. Akar penyebab radiasi tersebut adalah apa yang disebut “partikel virtual”.

Dalam proses mendeskripsikan interaksi antar partikel, para ilmuwan sampai pada gagasan bahwa interaksi antar partikel terjadi melalui pertukaran kuanta tertentu (“bagian” dari kuantitas fisik tertentu). Misalnya, interaksi elektromagnetik dalam atom antara elektron dan proton terjadi melalui pertukaran foton (pembawa interaksi elektromagnetik).

Namun, kemudian timbul masalah berikutnya. Jika kita menganggap elektron ini sebagai partikel bebas, maka ia tidak dapat memancarkan atau menyerap foton begitu saja, sesuai dengan prinsip kekekalan energi. Artinya, dia tidak bisa begitu saja kehilangan atau memperoleh energi dalam jumlah berapa pun. Kemudian para ilmuwan menciptakan apa yang disebut “partikel virtual”. Yang terakhir ini berbeda dari yang asli karena mereka lahir dan menghilang begitu cepat sehingga tidak mungkin untuk didaftarkan. Yang dapat dilakukan oleh partikel maya dalam waktu singkat dalam hidupnya adalah mentransfer momentum ke partikel lain, tanpa mentransfer energi.

Jadi, bahkan ruang kosong, karena beberapa fluktuasi fisik (penyimpangan acak dari norma), dipenuhi dengan partikel virtual yang terus-menerus dilahirkan dan dihancurkan.

Radiasi Hawking

Berbeda dengan fisikawan Soviet, deskripsi radiasi Stephen Hawking didasarkan pada partikel virtual abstrak yang merupakan bagian integral dari teori medan kuantum. Seorang ahli fisika teoretis Inggris sedang mengamati kemunculan spontan partikel-partikel virtual ini dari lubang hitam. Dalam hal ini, medan gravitasi lubang hitam yang kuat mampu “memisahkan” partikel virtual bahkan sebelum mereka dihancurkan, sehingga mengubahnya menjadi partikel nyata. Proses serupa diamati secara eksperimental di sinkrofasotron, di mana para ilmuwan berhasil memisahkan partikel-partikel ini, sambil mengeluarkan sejumlah energi.

Dari sudut pandang fisika, kemunculan partikel nyata dengan massa, putaran, energi, dan karakteristik lain di ruang kosong “dari ketiadaan” bertentangan dengan hukum kekekalan energi, dan oleh karena itu mustahil. Oleh karena itu, untuk “mengubah” partikel maya menjadi partikel nyata, diperlukan energi, tidak kurang dari massa total kedua partikel tersebut, menurut hukum yang terkenal. Lubang hitam juga mengeluarkan sejumlah energi untuk menarik partikel virtual di cakrawala peristiwa.

Akibat proses tarikan tersebut, salah satu partikel yang terletak lebih dekat atau bahkan di bawahnya atau bahkan di bawahnya, “berubah” menjadi partikel nyata dan diarahkan menuju lubang hitam. Yang lainnya, dalam arah yang berlawanan, memulai perjalanan bebas melintasi luar angkasa. Setelah melakukan perhitungan matematis, kita dapat yakin bahwa meskipun energi (massa) yang diterima dari sebuah partikel yang jatuh ke permukaan lubang hitam, energi yang dikeluarkan oleh lubang hitam dalam proses pemisahannya adalah negatif. Artinya, pada akhirnya, sebagai hasil dari proses yang dijelaskan, lubang hitam hanya kehilangan sejumlah energi, yang bahkan sama persis dengan energi (massa) yang dimiliki oleh partikel yang terbang “ke luar”.

Jadi, menurut teori yang dijelaskan, meskipun lubang hitam tidak mengeluarkan partikel apa pun, ia berkontribusi pada proses ini dan kehilangan energi yang setara. Mengikuti hukum kesetaraan massa dan energi yang telah disebutkan Einstein, menjadi jelas bahwa lubang hitam tidak punya tempat untuk mengambil energi kecuali dari massanya sendiri.

Untuk meringkas semua hal di atas, kita dapat mengatakan bahwa lubang hitam memancarkan sebuah partikel dan pada saat yang sama kehilangan sebagian massanya. Proses terakhir ini disebut "penguapan lubang hitam". Berdasarkan teori radiasi Hawking, orang dapat menebak bahwa setelah beberapa waktu, meskipun sangat lama (triliunan tahun), lubang hitam akan menjadi .

