Hokinga starojums: noslēpumu vairs nav. Hokinga starojums: Hokinga daļiņu teorijas jēdziens, raksturojums un problēmas

Hokinga starojums ir dažādu elementārdaļiņu izstarošanas process, ko 1974. gadā teorētiski aprakstīja britu zinātnieks Stīvens Hokings.

Jau ilgi pirms Stīvena Hokinga darba publicēšanas iespēju, ka daļiņas izstaro melnie caurumi, diskusijā ar citu zinātnieku Jakovu Zeļdoviču izteica padomju teorētiskais fiziķis Vladimirs Gribovs.

Pētot elementārdaļiņu uzvedību melnā cauruma tuvumā, 1973. gadā trīsdesmit gadus vecais Stīvens Hokings apmeklēja Maskavu. Galvaspilsētā viņam izdevās piedalīties zinātniskā diskusijā ar diviem ievērojamiem padomju zinātniekiem Alekseju Starobinski un Jakovu Zeldoviču. Kādu laiku strādājot pie Gribova idejas, viņi nonāca pie secinājuma, ka tuneļa efekta dēļ var izstarot melnie caurumi. Pēdējais nozīmē, ka pastāv varbūtība, ka daļiņa var pārvarēt jebkuru barjeru no kvantu fizikas viedokļa. Interesējoties par šo tēmu, Hokings šo jautājumu izpētījis detalizēti un 1974. gadā publicēja savu darbu, pēc kura minētais starojums tika nosaukts viņa vārdā.

Stīvens Hokings daļiņu emisijas procesu melnā caurumā aprakstīja nedaudz savādāk. Šāda starojuma galvenais cēlonis ir tā sauktās "virtuālās daļiņas".

Daļiņu mijiedarbības aprakstīšanas procesā zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka mijiedarbība starp tām notiek, apmainoties ar noteiktiem kvantiem (dažāda fiziskā daudzuma “daļām”). Piemēram, elektromagnētiskā mijiedarbība atomā starp elektronu un protonu notiek, apmainoties ar fotoniem (elektromagnētiskās mijiedarbības nesējiem).

Tomēr tad rodas šāda problēma. Ja mēs uzskatām šo elektronu par brīvu daļiņu, tad tas nekādā gadījumā nevar vienkārši izstarot vai absorbēt fotonu, saskaņā ar enerģijas saglabāšanas principu. Tas ir, viņš nevar vienkārši zaudēt vai iegūt kādu enerģijas daudzumu. Tad zinātnieki radīja tā sauktās "virtuālās daļiņas". Pēdējie atšķiras no īstajiem ar to, ka piedzimst un pazūd tik ātri, ka tos nav iespējams reģistrēt. Viss, kas virtuālajām daļiņām ir jādara īsā dzīves posmā, ir impulsa nodošana citām daļiņām, vienlaikus nenododot enerģiju.

Tādējādi pat tukša telpa dažu fizisku svārstību (gadījuma novirzes no normas) dēļ vienkārši mudž no šīm virtuālajām daļiņām, kuras nemitīgi dzimst un iznīcina.

Hokinga starojums

Atšķirībā no padomju fiziķiem Stīvena Hokinga radiācijas apraksts ir balstīts uz abstraktām, virtuālām daļiņām, kas ir neatņemama kvantu lauka teorijas sastāvdaļa. Britu teorētiskais fiziķis apsver šo virtuālo daļiņu spontānu ģenerēšanu melnajā caurumā. Šajā gadījumā spēcīgais melnā cauruma gravitācijas lauks spēj "izvilkt" virtuālās daļiņas pat pirms to iznīcināšanas, tādējādi pārvēršot tās par īstām. Līdzīgi procesi eksperimentāli tiek novēroti sinhrofazotronos, kur zinātniekiem izdodas šīs daļiņas izjaukt, vienlaikus tērējot noteiktu enerģijas daudzumu.

No fizikas viedokļa reālu daļiņu ar masu, griešanos, enerģiju un citiem raksturlielumiem rašanās tukšā telpā “no nekā” ir pretrunā ar enerģijas nezūdamības likumu, kas nozīmē, ka tas ir vienkārši neiespējami. Tāpēc, lai virtuālās daļiņas "pārveidotu" par reālām, saskaņā ar labi zināmo likumu būs nepieciešama enerģija, kas nav mazāka par šo divu daļiņu kopējo masu. Šādu enerģijas rezervi tērē arī melnais caurums, lai notikumu horizontā izjauktu virtuālās daļiņas.

