الثقب الأسود. بسبب الطاقة و"href = "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D1%81%D0%BE%D1 %85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3 %D0%B8%D0%B8">قانون حفظ الطاقة، ويصاحب هذه العملية انخفاض في الكتلة الثقب الأسودأي بـ "تبخره". تنبأ بها نظريا ستيفن هوكينج في العام. سبقت أعمال هوكينج زيارته لموسكو عام 1973، حيث التقى بالعلماء السوفييت ياكوف زيلدوفيتش وألكسندر ستاروبينسكي. لقد أثبتوا لهوكينج أنه وفقًا لمبدأ عدم اليقين، ميكانيكا الكمينبغي للثقوب السوداء الدوارة أن تولد وتنبعث منها جسيمات.

إن تبخر الثقب الأسود هو عملية كمومية بحتة. والحقيقة هي أن مفهوم الثقب الأسود كجسم لا ينبعث منه أي شيء، ولكن يمكنه فقط امتصاص المادة، هو مفهوم صحيح طالما لم يؤخذ في الاعتبار. التأثيرات الكمومية. في ميكانيكا الكم، وبفضل حفر الأنفاق، يصبح من الممكن التغلب على الحاجز المحتمل" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0 %BD %D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B1%D0%B0%D1%80%D1%8C %D0 %B5%D1%80">العوائق المحتملة التي لا يمكن التغلب عليها بالنسبة للنظام غير الكمي.

وفي حالة الثقب الأسود، يبدو الوضع كذلك على النحو التالي. في نظرية المجال الكمي، يمتلئ الفراغ المادي بتقلبات تظهر وتختفي باستمرار في مجالات مختلفة (يمكن للمرء أن يقول "الجسيمات الافتراضية"). في الميدان القوى الخارجيةتتغير ديناميكيات هذه التقلبات، وإذا كانت القوى قوية بما فيه الكفاية، فيمكن أن تولد أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة مباشرة من الفراغ. وتحدث مثل هذه العمليات أيضًا بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود (لكنها لا تزال خارجه). في هذه الحالة، تكون الحالة ممكنة عندما يكون إجمالي الطاقة i للجسيم المضاد سالبًا، والطاقة الإجمالية i للجسيم موجبة. عند السقوط في الثقب الأسود، يقلل الجسيم المضاد من إجمالي طاقة السكون، وبالتالي كتلته، في حين أن الجسيم قادر على الطيران بعيدًا إلى ما لا نهاية. بالنسبة للمراقب البعيد، يبدو هذا مثل الإشعاع الصادر من ثقب أسود.

المهم ليس حقيقة الإشعاع فحسب، بل أيضًا حقيقة أن هذا الإشعاع له طيف حراري. وهذا يعني أن الإشعاع القريب من أفق الحدث للثقب الأسود يمكن أن يرتبط بدرجة حرارة معينة

أين هو ثابت بلانك ج- سرعة الضوء في الفراغ، ك- ثابت بولتزمان، ز- ثابت الجاذبية، وأخيرا، م- كتلة الثقب الأسود . من خلال تطوير النظرية، من الممكن بناء الديناميكا الحرارية الكاملة للثقوب السوداء.

ومع ذلك، فإن هذا النهج تجاه الثقب الأسود يتعارض مع ميكانيكا الكم ويؤدي إلى مشكلة اختفاء المعلومات في الثقب الأسود.

ولم يتم تأكيد التأثير بعد من خلال الملاحظات. وفقًا للنسبية العامة، أثناء تكوين الكون، كان من المفترض أن تكون الثقوب السوداء البدائية قد ولدت، وبعضها (بكتلة أولية تبلغ 10 12 كجم) يجب أن ينتهي بالتبخر في عصرنا هذا. وبما أن معدل التبخر يزداد مع انخفاض حجم الثقب الأسود، فإن المراحل النهائية يجب أن تكون في الأساس انفجارًا للثقب الأسود. ولم يتم تسجيل مثل هذه الانفجارات حتى الآن.

التأكيد التجريبي

يدعي باحثون من جامعة ميلانو أنهم تمكنوا من ملاحظة تأثير إشعاع هوكينج، مما أدى إلى خلق نقيض الثقب الأسود - ما يسمى بالثقب الأبيض. على عكس الثقب الأبيض، الذي "يمتص" كل المادة والإشعاع من الخارج، الثقب الأبيضيوقف الضوء تمامًا من الدخول إليه، وبالتالي يخلق حدودًا، أفق الحدث. في التجربة، تم لعب دور الثقب الأبيض بواسطة بلورة كوارتز لها بنية معينة وتم وضعها فيها شروط خاصةحيث توقفت فوتونات الضوء تمامًا. منور بالضوء ليزر الأشعة تحت الحمراءالبلورة المذكورة أعلاه، اكتشف العلماء وأكدوا وجود تأثير إعادة الانبعاث، إشعاع هوكينج.