Fakta Menarik

• Banyak orang khawatir lubang hitam bisa terbentuk di Large Hadron Collider (LHC), dan mungkin menimbulkan ancaman bagi kehidupan manusia. Kelahiran lubang hitam di LHC hanya mungkin terjadi jika adanya dimensi tambahan ruang-waktu dan adanya interaksi gravitasi yang kuat pada jarak pendek. Namun, lubang hitam mikroskopis yang terbentuk dengan cara ini akan langsung menguap akibat radiasi Hawking.
• Berdasarkan radiasi Hawking, reaktor tunggal atau reaktor collapsar dapat beroperasi - sebuah perangkat hipotetis yang menghasilkan lubang hitam mikroskopis. Energi radiasi yang dihasilkan akibat penguapannya akan menjadi sumber energi utama reaktor.

Meski Large Hadron Collider terlihat mengancam, namun tidak ada yang perlu ditakutkan karena radiasi Hawking

• Setelah mempublikasikan karyanya tentang radiasi lubang hitam, Stephen Hawking berdebat dengan ilmuwan terkenal lainnya, Kip Thorne. Subjek yang diperdebatkan adalah sifat dari objek yang diklaim sebagai lubang hitam yang disebut . Meski penelitian Hawking didasarkan pada asumsi keberadaan lubang hitam, ia berpendapat bahwa Cygnus X-1 bukanlah lubang hitam. Patut dicatat bahwa taruhannya adalah berlangganan majalah. Tawaran Thorne adalah berlangganan majalah satir Private Eye selama 4 tahun, sedangkan tawaran Hawking adalah berlangganan majalah erotis Penthouse selama satu tahun. Stephen mengemukakan logika pernyataannya dalam perselisihan tersebut sebagai berikut: “walaupun ternyata saya salah dalam menyatakan keberadaan lubang hitam, setidaknya saya akan memenangkan langganan majalah tersebut”

Hawking dan gayaberat mikro (MuntahKomet)

Dalam skenario seperti itu, semua informasi lain tentang materi yang membentuk atau jatuh ke dalam lubang hitam (yang metaforanya adalah "rambut") "menghilang" di luar cakrawala peristiwa lubang hitam dan karenanya terpelihara tetapi tidak akan dapat diakses. kepada pengamat luar.

Pada tahun 1973, Hawking melakukan perjalanan ke Moskow dan bertemu dengan ilmuwan Soviet Yakov Zeldovich dan Alexei Starobinsky. Dalam diskusi dengan mereka tentang pekerjaan mereka, mereka menunjukkan kepadanya bagaimana prinsip ketidakpastian berarti bahwa lubang hitam harus mengeluarkan partikel. Hal ini mempertanyakan hukum kedua termodinamika lubang hitam Hawking (yaitu, lubang hitam tidak bisa mengecil), karena mereka harus kehilangan massa seiring dengan kehilangan energi.

Selain itu, hal ini mendukung teori yang dikemukakan oleh Jacob Bekenstein, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas John Wheeler, bahwa lubang hitam harus memiliki suhu dan entropi yang terbatas dan tidak nol. Semua ini bertentangan dengan “teorema tanpa rambut”. Hawking segera merevisi teoremanya, menunjukkan bahwa ketika efek mekanika kuantum diperhitungkan, lubang hitam ditemukan memancarkan radiasi termal pada suhu tertentu.

Pada tahun 1974, Hawking mempresentasikan temuannya dan menunjukkan bahwa lubang hitam memancarkan radiasi. Efek ini dikenal sebagai "radiasi Hawking" dan awalnya kontroversial. Namun pada akhir tahun 70-an dan setelah publikasi penelitian lebih lanjut, penemuan tersebut diakui sebagai terobosan signifikan dalam bidang fisika teoretis.

Namun, salah satu konsekuensi dari teori tersebut adalah lubang hitam secara bertahap kehilangan massa dan energinya. Oleh karena itu, lubang hitam yang kehilangan massa lebih banyak daripada perolehannya akan menyusut dan akhirnya menghilang - sebuah fenomena yang sekarang dikenal sebagai "penguapan" lubang hitam.