Vilkšanas procesa rezultātā viena no daļiņām, kas atrodas tuvāk notikumu horizontam vai pat zem tā, "pārvēršas" par īstu, un dodas melnā cauruma virzienā. Otrs, pretējā virzienā, dodas brīvā ceļojumā pa kosmosu. Veicot matemātiskos aprēķinus, var pārliecināties, ka pat neskatoties uz saņemto enerģiju (masu) no daļiņas, kas nokritusi uz melnā cauruma virsmu, melnā cauruma iztērētā enerģija vilkšanas procesā ir negatīva. Tas ir, galu galā aprakstītā procesa rezultātā melnais caurums zaudēja tikai noteiktu enerģijas daudzumu, kas turklāt ir tieši vienāds ar enerģiju (masu), kas ir "ārā" izlidojušajai daļiņai.

Tādējādi saskaņā ar aprakstīto teoriju, lai gan melnais caurums neizdala nekādas daļiņas, tas veicina šādu procesu un zaudē līdzvērtīgu enerģiju. Sekojot jau pieminētajam Einšteina masas un enerģijas ekvivalences likumam, kļūst skaidrs, ka melnajam caurumam nav no kurienes ņemt enerģiju, izņemot no savas masas.

Apkopojot visu iepriekš minēto, mēs varam teikt, ka melnais caurums izstaro daļiņu un zaudē daļu masas šajā procesā. Pēdējais process tiek saukts par "melnā cauruma iztvaikošanu". Pamatojoties uz Hokinga starojuma teoriju, var uzminēt, ka pēc kāda laika, kaut arī ļoti ilga (triljoniem gadu), melnie caurumi ir vienkārši.

Interesanti fakti

• Daudzi cilvēki baidās, ka lielajā hadronu paātrinātājā (LHC) var veidoties melnie caurumi un, iespējams, apdraudēt zemes iedzīvotāju dzīvības. Melno caurumu rašanās LHC ir iespējama tikai tad, ja pastāv papildu telpas-laika dimensijas un jaudīga gravitācijas mijiedarbība nelielos attālumos. Tomēr šādā veidā izveidotais mikroskopiskais melnais caurums Hokinga starojuma ietekmē uzreiz iztvaiko.
• Pamatojoties uz Hokinga starojumu, var darboties atsevišķs reaktors vai kolapsara reaktors, hipotētiska ierīce, kas rada mikroskopiskus melnos caurumus. To iztvaikošanas rezultātā radušos starojumu enerģija būs galvenais reaktora enerģijas avots.

Lai gan lielais hadronu paātrinātājs izskatās lieliski, Hokinga starojuma dēļ no tā nav jābaidās.

• Publicējot savu darbu par melno caurumu starojumu, Stīvens Hokings strīdējās ar citu slavenu zinātnieku - Kipu Tornu. Strīda priekšmets bija objekta, kas apgalvo, ka ir melnais caurums, daba, ko sauc. Neskatoties uz to, ka Hokinga darbs bija balstīts uz pieņēmumu par melno caurumu esamību, viņš apgalvoja, ka Cygnus X-1 nav melnais caurums. Zīmīgi, ka žurnālu abonēšana darbojās kā tarifi. Torna likme bija satīriskā žurnāla Private Eye abonements uz četriem gadiem, savukārt Hokings bija erotiskā žurnāla Penthouse abonements uz vienu gadu. Stīvens strīdā izteikuma loģiku apgalvoja šādi: "pat ja es izrādītos kļūdījies, apgalvojot melno caurumu esamību, tad vismaz laimēšu žurnāla abonementu."

Hokings un mikrogravitācija (Vemtkomēta)

Šādā scenārijā visa pārējā informācija par matēriju, kas veidojusi melno caurumu vai iekritusi tajā (kurai kā metafora tiek lietots "mats"), "pazūd" aiz melnā cauruma notikumu horizonta un tāpēc tiek saglabāta, bet būs nepieejama. ārējiem novērotājiem.

1973. gadā Hokings devās uz Maskavu un tikās ar padomju zinātniekiem Jakovu Zeldoviču un Alekseju Starobinski. Pārrunājot ar viņiem par viņu darbu, viņi viņam parādīja, kā nenoteiktības princips lika melnajiem caurumiem izstarot daļiņas. Tas apšaubīja Hokinga otro melno caurumu termodinamikas likumu (tas ir, melnie caurumi nevar kļūt mazāki), jo tiem arī jāzaudē masa enerģijas dēļ.

