Хокингово зрачење: концепт, карактеризација и проблеми теорије
Црне рупе и елементарне честице. Модерна физика повезује концепте ових објеката, од којих је прва описана у оквиру Ајнштајнове теорије гравитације, а друга у математичким конструкцијама квантне теорије поља. Познато је да ове две лепе и више пута потврђене експерименталне теорије нису веома "пријатељске" међу собом. Међутим, постоји феномен који одражава такве различите појаве у њиховој интеракцији. Ово је Хавкингово зрачење или квантно испаравање црних рупа. Шта је то? Како функционише? Може ли се открити? О томе ћемо говорити у нашем чланку.
Црне рупе и њихови хоризонти
Замислите одређену област просторно-временског континуума коју заузима физичко тело, на пример, звезда. Ако ову област карактерише такав однос радијуса и масе, при чему гравитациона закривљеност континуума не дозвољава ништа (чак ни светлосни сноп) да је напусти, ово подручје се назива црна рупа. У одређеном смислу, ово је заиста рупа, замка у континууму, као што је често приказана у илустрацијама, користећи дводимензионални приказ простора.
Међутим, у овом случају нећемо бити заинтересовани за дубинску дубину овог дипа, већ за границу црне рупе, назване хоризонтом догађаја. Као део разматрања питања Хавкинговог зрачења, важна карактеристика хоризонта је да пресек ове површине трајно и потпуно раздваја сваки физички објекат од спољашњег простора.
О вакууму и виртуелним честицама
У разумијевању квантне теорије поља, вакуум уопће није празнина, већ посебан медиј (точније стање материје), тј. Поље, чије су квантни параметри нула. Енергија таквог поља је минимална, али не треба заборавити на принцип несигурности. У складу са тим, вакуум показује спонтану флуктуацијску активност. Изражава се у енергетским флуктуацијама, што не крши закон очувања.
Што је већи пик флуктуације енергије вакуума, то је његово трајање краће. Ако таква осцилација има енергију од 2мц2, довољну за рођење пара честица, оне ће се појавити, али ће одмах уништити, пре него што могу да лете. Тиме се гаси флуктуација. Такве виртуелне честице се рађају на рачун енергије вакуума и враћају јој ту енергију у тренутку смрти. Њихово постојање је експериментално потврђено, на пример, регистровањем познатог Цасимировог ефекта, који показује притисак гаса виртуелних честица на макро-објект.
Да би се разумело Хавкингово зрачење, важно је да се честице у сличном процесу (без обзира да ли су електрони са позитронима или фотонима) нужно производе у паровима, а њихов укупни момент је нула.
Наоружани флуктуацијама вакуума у облику виртуалних парова, приближићемо се граници црне рупе и видјети што се тамо догађа.
На рубу понора
Због присуства хоризонта догађаја, црна рупа је у стању да интервенише у процесу спонтаних осцилација вакуума. Силе плиме и осеке на површини рупе су огромне, гравитационо поље је изузетно хетерогено. Она побољшава динамику овог феномена. Парови честица морају бити рођени много активније него у одсуству спољашњих сила. Црна рупа троши своју гравитациону енергију на овај процес.
Ништа не забрањује да једна од честица “зарони” испод хоризонта догађаја, ако је њен импулс усмерен у складу са тим и пар се роди скоро близу хоризонта (рупа троши енергију разбијајући пар). Тада неће бити никаквог уништења, а партнер жустре честице ће одлетети из црне рупе. Као резултат, енергија се смањује, што значи да је маса рупе једнака маси бјегунца. Овај "губитак тежине" се назива испаравање црне рупе.
Када описује зрачење црних рупа, Хавкинг је радио са виртуелним честицама. То је оно што разликује његову теорију са становишта Грибова, Зелдовича и Старобинског, изреченог 1973. године. Совјетски физичари су затим указали на могућност квантног тунелирања правих честица кроз хоризонт догађаја, због чега црна рупа мора имати зрачење.
Шта је Хавкинг зрачење?
Црне рупе, према теорији научника, не емитују ништа. Међутим, фотони који излазе из црне рупе имају термички спектар. За посматрача, овај "исход" честица би требао изгледати као рупа, као и свако гријано тијело, емитирати неке зрачење, природно губи енергију. Можете чак израчунати температуру повезану са Хавкинговим зрачењем користећи формулу Т БХ = (х 3 ц 3 ) / (16 2 2 ∙ к ∙ Г) М), где је х Планкова константа (није редукована!), Ц је брзина светлости, к - Болцманова константа, Г - гравитациона константа, М - маса црне рупе. Приближно ова температура ће бити једнака 6,169 10 -8 К М (М 0 / М), где је М 0 маса Сунца. Испоставља се да што је црна рупа масивнија, то је нижа температура која одговара зрачењу.
Али црна рупа није звезда. Губимо енергију, не хлади се. Напротив! Са смањењем масе, рупа постаје "топлија". Губитак тежине такође значи и смањење радијуса. Као резултат, испаравање долази са све већим интензитетом. Из тога следи да мале рупе морају завршити испаравање експлозијом. Истина, сама егзистенција таквих микропроба остаје хипотетичка.
Постоји алтернативни опис Хавкинговог процеса, заснован на Унрух ефекту (такође хипотетичком), који предвиђа регистрацију топлотног зрачења од стране убрзавајућег посматрача. Ако је повезан са инерцијалним референтним системом, неће детектовати никакво зрачење. Вакуум око убрзаног колапсирајућег објекта за посматрача ће такође бити испуњен зрачењем са топлинским карактеристикама.
Информације о проблему
Проблеми које је створила Хавкингова теорија зрачења везани су за такозвани "теорем о не-коси" црне рупе. Његова суштина је укратко следећа: рупа је потпуно индиферентна на оно што је објекат имао, који је пао иза хоризонта догађаја. Важна је само маса којом се рупа повећала. Информације о параметрима тела које су пале у њега се чувају унутра, иако нису доступне посматрачу. А Хавкингова теорија нам говори да црне рупе, испада, нису вечне. Испоставља се да информације које би биле похрањене у њима, заједно с рупама, нестају. За физичаре то није добра ситуација, јер доводи до потпуно бесмислених вјероватноћа појединих процеса.
Недавно је дошло до позитивних помака у решавању овог парадокса, укључујући и учешће самог Хавкинга. У 2015. години констатовано је да је због посебних својстава вакуума могуће открити бесконачан број параметара за зрачење рупе, тј. „Извлачење“ информација из њега.
Проблем регистрације
Тешкоћа у рјешавању таквих парадокса је отежана чињеницом да Хавкинг зрачење није могуће регистрирати. Погледајте још једну формулу. Показује колико су црне рупе хладне - сто милионити делови Келвина за рупе соларне масе и полупречник од три километра! Њихово постојање је врло сумњиво.
Међутим, постоји нада за микроскопске (вруће, реликтне) црне рупе. Али до сада нико није посматрао теоретски предвиђене сведоке најранијих епоха универзума.
Коначно, морате направити мало оптимизма. У 2016. години појавила се порука о открићу аналогије Хавкинговог квантног зрачења на акустичном моделу хоризонта догађаја. Аналогија се такође заснива на Унрух ефекту. Иако има ограничен обим примењивости, на пример, не дозвољава проучавање нестанка информација, међутим, надамо се да ће такве студије помоћи у стварању нове теорије црних рупа која узима у обзир квантне појаве.