Pada tahun 1981, Hawking mengusulkan bahwa informasi di dalam lubang hitam akan hilang secara permanen ketika lubang hitam tersebut menguap, yang kemudian dikenal sebagai "paradoks informasi lubang hitam". Dia berpendapat bahwa informasi fisik bisa hilang selamanya ke dalam lubang hitam, memungkinkan banyak keadaan fisik berkumpul pada satu lubang hitam.

Teori tersebut ternyata kontroversial karena melanggar dua prinsip dasar fisika kuantum. Fisika kuantum menyatakan bahwa informasi lengkap sistem fisik—keadaan materinya (massa, posisi, putaran, suhu, dll.)—dikodekan dalam fungsi gelombangnya hingga fungsi tersebut runtuh. Hal ini pada gilirannya mengarah pada dua prinsip lainnya.

Yang pertama, determinisme kuantum, menyatakan bahwa – mengingat fungsi gelombang saat ini – perubahan di masa depan ditentukan secara unik oleh operator evolusi. Yang kedua - reversibilitas - menyatakan bahwa operator evolusi memiliki sisi terbalik, yang berarti fungsi gelombang masa lalu juga unik. Kombinasi prinsip-prinsip ini mengarah pada fakta bahwa informasi tentang keadaan kuantum materi harus selalu dijaga.

Hawking di Gedung Putih untuk menerima Medal of Freedom

Dengan menyatakan bahwa informasi menghilang setelah lubang hitam menguap, Hawking pada dasarnya menciptakan paradoks mendasar. Jika lubang hitam dapat menguap sehingga menyebabkan hilangnya semua informasi tentang fungsi gelombang kuantum, maka pada prinsipnya informasi tersebut dapat hilang selamanya. Pertanyaan ini telah menjadi bahan perdebatan di kalangan ilmuwan dan masih belum terselesaikan hingga saat ini.

Namun pada tahun 2003, terdapat konsensus di kalangan fisikawan bahwa Hawking salah mengenai hilangnya informasi di lubang hitam. Pada sebuah kuliah di Dublin pada tahun 2004, dia mengakui bahwa dia telah kalah taruhan mengenai topik tersebut dengan John Preskill dari Caltech (yang dia buat pada tahun 1997), namun menjelaskan solusinya sendiri yang agak kontroversial terhadap paradoks tersebut: mungkin lubang hitam dapat memiliki lebih banyak hal. dari satu topologi.

Dalam makalah tahun 2005 yang ia terbitkan dengan topik, Kehilangan Informasi di Lubang Hitam, ia berpendapat bahwa paradoks informasi dapat dijelaskan dengan mempelajari semua sejarah alternatif alam semesta, di mana hilangnya informasi di alam semesta yang memiliki lubang hitam dikompensasikan di alam semesta lain yang tidak memiliki lubang hitam. Akibatnya, pada bulan Januari 2014, Hawking menyebut paradoks informasi lubang hitam sebagai “kesalahan terbesarnya”.

Hawking dan Peter Higgs di Large Hadron Collider

Selain memperluas pemahaman kita tentang lubang hitam dan kosmologi menggunakan relativitas umum dan mekanika kuantum, Stephen Hawking juga berperan penting dalam membawa sains ke khalayak yang lebih luas. Selama karir ilmiahnya yang panjang, ia juga menerbitkan banyak buku populer, bepergian dan memberi kuliah secara luas, serta tampil di acara televisi dan film.

Selama karirnya, Hawking juga menjadi seorang pendidik terkemuka, secara pribadi meluluskan 39 siswa sukses dengan gelar doktor. Namanya akan tetap tercatat dalam sejarah pencarian kecerdasan luar angkasa, serta perkembangan robotika dan kecerdasan buatan. Pada tanggal 20 Juli 2015, Stephen Hawking membantu meluncurkan Inisiatif Terobosan, sebuah inisiatif untuk mencari kehidupan di luar bumi di Alam Semesta.

Tidak diragukan lagi, Stephen Hawking adalah salah satu ilmuwan paling terkenal yang hidup saat ini. Karyanya di bidang astrofisika dan mekanika kuantum membawa terobosan dalam pemahaman kita tentang ruang dan waktu, dan juga menimbulkan banyak kontroversi di kalangan ilmuwan. Hampir tidak ada ilmuwan yang telah berbuat begitu banyak untuk menarik perhatian masyarakat umum terhadap sains.