Turklāt tas atbalstīja Džona Vīlera universitātes absolventa Džeikoba Bekenšteina izvirzīto teoriju, ka melnajiem caurumiem jābūt ar ierobežotu temperatūru un entropiju, kas nav nulles. Tas viss bija pretrunā "no matu teorēmai". Hokings drīz pārskatīja savu teorēmu, parādot, ka, ņemot vērā kvantu mehāniskos efektus, izrādās, ka melnie caurumi izstaro noteiktas temperatūras termisko starojumu.

1974. gadā Hokings iepazīstināja ar saviem atklājumiem un parādīja, ka melnie caurumi izstaro starojumu. Šis efekts kļuva pazīstams kā "Hawking starojums" un sākumā bija pretrunīgs. Bet līdz 70. gadu beigām un pēc turpmāku pētījumu publicēšanas atklājums tika atzīts par nozīmīgu izrāvienu teorētiskās fizikas jomā.

Tomēr viena no šādas teorijas sekām bija tāda, ka melnie caurumi pakāpeniski zaudē masu un enerģiju. Šī iemesla dēļ melnajiem caurumiem, kas zaudē vairāk masas, nekā iegūst, ir jāsamazinās un galu galā jāpazūd, un šo parādību tagad sauc par melnā cauruma “iztvaikošanu”.

1981. gadā Hokings ierosināja, ka informācija melnajā caurumā tiek neatgriezeniski zaudēta, kad melnais caurums iztvaiko, un tas ir pazīstams kā "melnā cauruma informācijas paradokss". Viņš apgalvoja, ka fiziskā informācija var uz visiem laikiem pazust melnajā caurumā, ļaujot vairākiem fiziskajiem stāvokļiem saplūst vienā.

Teorija izrādījās pretrunīga, jo tā pārkāpa divus kvantu fizikas pamatprincipus. Kvantu fizika apgalvo, ka pilnīga fiziskās sistēmas informācija - tās vielas stāvoklis (masa, pozīcija, griešanās, temperatūra utt.) - tiek kodēta tās viļņu funkcijā, līdz funkcija sabrūk. Tas savukārt noved pie diviem citiem principiem.

Pirmais, kvantu determinisms, nosaka, ka, ņemot vērā pašreizējo viļņu funkciju, turpmākās izmaiņas unikāli nosaka evolūcijas operators. Otrais – atgriezeniskums – nosaka, ka evolūcijas operatoram ir apgrieztā puse, kas nozīmē, ka arī pagātnes viļņu funkcijas ir unikālas. Šo principu kombinācija noved pie tā, ka vienmēr ir jāsaglabā informācija par vielas kvantu stāvokli.

Hokings Baltajā namā par Brīvības medaļas pasniegšanas ceremoniju

Pieņemot, ka informācija pazūd, kad melnais caurums iztvaiko, Hokings būtībā ir radījis fundamentālu paradoksu. Ja melnais caurums var iztvaikot, tādējādi izraisot visa informācija par kvantu viļņu funkciju, tad informācija principā var tikt zaudēta uz visiem laikiem. Šis jautājums ir kļuvis par zinātnieku diskusiju objektu un joprojām ir praktiski neatrisināts.

Un tomēr līdz 2003. gadam fizikā bija zināma vienprātība, ka Hokings kļūdījās attiecībā uz informācijas zudumu melnajā caurumā. 2004. gadā lekcijā Dublinā viņš atzina, ka ir zaudējis derības par šo tēmu ar Kaltech Džonu Preskilu (ko viņš izdarīja 1997. gadā), taču iepazīstināja ar savu un nedaudz pretrunīgo risinājumu paradoksālajai problēmai: iespējams, ka melnie caurumi. var būt vairāk nekā viena topoloģija.

2005. gadā publicētajā rakstā par šo tēmu "Informācijas zudums melnajos caurumos" viņš apgalvoja, ka informācijas paradokss ir izskaidrojams, pētot visas alternatīvās Visumu vēstures, kad informācijas zudums vienā ar melnajiem caurumiem tiek kompensēts citā bez tiem. Rezultātā 2014. gada janvārī Hokings melnā cauruma informācijas paradoksu nosauca par savu "lielāko kļūdu".

Hokings un Pīters Higss pie Lielā hadronu paātrinātāja

Papildus mūsu izpratnes paplašināšanai par melnajiem caurumiem un kosmoloģiju, izmantojot vispārējo relativitāti un kvantu mehāniku, Stīvens Hokings ir arī palīdzējis zinātni plašākai auditorijai. Savas ilgās zinātniskās karjeras laikā viņš ir izdevis arī daudzas populāras grāmatas, daudz ceļojis un lasījis lekcijas, kā arī piedalījies TV šovos un filmās.

Savas karjeras laikā Hokings kļuva arī par izcilu pedagogu, personīgi sagatavojot 39 veiksmīgus doktorantūras studentus. Viņa vārds paliks ārpuszemes intelekta meklējumu, robotikas un mākslīgā intelekta attīstības vēsturē. 2015. gada 20. jūlijā Stīvens Hokings palīdzēja uzsākt Breakthrough Initiatives — iniciatīvu ārpuszemes dzīvības meklēšanai Visumā.

Bez šaubām, Stīvens Hokings ir viens no slavenākajiem mūsdienu zinātniekiem. Viņa darbs astrofizikas un kvantu mehānikas jomās ir radījis sasniegumus mūsu izpratnē par telpu un laiku un radījis daudz strīdu zinātnieku vidū. Diez vai kāds dzīvs zinātnieks ir paveicis tik daudz, lai pievērstu plašākas sabiedrības uzmanību zinātnei.

Hokingā ir kaut kas no viņa priekšgājēja Alberta Einšteina — vēl viena ietekmīga un slavena zinātnieka, kurš darīja visu, lai cīnītos pret nezināšanu un virzītu zinātni. Bet pats iespaidīgākais ir tas, ka viss Hokings savā dzīvē (no noteikta brīža) ir bijis nerimstošā cīņā pret deģeneratīvo slimību. (Lasiet, piemēram, paliekot pilnīgi nekustīgi.)

Vairāk nekā 52 gadus Hokings dzīvoja ar slimību, kurai, pēc ārstu domām, 2 gadu laikā vajadzēja atņemt viņa dzīvību. Un, kad pienāks diena, kad Hokings vairs nebūs mūsu vidū, laiks viņu noteikti nostādīs blakus Einšteinam, Ņūtonam, Galileo un Kirī kā vienam no lielākajiem zinātniekiem cilvēces vēsturē.

Mūsu laika lielākais kosmologs un teorētiskais fiziķis. 1942. gadā dzimušais topošais zinātnieks veselības problēmas sāka piedzīvot 20 gadu vecumā. Amiotrofiskā laterālā skleroze apgrūtināja studijas Oksfordas Teorētiskās fizikas katedrā, taču neliedza Stīvenam vadīt ļoti aktīvu, notikumiem bagātu dzīvesveidu. Viņš apprecējās 1965. gadā un kļuva par Londonas Karaliskās biedrības biedru 1974. gadā. Līdz tam laikam viņam jau bija meita un divi dēli. 1985. gadā zinātnieks pārtrauca runāt. Šodien viņa ķermenī tikai viens uz viņa vaiga saglabāja kustīgumu. Šķita, ka tas ir pilnīgi nekustīgs un nolemts. Tomēr 1995. gadā viņš apprecas vēlreiz, un 2007. gadā ... viņš lido ar nulles gravitāciju.

Uz Zemes nav neviena cilvēka, kuram būtu liegta mobilitāte, kurš dzīvotu tik pilnvērtīgu, lietderīgu un interesantu dzīvi.

Bet tas vēl nav viss. Hokinga lielākā attīstība bija melno caurumu teorija. "Hokinga teorija", kā to tagad sauc, radikāli mainīja zinātnieku ilgtermiņa uzskatus par Visuma melnajiem caurumiem.

Darba sākumā pie teorijas zinātnieks, tāpat kā daudzi viņa kolēģi, apgalvoja, ka viss, kas viņos nokļūst, tiek uz visiem laikiem iznīcināts. Šis informatīvais paradokss vajāja militārpersonas un zinātniekus visā pasaulē. Tika uzskatīts, ka nav iespējams noteikt nekādas šo kosmosa objektu īpašības, izņemot masu.

Uzsācis melno caurumu izpēti 1975. gadā, Hokings atklāja, ka tie pastāvīgi izstaro fotonu un dažu citu elementāru daļiņu plūsmu kosmosā. Tomēr pat pats zinātnieks bija pārliecināts, ka "Hawking starojums" ir nejaušs, neparedzams. Britu zinātnieks sākumā domāja, ka šis starojums nenes nekādu informāciju.

Tomēr spoža prāta īpašība ir spēja pastāvīgi šaubīties. Hokings turpināja pētījumus un atklāja, ka Melnā cauruma iztvaikošana (ti, Hokinga starojums) pēc būtības ir kvantitatīvs. Tas viņam ļāva secināt, ka Melnajā caurumā iekritusī informācija nav iznīcināta, bet gan mainīta. Teorija, ka cauruma stāvoklis ir pastāvīgs, ir patiesa, raugoties no ne-kvantu fizikas viedokļa.