Ada sesuatu dalam diri Hawking dari pendahulunya Albert Einstein, ilmuwan berpengaruh dan terkenal lainnya yang melakukan segalanya untuk melawan ketidaktahuan dan mengembangkan ilmu pengetahuan. Namun yang paling mengesankan adalah bahwa semua yang dilakukan Hawking dalam hidupnya (sejak titik tertentu) adalah upayanya untuk berjuang keras melawan penyakit degeneratif. (Baca, misalnya, sambil tetap tidak bergerak.)

Hawking hidup selama lebih dari 52 tahun dengan penyakit yang, menurut dokter, seharusnya merenggut nyawanya dalam waktu 2 tahun. Dan ketika saatnya tiba ketika Hawking tidak lagi bersama kita, waktu pasti akan menempatkannya bersama orang-orang seperti Einstein, Newton, Galileo, dan Curie sebagai salah satu ilmuwan terhebat dalam sejarah manusia.

Kosmolog dan fisikawan teoretis terhebat di zaman kita. Lahir pada tahun 1942, calon ilmuwan ini mulai mengalami gangguan kesehatan pada usia 20 tahun. Sklerosis lateral amiotrofik mempersulit studinya di Departemen Fisika Teoritis di Oxford, tetapi tidak menghalangi Stephen untuk menjalani gaya hidup yang sangat aktif dan penuh peristiwa. Ia menikah pada tahun 1965 dan menjadi Anggota Royal Society of London pada tahun 1974. Saat ini ia telah memiliki seorang putri dan dua putra. Pada tahun 1985, ilmuwan tersebut berhenti berbicara. Saat ini, hanya satu pipi yang mempertahankan mobilitas di tubuhnya. Tampaknya ia benar-benar tidak bergerak dan terkutuk. Namun, pada tahun 1995 dia menikah lagi, dan pada tahun 2007... dia terbang dalam gravitasi nol.

Tidak ada orang di dunia ini yang tidak memiliki mobilitas dan menjalani kehidupan yang penuh, bermanfaat, dan menarik.

Tapi bukan itu saja. Perkembangan terbesar Hawking adalah teori lubang hitam. “Teori Hawking,” demikian sebutannya sekarang, secara radikal mengubah pemahaman lama para ilmuwan tentang Lubang Hitam di Alam Semesta.

Pada awal pengerjaan teorinya, ilmuwan tersebut, seperti banyak rekannya, berpendapat bahwa segala sesuatu yang masuk ke dalamnya akan hancur selamanya. Paradoks informasi ini menghantui personel militer dan ilmuwan di seluruh dunia. Diyakini bahwa mustahil untuk menetapkan sifat apa pun dari benda-benda luar angkasa ini, kecuali massa.

Setelah mempelajari lubang hitam pada tahun 1975, Hawking menemukan bahwa mereka terus-menerus memancarkan aliran foton dan beberapa partikel elementer lainnya ke luar angkasa. Namun, bahkan ilmuwannya sendiri yakin bahwa “radiasi Hawking” itu acak dan tidak dapat diprediksi. Ilmuwan Inggris awalnya mengira bahwa radiasi ini tidak membawa informasi apapun.

Namun, ciri dari pikiran yang cemerlang adalah kemampuan untuk terus-menerus ragu. Hawking melanjutkan penelitiannya dan menemukan bahwa penguapan Lubang Hitam (yaitu radiasi Hawking) bersifat kuantum. Hal ini memungkinkan dia untuk menyimpulkan bahwa informasi yang jatuh ke dalam Lubang Hitam tidak dihancurkan, tetapi diubah. Teori yang menyatakan keadaan lubang adalah konstan memang benar jika dilihat dari sudut pandang fisika non-kuantum.

Dengan mempertimbangkan teori kuantum, ruang hampa diisi dengan partikel “virtual” yang memancarkan medan fisik berbeda. Kekuatan radiasi berubah secara konstan. Ketika menjadi sangat kuat, pasangan partikel-antipartikel dapat lahir langsung dari ruang hampa di cakrawala peristiwa (batas) Lubang Hitam. Jika energi total satu partikel ternyata positif, dan energi kedua negatif, jika pada saat yang sama partikel-partikel tersebut jatuh ke dalam Lubang Hitam, maka mereka mulai berperilaku berbeda. Antipartikel negatif mulai mengurangi energi sisa Lubang Hitam, dan partikel positif cenderung tak terhingga.