Ņemot vērā kvantu teoriju, vakuums ir piepildīts ar "virtuālām" daļiņām, kas izstaro dažādus fiziskos laukus. Starojuma stiprums pastāvīgi mainās. Kad tas kļūst ļoti spēcīgs, daļiņu un pretdaļiņu pāri var piedzimt tieši no vakuuma Melnā cauruma notikumu horizontā (robežā). Ja vienas daļiņas kopējā enerģija izrādās pozitīva, bet otrā - negatīva, ja tajā pašā laikā daļiņas iekrita melnajā caurumā, tad tās sāk uzvesties savādāk. Negatīvā antidaļiņa sāk samazināt Melnā cauruma atpūtas enerģiju, bet pozitīvā daļiņa tiecas līdz bezgalībai.

No ārpuses šis process izskatās kā iztvaikošana no melnā cauruma. To sauc par "Hawking starojumu". Zinātnieks atklāja, ka šai izkropļotās informācijas “iztvaikošanai” ir savs termiskais spektrs, kas redzams ar ierīcēm, un noteikta temperatūra.

Hokinga starojums, pēc paša zinātnieka domām, norāda, ka ne visa informācija tiek zaudēta un uz visiem laikiem pazūd melnajā caurumā. Viņš ir pārliecināts, ka kvantu fizika pierāda pilnīgas iznīcināšanas vai informācijas zaudēšanas neiespējamību. Un tas nozīmē, ka šāda informācija, lai arī modificētā veidā, satur Hokinga starojumu.

Ja zinātniekam ir taisnība, tad melno caurumu pagātni un nākotni var izpētīt tāpat kā citu planētu vēsturi.

Diemžēl viedoklis par iespēju ceļot laikā vai uz citiem Visumiem ar Melno caurumu palīdzību. Hokinga starojuma klātbūtne pierāda, ka jebkurš objekts, kas iekrīt caurumā, atgriezīsies mūsu Visumā izmainītas informācijas veidā.

Ne visi zinātnieki piekrīt britu fiziķu uzskatiem. Tomēr viņi arī atsakās tos apstrīdēt. Šodien visa pasaule gaida jaunas Hokinga publikācijas, kurās viņš solīja detalizēti un pārliecinoši apstiprināt savas teorijas objektivitāti, kas apgrieza zinātnisko pasauli kājām gaisā.

Turklāt zinātniekiem laboratorijā izdevās iegūt Hokinga starojumu. Tas notika 2010. gadā.

Pastāv parādība, kas atspoguļo tādas dažādas parādības kā melnie caurumi un elementārdaļiņas to mijiedarbībā. Vai tas ir Hokinga starojums vai kvantu...

Autors Masterweb

26.06.2018 18:00

Melnie caurumi un elementārdaļiņas. Mūsdienu fizika saista kopā šo objektu jēdzienus, no kuriem pirmais ir aprakstīts Einšteina gravitācijas teorijas ietvaros, bet otrs - kvantu lauka teorijas matemātiskajās konstrukcijās. Zināms, ka šīs divas skaistās un vairākkārt apstiprinātās eksperimentālās teorijas savā starpā īpaši "draudzējas". Tomēr ir parādība, kas atspoguļo tik dažādas parādības to mijiedarbībā. Tas ir Hokinga starojums jeb melno caurumu kvantu iztvaikošana. Kas tas ir? Kā tas darbojas? Vai to var atklāt? Mēs par to runāsim mūsu rakstā.

Melnie caurumi un to apvāršņi

Iedomāsimies kādu telpas-laika kontinuuma apgabalu, ko aizņem fiziskais ķermenis, piemēram, zvaigzne. Ja šim apgabalam ir raksturīga tāda rādiusa un masas attiecība, ka kontinuuma gravitācijas izliekums neļauj nekam (pat gaismas staram) no tā iziet, šādu reģionu sauc par melno caurumu. Savā ziņā tas patiešām ir caurums, plaisa kontinuumā, kā tas bieži tiek attēlots ilustrācijās, izmantojot telpas divdimensiju attēlojumu.

Tomēr šajā gadījumā mūs interesēs nevis šī krituma dziļums, bet gan melnā cauruma robeža, ko sauc par notikumu horizontu. Hokinga starojuma jautājuma izskatīšanas ietvaros svarīga horizonta iezīme ir tā, ka šīs virsmas krustpunkts pastāvīgi un pilnībā atdala jebkuru fizisku objektu no kosmosa.