Dari luar, proses ini tampak seperti penguapan yang berasal dari Lubang Hitam. Inilah yang disebut dengan “radiasi Hawking”. Ilmuwan menemukan bahwa “penguapan” informasi yang terdistorsi ini memiliki spektrum termalnya sendiri, terlihat oleh instrumen, dan suhu tertentu.

Radiasi Hawking, menurut ilmuwan itu sendiri, menunjukkan bahwa tidak semua informasi hilang dan hilang selamanya di Lubang Hitam. Ia yakin bahwa fisika kuantum membuktikan ketidakmungkinan kehancuran total atau hilangnya informasi. Artinya radiasi Hawking mengandung informasi tersebut, meskipun dalam bentuk yang dimodifikasi.

Jika ilmuwan tersebut benar, maka masa lalu dan masa depan Lubang Hitam dapat dipelajari dengan cara yang sama seperti sejarah planet lain.

Sayangnya, ada pendapat tentang kemungkinan perjalanan melintasi waktu atau ke alam semesta lain menggunakan Lubang Hitam. Kehadiran radiasi Hawking membuktikan bahwa benda apa pun yang jatuh ke dalam lubang akan kembali ke alam semesta kita dalam bentuk informasi yang diubah.

Tidak semua ilmuwan memiliki keyakinan yang sama dengan fisikawan Inggris. Namun, mereka juga tidak berani menantangnya. Saat ini seluruh dunia sedang menunggu publikasi baru Hawking, di mana ia berjanji untuk mengkonfirmasi secara rinci dan meyakinkan objektivitas teorinya, yang menjungkirbalikkan dunia ilmiah.

Apalagi para ilmuwan berhasil memperoleh radiasi Hawking dalam kondisi laboratorium. Ini terjadi pada tahun 2010.

Ada fenomena yang mencerminkan fenomena berbeda seperti lubang hitam dan partikel elementer dalam interaksinya. Apakah ini radiasi Hawking atau kuantum...

Dari Masterweb

26.06.2018 18:00

Lubang hitam dan partikel elementer. Fisika modern menyatukan konsep-konsep objek-objek ini, yang pertama dijelaskan dalam kerangka teori gravitasi Einstein, dan yang kedua - dalam konstruksi matematika teori medan kuantum. Diketahui bahwa kedua teori eksperimental yang indah dan berkali-kali dikonfirmasi ini tidak terlalu “bersahabat” satu sama lain. Namun, ada fenomena yang mencerminkan fenomena berbeda dalam interaksinya. Ini adalah radiasi Hawking atau penguapan kuantum lubang hitam. Apa itu? Bagaimana cara kerjanya? Bisakah itu dideteksi? Kami akan membicarakan hal ini di artikel kami.

Lubang hitam dan cakrawalanya

Mari kita bayangkan suatu wilayah kontinum ruang-waktu yang ditempati oleh benda fisik, misalnya bintang. Jika wilayah ini dicirikan oleh rasio jari-jari dan massa sedemikian rupa sehingga kelengkungan gravitasi kontinum tidak memungkinkan apa pun (bahkan seberkas cahaya pun) meninggalkannya, maka wilayah tersebut disebut lubang hitam. Dalam arti tertentu, ini sebenarnya adalah sebuah lubang, sebuah celah dalam sebuah kontinum, seperti yang sering digambarkan dalam ilustrasi menggunakan representasi ruang dua dimensi.

Namun, dalam hal ini kita tidak akan tertarik pada kedalaman lubang ini, tetapi pada batas lubang hitam, yang disebut cakrawala peristiwa. Saat mempertimbangkan radiasi Hawking, ciri penting cakrawala adalah melintasi permukaan ini secara permanen dan sepenuhnya memisahkan objek fisik apa pun dari luar angkasa.

Tentang ruang hampa dan partikel maya

Dalam pemahaman teori medan kuantum, vakum bukanlah kekosongan sama sekali, melainkan media khusus (lebih tepatnya, keadaan materi), yaitu medan di mana semua parameter kuantum sama dengan nol. Energi medan seperti itu minimal, tapi kita tidak boleh melupakan prinsip ketidakpastian. Sesuai dengan itu, ruang hampa menunjukkan aktivitas fluktuasi spontan. Hal ini dinyatakan dalam getaran energi, yang tidak melanggar hukum kekekalan.

Semakin tinggi puncak fluktuasi energi vakum, semakin pendek durasinya. Jika getaran tersebut mempunyai energi sebesar 2mc2, cukup untuk menghasilkan sepasang partikel, maka partikel-partikel tersebut akan muncul, namun akan segera musnah tanpa sempat terbang terpisah. Dengan cara ini mereka akan meredam fluktuasi. Partikel maya tersebut lahir karena energi ruang hampa dan mengembalikan energi ini ke sana setelah kematiannya. Keberadaan mereka telah dikonfirmasi secara eksperimental, misalnya dengan merekam efek Casimir yang terkenal, yang menunjukkan tekanan gas partikel virtual pada objek makro.

Untuk memahami radiasi Hawking, penting bahwa partikel-partikel dalam proses tersebut (baik elektron dengan positron atau foton) harus dilahirkan berpasangan, dan momentum totalnya adalah nol.

Berbekal fluktuasi vakum berupa pasangan virtual, kita akan mendekati tepi lubang hitam dan melihat apa yang terjadi di sana.

Di tepi jurang

Berkat kehadiran event horizon, lubang hitam mampu mengganggu proses osilasi vakum spontan. Gaya pasang surut di permukaan lubang sangat besar, dan medan gravitasi di sini sangat tidak homogen. Hal ini meningkatkan dinamika fenomena ini. Pasangan partikel harus diciptakan jauh lebih aktif dibandingkan tanpa adanya gaya eksternal. Lubang hitam mengeluarkan energi gravitasinya untuk proses ini.

Tidak ada yang mencegah salah satu partikel untuk “menyelam” di bawah cakrawala peristiwa jika momentumnya diarahkan sesuai dan kelahiran pasangan terjadi hampir di cakrawala (dalam hal ini, lubang menghabiskan energi untuk memutus pasangan). Maka tidak akan terjadi pemusnahan, dan pasangan partikel gesit itu akan terbang menjauh dari lubang hitam. Akibatnya, energi dan massa lubang berkurang dengan jumlah yang sama dengan massa buronan. “Penurunan berat badan” ini disebut penguapan lubang hitam.

Saat mendeskripsikan radiasi lubang hitam, Hawking beroperasi dengan partikel virtual. Inilah perbedaan antara teorinya dan sudut pandang Gribov, Zeldovich dan Starobinsky, yang diungkapkan pada tahun 1973. Fisikawan Soviet kemudian menunjukkan kemungkinan terowongan kuantum partikel nyata melalui cakrawala peristiwa, sebagai akibatnya lubang hitam seharusnya memiliki radiasi.

Apa itu radiasi Hawking

Lubang hitam, menurut teori ilmuwan, tidak mengeluarkan apa pun. Namun, foton yang meninggalkan lubang hitam memiliki spektrum termal. Bagi seorang pengamat, “aliran keluar” partikel ini akan terlihat seolah-olah lubang tersebut, seperti benda apa pun yang dipanaskan, memancarkan semacam radiasi, dan secara alami kehilangan energi dalam prosesnya. Anda bahkan dapat menghitung suhu yang sebanding dengan radiasi Hawking menggunakan rumus PM=(h∙c3)/(16п2∙k∙G∙M), dengan h adalah konstanta Planck (tidak diberikan!), c adalah kecepatan cahaya, k adalah konstanta Boltzmann, G adalah konstanta gravitasi, M adalah massa lubang hitam. Kira-kira suhu ini akan sama dengan 6,169∙10-8 K∙(M0/M), dengan M0 adalah massa Matahari. Ternyata semakin masif lubang hitam, semakin rendah suhu radiasinya.

Namun lubang hitam bukanlah sebuah bintang. Kehilangan energi, tidak menjadi dingin. Dan sebaliknya! Ketika massa berkurang, lubang menjadi “lebih panas.” Hilangnya massa juga berarti berkurangnya radius. Akibatnya, penguapan terjadi dengan intensitas yang semakin meningkat. Oleh karena itu, lubang-lubang kecil harus menyelesaikan penguapannya dengan sebuah ledakan. Benar, untuk saat ini keberadaan lubang mikro tersebut masih bersifat hipotetis.