Par vakuumu un virtuālajām daļiņām

Kvantu lauka teorijas izpratnē vakuums nav nekāds tukšums, bet gan īpašs vide (precīzāk, vielas stāvoklis), tas ir, lauks, kura visi kvantu parametri ir vienādi ar nulli. Šāda lauka enerģija ir minimāla, taču nevajadzētu aizmirst par nenoteiktības principu. Pilnībā saskaņā ar to vakuums uzrāda spontānas svārstības. Tas izpaužas enerģijas svārstībās, kas nekādā gadījumā nepārkāpj saglabāšanas likumu.

Jo augstāks ir vakuuma enerģijas svārstību maksimums, jo īsāks ir tās ilgums. Ja šādu svārstību enerģija ir 2mc2, kas ir pietiekama daļiņu pāra dzimšanai, tās radīsies, taču tās nekavējoties iznīcinās, nepaliekot laika izkliedēties. Tādējādi tie nodzēsīs svārstības. Šādas virtuālās daļiņas dzimst uz vakuuma enerģijas rēķina un mirstot atdod tai šo enerģiju. To esamība ir eksperimentāli apstiprināta, piemēram, reģistrējot slaveno Kazimira efektu, kas demonstrē virtuālo daļiņu gāzes spiedienu uz makroobjektu.

Lai saprastu Hokinga starojumu, ir svarīgi, lai daļiņas šādā procesā (neatkarīgi no tā, vai elektroni ar pozitroniem vai fotoniem) tiktu ražotas pa pāriem, un to kopējais impulss ir nulle.

Bruņojušies ar vakuuma svārstībām virtuālo pāru veidā, mēs pietuvosimies melnā cauruma malai un redzēsim, kas tur notiek.

Bezdibeņa malā

Notikuma horizonta klātbūtnes dēļ melnais caurums spēj iejaukties spontānu vakuuma svārstību procesā. Paisuma spēki netālu no cauruma virsmas ir milzīgi, un gravitācijas lauks šeit ir ārkārtīgi neviendabīgs. Tas uzlabo šīs parādības dinamiku. Daļiņu pārus vajadzētu ražot daudz aktīvāk nekā tad, ja nav ārēju spēku. Šim procesam melnais caurums patērē savu gravitācijas enerģiju.

Nekas neaizliedz vienai no daļiņām "nirt" zem notikumu horizonta, ja tās impulss ir vērsts atbilstošā veidā un pāra dzimšana notika gandrīz pašā horizontā (šajā gadījumā bedre tērē enerģiju, lai izjauktu pāri) . Tad iznīcināšanas nebūs, un veiklās daļiņas partneris aizlidos prom no melnā cauruma. Rezultātā enerģija un līdz ar to arī cauruma masa samazinās par summu, kas vienāda ar bēguļojošā masu. Šo "svara zudumu" sauc par melnā cauruma iztvaikošanu.

Aprakstot melno caurumu starojumu, Hokings precīzi darbojās ar virtuālajām daļiņām. Tā ir atšķirība starp viņa teoriju un Gribovas, Zeldoviča un Starobinska viedokli, kas izteikts 1973. gadā. Pēc tam padomju fiziķi norādīja uz reālu daļiņu kvantu tunelēšanas iespēju caur notikumu horizontu, kā rezultātā melnajam caurumam vajadzētu būt starojumam.

Kas ir Hokinga starojums

Melnie caurumi, pēc zinātnieka teorijas, paši neko neizstaro. Tomēr fotoniem, kas atstāj melno caurumu, ir termiskais spektrs. Novērotājam šim daļiņu “iznākumam” vajadzētu izskatīties kā caurumam, tāpat kā jebkuram sakarsētam ķermenim, tas izstaro sava veida starojumu, dabiski zaudējot enerģiju. Ir pat iespējams aprēķināt ar Hokinga starojumu saistīto temperatūru, izmantojot formulu TPH=(h∙c3)/(16p2∙k∙G∙M), kur h ir Planka konstante (nav samazināta!), c ir gaismas ātrums. , k ir Bolcmaņa konstante, G ir gravitācijas konstante, M ir melnā cauruma masa. Aptuveni šī temperatūra būs vienāda ar 6,169∙10-8 K∙(M0/M), kur M0 ir Saules masa. Izrādās, jo masīvāks ir melnais caurums, jo zemāka ir starojumam atbilstošā temperatūra.

Bet melnais caurums nav zvaigzne. Zaudējot enerģiju, tas neatdziest. Pretēji! Masai samazinoties, caurums kļūst karstāks. Masas zudums nozīmē rādiusa samazināšanos. Tā rezultātā iztvaikošana notiek ar pieaugošu intensitāti. No tā izriet, ka maziem caurumiem ir jāpabeidz iztvaikošana ar sprādzienu. Tiesa, pati šādu mikrocauruļu esamība joprojām ir hipotētiska.

Ir alternatīvs Hokinga procesa apraksts, kura pamatā ir Unruh efekts (arī hipotētisks), kas prognozē termiskā starojuma reģistrēšanu no paātrināta novērotāja. Ja tas ir saistīts ar inerciālu atskaites rāmi, tas neatklās nekādu starojumu. Vakuums ap strauji sabrūkošo objektu novērotājam arī tiks piepildīts ar starojumu ar termiskiem raksturlielumiem.

Informācijas problēma

Problēmas, ko radījusi Hokinga radiācijas teorija, ir saistītas ar tā saukto "bez matu teorēmu" par melno caurumu. Tās būtība īsumā ir šāda: bedre ir pilnīgi vienaldzīga pret to, kādas īpašības bija objektam, kas atpalika no notikumu horizonta. Svarīga ir masa, par kādu caurums ir pieaudzis. Informācija par tajā iekritušā ķermeņa parametriem tiek glabāta iekšpusē, lai gan tā nav pieejama novērotājam. Un Hokinga teorija mums saka, ka melnie caurumi, izrādās, nav mūžīgi. Izrādās, ka informācija, kas tajos būtu glabājusies, pazūd līdz ar caurumiem. Fiziķiem šī situācija nav laba, jo tā noved pie pilnīgi bezjēdzīgām atsevišķu procesu varbūtībām.

Pēdējā laikā šī paradoksa risināšanā ir vērojamas pozitīvas norises, tostarp paša Hokinga līdzdalība. 2015. gadā tika apgalvots, ka vakuuma īpašo īpašību dēļ ir iespējams atklāt bezgalīgi daudz urbuma starojuma parametru, tas ir, “izvilkt” no tās informāciju.

Reģistrācijas problēma

Šādu paradoksu risināšanas grūtības pastiprina fakts, ka Hokinga starojumu nevar noteikt. Apskatīsim vēlreiz iepriekš minēto formulu. Tas parāda, cik auksti ir melnie caurumi - simts miljonās Kelvina caurumiem ar Saules masu un trīs kilometru rādiusu! Viņu esamība ir ļoti apšaubāma.

Tomēr ir cerība uz mikroskopiskiem (karstiem, reliktiem) melnajiem caurumiem. Taču līdz šim neviens nav novērojis šos teorētiski paredzētos Visuma senāko laikmetu lieciniekus.

Visbeidzot, ir jāpievieno neliels optimisms. 2016. gadā parādījās ziņojums par kvantu Hokinga starojuma analoga atklāšanu uz notikumu horizonta akustiskā modeļa. Analoģijas pamatā ir arī Unruh efekts. Lai gan tai ir ierobežots apjoms, piemēram, tas neļauj pētīt informācijas izzušanu, tomēr ir cerība, ka šādi pētījumi palīdzēs izveidot jaunu melno caurumu teoriju, kurā ņemtas vērā kvantu parādības.

Kievyan street, 16 0016 Armēnija, Erevāna +374 11 233 255

Pārsvarā fotoni, melnie caurumi. Pateicoties enerģijai un "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 "> enerģijas nezūdamības likuma un , šo procesu pavada melnā cauruma masas samazināšanās, t.i., tā "iztvaikošana". Teorētiski prognozēja Stīvens Hokings 1973. gadā. Hokings pirms darba notika viņa vizīte Maskavā 1973. gadā, kur viņš tikās ar padomju zinātniekiem Jakovu Zeļdoviču un Aleksandru Starobinski, kuri demonstrēja Hokingam, ka saskaņā ar kvantu mehānikas nenoteiktības principu melnajiem caurumiem ir jāģenerē un jāizstaro daļiņas.

Melnā cauruma iztvaikošana ir tīri kvantu process. Fakts ir tāds, ka jēdziens par melno caurumu kā objektu, kas neko neizstaro, bet var tikai absorbēt vielu, ir spēkā tikmēr, kamēr netiek ņemti vērā kvantu efekti. Kvantu mehānikā, pateicoties tunelēšanai, kļūst iespējams pārvarēt potenciālās barjeras, kas ir nepārvaramas ne-kvantu sistēmai.