Terdapat deskripsi alternatif dari proses Hawking, berdasarkan efek Unruh (juga hipotetis), yang memprediksi registrasi radiasi termal oleh pengamat yang mengalami percepatan. Jika dihubungkan ke kerangka acuan inersia, maka tidak akan mendeteksi radiasi apa pun. Bagi pengamat, ruang hampa di sekitar benda yang mengalami keruntuhan dipercepat juga akan diisi dengan radiasi yang bersifat termal.

Masalah informasi

Masalah yang ditimbulkan oleh teori radiasi Hawking adalah karena apa yang disebut "teorema tanpa rambut" pada lubang hitam. Esensinya, secara singkat, adalah sebagai berikut: lubang tersebut sama sekali tidak peduli dengan karakteristik objek yang berada di luar cakrawala peristiwa. Satu-satunya hal yang penting adalah massa lubang yang bertambah. Informasi tentang parameter benda yang jatuh ke dalamnya disimpan di dalam, meskipun tidak dapat diakses oleh pengamat. Dan teori Hawking memberi tahu kita bahwa lubang hitam ternyata tidak abadi. Ternyata informasi yang tadinya tersimpan di dalamnya hilang seiring dengan lubangnya. Bagi fisikawan, situasi ini tidak baik, karena mengarah pada probabilitas yang sama sekali tidak berarti untuk proses individual.

Baru-baru ini, terdapat perkembangan positif dalam menyelesaikan paradoks ini, termasuk partisipasi Hawking sendiri. Pada tahun 2015, dinyatakan bahwa, berkat sifat khusus vakum, parameter radiasi lubang dalam jumlah tak terbatas dapat diidentifikasi, yaitu, untuk “menarik” informasi dari dalamnya.

Masalah pendaftaran

Kesulitan dalam menyelesaikan paradoks tersebut diperparah oleh fakta bahwa radiasi Hawking tidak dapat dideteksi. Mari kita lihat lagi rumus di atas. Ini menunjukkan betapa dinginnya lubang hitam - seperseratus juta Kelvin untuk lubang bermassa matahari dan radius tiga kilometer! Keberadaan mereka sangat diragukan.

Namun, masih ada harapan untuk lubang hitam mikroskopis (panas dan peninggalan). Namun hingga saat ini belum ada seorang pun yang mengamati saksi-saksi yang diprediksi secara teoritis mengenai era awal alam semesta.

Terakhir, kita perlu menambahkan sedikit optimisme. Pada tahun 2016, muncul pesan tentang penemuan analog radiasi kuantum Hawking dalam model akustik cakrawala peristiwa. Analoginya juga didasarkan pada efek Unruh. Meski cakupan penerapannya terbatas, misalnya tidak memungkinkan mempelajari hilangnya informasi, namun ada harapan bahwa penelitian semacam itu akan membantu dalam menciptakan teori baru tentang lubang hitam yang memperhitungkan fenomena kuantum.

Jalan Kievyan, 16 0016 Armenia, Yerevan +374 11 233 255

Terutama foton, lubang hitam. Karena energi dan "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">hukum kekekalan energi dan , proses ini disertai dengan penurunan massa lubang hitam, yaitu “penguapannya.” Secara teoritis diprediksi oleh Stephen Hawking pada tahun 1973. Karya Hawking didahului dengan kunjungannya ke Moskow pada tahun 1973, di mana ia bertemu dengan ilmuwan Soviet Yakov Zeldovich dan Alexander Starobinsky. Mereka menunjukkan kepada Hawking bahwa, menurut prinsip ketidakpastian mekanika kuantum, lubang hitam yang berputar harus menghasilkan dan memancarkan partikel.

Penguapan lubang hitam adalah proses kuantum murni. Faktanya, konsep lubang hitam sebagai benda yang tidak mengeluarkan apa pun, melainkan hanya dapat menyerap materi, berlaku selama efek kuantum tidak diperhitungkan. Dalam mekanika kuantum, berkat penerowongan, potensi hambatan yang tidak dapat diatasi untuk sistem non-kuantum dapat diatasi.