Melnā cauruma gadījumā situācija ir šāda. Kvantu lauka teorijā fiziskais vakuums ir piepildīts ar pastāvīgi radošām un izzūdošām dažādu lauku (var teikt arī "virtuālās daļiņas") svārstībām. Ārējo spēku jomā šo svārstību dinamika mainās, un, ja spēki ir pietiekami lieli, daļiņu-pretdaļiņu pāri var piedzimt tieši no vakuuma. Šādi procesi notiek arī melnā cauruma notikumu horizonta tuvumā (bet tomēr ārpus tā). Šajā gadījumā ir iespējams gadījums, kad kopējā antidaļiņu enerģija izrādās negatīva, bet daļiņas kopējā enerģija ir pozitīva. Iekrītot melnajā caurumā, antidaļiņa samazina savu kopējo miera enerģiju un līdz ar to arī masu, kamēr daļiņa spēj aizlidot līdz bezgalībai. Attālam novērotājam tas izskatās kā starojums no melnā cauruma.

Svarīgs ir ne tikai starojuma fakts, bet arī fakts, ka šim starojumam ir termiskais spektrs. Tas nozīmē, ka starojums netālu no melnā cauruma notikumu horizonta var būt saistīts ar noteiktu temperatūru

kur ir Planka konstante, c ir gaismas ātrums vakuumā, k- Bolcmaņa konstante, G ir gravitācijas konstante, un, visbeidzot, M ir melnā cauruma masa. Izstrādājot teoriju, ir iespējams konstruēt pilnīgu melno caurumu termodinamiku.

Tomēr šāda pieeja melnajam caurumam ir pretrunā ar kvantu mehāniku un noved pie informācijas izzušanas problēmas melnajā caurumā.

Līdz šim efekts nav apstiprināts ar novērojumiem. Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju, Visuma veidošanās laikā vajadzēja piedzimt primārajiem melnajiem caurumiem, no kuriem daļai (ar sākotnējo masu 10 12 kg) vajadzētu pabeigt iztvaikošanu mūsu laikā. Tā kā iztvaikošanas ātrums palielinās, samazinoties melnā cauruma izmēram, pēdējiem posmiem būtībā jābūt melnā cauruma eksplozijai. Pagaidām šādi sprādzieni nav reģistrēti.

Eksperimentāls apstiprinājums

Pētnieki no Milānas universitātes apgalvo, ka ir novērojuši Hokinga starojuma ietekmi, izveidojot melnā cauruma antipodu - tā saukto balto caurumu. Atšķirībā no baltā cauruma, kas “iesūc” visu matēriju un starojumu no ārpuses, baltais caurums pilnībā aptur tajā ienākošo gaismu, tādējādi veidojot robežu, notikumu horizontu. Eksperimentā baltā cauruma lomu spēlēja kvarca kristāls, kuram bija noteikta struktūra un kas tika novietots īpašos apstākļos, kuros gaismas fotoni pilnībā apstājās. Apgaismojot iepriekšminēto kristālu ar infrasarkanā lāzera gaismu, zinātnieki atklāja un apstiprināja atkārtotas izstarošanas efekta — Hokinga starojuma — esamību.

Fiziķis Džefs Steinhauers no Izraēlas Tehnoloģiju institūta Haifā atklāja Stīvena Hokinga prognozēto starojumu tālajā 1974. gadā. Zinātnieks izveidoja melnā cauruma akustisko analogu un eksperimentos parādīja, ka tas izstaro starojumu, kam ir kvantu raksturs. Raksts publicēts žurnālā Nature Physics, īsumā par pētījuma ziņojumiem BBC News.
...Nofiksēt šo starojumu uz īsta melnā cauruma vēl nav iespējams, jo tas ir pārāk vājš. Tāpēc Šteinhauers izmantoja tā analogu - tā saukto "aklo caurumu". Lai modelētu melnā cauruma notikumu horizontu, viņš paņēma Bozes-Einšteina kondensātu no rubīdija atomiem, kas atdzesēti līdz temperatūrai, kas ir tuvu absolūtai nullei.
Skaņas izplatīšanās ātrums tajā ir ļoti mazs - apmēram 0,5 mm / s. Un, ja jūs izveidojat robežu, kuras vienā pusē atomi pārvietojas ar zemskaņas ātrumu, bet otrā pusē tie paātrinās līdz virsskaņas ātrumam, tad šī robeža būs līdzīga melnā cauruma notikumu horizontam. Atomu kvantus - šajā gadījumā fononus - eksperimentā tvēra reģions ar virsskaņas ātrumu. Fononu pāri tika salauzti, viens bija vienā reģionā, bet otrs - citā. Zinātnieka fiksētās korelācijas liecina, ka daļiņas izrādās kvantu sapinušās.