Dalam kasus lubang hitam, situasinya terlihat seperti ini. Dalam teori medan kuantum, kekosongan fisik diisi dengan fluktuasi yang terus-menerus muncul dan menghilang di berbagai bidang (bisa dikatakan “partikel virtual”). Di bidang gaya luar, dinamika fluktuasi ini berubah, dan jika gaya tersebut cukup kuat, pasangan partikel-antipartikel dapat lahir langsung dari ruang hampa. Proses serupa juga terjadi di dekat (tetapi masih di luar) cakrawala peristiwa lubang hitam. Dalam hal ini, ada kemungkinan ketika energi total i dari antipartikel menjadi negatif, dan energi total i dari partikel menjadi positif. Jatuh ke dalam lubang hitam, antipartikel mengurangi energi diam totalnya, dan juga massanya, sementara partikel tersebut mampu terbang hingga tak terbatas. Bagi pengamat jauh, ini terlihat seperti radiasi dari lubang hitam.

Yang penting bukan hanya fakta radiasinya, tetapi juga fakta bahwa radiasi tersebut mempunyai spektrum termal. Artinya, radiasi di dekat cakrawala peristiwa lubang hitam dapat dikaitkan dengan suhu tertentu

di mana konstanta Planck, C- kecepatan cahaya dalam ruang hampa, k- Konstanta Boltzmann, G- konstanta gravitasi, dan, akhirnya, M- massa lubang hitam. Dengan mengembangkan teori tersebut, dimungkinkan untuk menyusun termodinamika lubang hitam secara lengkap.

Namun, pendekatan terhadap lubang hitam ini bertentangan dengan mekanika kuantum dan menyebabkan masalah hilangnya informasi di dalam lubang hitam.

Efeknya belum dapat dikonfirmasi melalui observasi. Menurut relativitas umum, selama pembentukan Alam Semesta, lubang hitam purba seharusnya telah lahir, beberapa di antaranya (dengan massa awal 10 12 kg) akan selesai menguap di zaman kita. Karena laju penguapan meningkat seiring dengan mengecilnya ukuran lubang hitam, tahap akhir pada dasarnya adalah ledakan lubang hitam. Sejauh ini, belum ada ledakan serupa yang tercatat.

Konfirmasi eksperimental

Para peneliti dari Universitas Milan mengklaim bahwa mereka mampu mengamati efek radiasi Hawking, menciptakan antipode dari lubang hitam - yang disebut lubang putih. Berbeda dengan lubang putih, yang “menyedot” semua materi dan radiasi dari luar, lubang putih sepenuhnya menghentikan cahaya yang masuk, sehingga menciptakan batas, cakrawala peristiwa. Dalam percobaan tersebut, peran lubang putih dimainkan oleh kristal kuarsa, yang memiliki struktur tertentu dan ditempatkan dalam kondisi khusus, di dalamnya foton cahaya berhenti sepenuhnya. Dengan menyinari kristal tersebut dengan sinar laser inframerah, para ilmuwan menemukan dan mengkonfirmasi adanya efek emisi ulang, radiasi Hawking.

Fisikawan Jeff Steinhauer dari Institut Teknologi Israel di Haifa mendeteksi radiasi yang diprediksi oleh Stephen Hawking pada tahun 1974. Ilmuwan menciptakan analog akustik lubang hitam dan menunjukkan dalam eksperimen bahwa radiasi yang bersifat kuantum berasal darinya. Artikel tersebut diterbitkan di jurnal Nature Physics, dan BBC News secara singkat melaporkan penelitian tersebut.
... Radiasi ini dari lubang hitam sungguhan masih belum dapat dideteksi karena terlalu lemah. Oleh karena itu, Steinhauer menggunakan analoginya - yang disebut "lubang buta". Untuk memodelkan cakrawala peristiwa lubang hitam, ia mengambil kondensat atom rubidium Bose-Einstein yang didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak.
Kecepatan rambat suara di dalamnya sangat rendah - sekitar 0,5 mm/detik. Dan jika Anda membuat batas, di satu sisi atom bergerak dengan kecepatan subsonik, dan di sisi lain, atom berakselerasi hingga kecepatan supersonik, maka batas ini akan serupa dengan cakrawala peristiwa lubang hitam. Dalam percobaan tersebut, kuanta atom - dalam hal ini fonon - ditangkap di wilayah dengan kecepatan supersonik. Pasangan fonon dipisahkan, satu di satu wilayah, dan yang kedua di wilayah lain. Korelasi yang dicatat oleh ilmuwan menunjukkan bahwa partikel-partikel tersebut terjerat kuantum.