الفيزيائي جيف شتاينهاور من إسرائيل معهد التكنولوجيافي حيفا تم تسجيل الإشعاع الذي تنبأ به ستيفن هوكينج في عام 1974. ابتكر العالم نظيرًا صوتيًا للثقب الأسود وأظهر في التجارب أن الإشعاع ينبعث منه الطبيعة الكمومية. نُشرت المقالة في مجلة Nature Physics، وأوردت بي بي سي نيوز تقريرًا موجزًا ​​عن الدراسة.
...ليس من الممكن حتى الآن اكتشاف هذا الإشعاع على ثقب أسود حقيقي، لأنه ضعيف جدًا. لذلك، استخدم شتاينهاور نظيره - ما يسمى "بالثقب الأعمى". ولإنشاء نموذج لأفق الحدث لثقب أسود، أخذ مكثفات بوز-آينشتاين من درجة التبريد إلى درجة قريبة من درجة الحرارة. الصفر المطلقدرجات حرارة ذرات الروبيديوم.
سرعة انتشار الصوت فيه منخفضة جدًا - حوالي 0.5 مم / ثانية. وإذا قمت بإنشاء حدود، على جانب واحد منها تتحرك الذرات بسرعات دون سرعة الصوت، وعلى الجانب الآخر، تتسارع إلى سرعات تفوق سرعة الصوت، فإن هذه الحدود ستكون مشابهة لأفق الحدث للثقب الأسود. الكميات الذرية - في في هذه الحالةالفونونات - في التجربة تم التقاطها بواسطة منطقة ذات سرعة تفوق سرعة الصوت. تم فصل أزواج الفونونات، وكان أحدهما في منطقة، والثاني في منطقة أخرى. تشير الارتباطات التي سجلها العالم إلى أن الجسيمات متشابكة كميًا.

لقد شغلت مشكلة تناظر الباريون علماء الفيزياء منذ فترة طويلة، لأنه بدون عدم التماثل هذا سيكون وجود النجوم والكواكب والبشر وأكثر من ذلك بكثير مستحيلا. نص العمل المقابل متاح على خادم الطباعة المسبقة بجامعة كورنيل.

من الأفكار الموجودة حول قوانين الطبيعة، ليس من الواضح كيف يمكن أن تنشأ فيها الغلبة الملحوظة بوضوح للمادة على المادة المضادة. وفي الوقت نفسه، من الواضح أن هذا السؤال هو المفتاح لتطور الكون كما نعرفه. إذا لم يكن هناك الكثير من المادة العادية، فإن كل ذرة مضادة ستتفاعل مع ذرة، وسيتحول الكون بأكمله إلى فوتونات جاما، والتي بالطبع لا يمكن أن تنشأ منها الأجرام السماوية.

يعتبر المؤلفون العواقب المحتملةاضمحلال الثقوب السوداء البدائية لتوازن المادة والمادة المضادة في الكون المبكر. الثقوب السوداء الأولية هي تلك التي لم يتم اكتشافها بعد، ولكن من المفترض أنها قريبة. المجموعات العلميةالأجسام التي كتلتها أقل بكثير من كتلة شمسية واحدة ويعتقد أنها نشأت في الثانية الأولى بعد ذلك .الانفجار العظيم.

مثل هذه الثقوب السوداء، إذا كانت كتلتها منخفضة بما فيه الكفاية، يجب أن تتبخر بسرعة (على العكس من ذلك، تتبخر الثقوب السوداء الكبيرة ببطء شديد، ولكنها تمتص المادة المحيطة بسرعة، مما يضمن وجودها على المدى الطويل). يظهر الباحثون أنه إذا حدث تبخر الثقوب السوداء في عصر ما قبل تبريد الكون، عندما كان مشبعًا بشكل أساسي بالإشعاع، فلا يمكن أن يكون لهذا التبخر أي تأثير خاص على تطوره. ومع ذلك، إذا تبخرت الثقوب السوداء الأولية بعد ذلك بقليل، عندما كان الزمكان ممتلئًا بالفعل بالمادة بدلاً من الإشعاع، فإن الوضع سيتغير بشكل كبير.

عندما تتبخر الثقوب السوداء، بالإضافة إلى الفوتونات، يجب أن تظهر أيضًا الإلكترونات والبوزيترونات (الإلكترونات المضادة). يجب على الإلكترونات والإلكترونات المضادة أن تفني وتنتج فوتونات جديدة طاقات عالية. ونتيجة لذلك، فإن عدد الفوتونات في الكون، وفقًا لحسابات المؤلفين، يجب أن يصبح هائلاً. لدرجة أنها ستعود مؤقتًا إلى الحالة التي يهيمن عليها الإشعاع.

وهذا استنتاج غير متوقع إلى حد ما. إذا تم تنفيذ مثل هذا السيناريو عمليا، إذن التاريخ المبكرلم يسير الكون كما كان متصورًا سابقًا - فبدلاً من عصر واحد من الهيمنة الإشعاعية، كان هناك عصران، وسبب بداية العصر الثاني هو تبخر الثقوب السوداء (في المرحلة النهائية يبدو انفجارًا). ثقب أسود صغير). في هذه الحالة، لوحظ حاليا عدم التماثل الباريونيتم تخفيفه بشكل كبير من خلال الحقبة الثانية اللاحقة من هيمنة الإشعاع، وبالتالي، فإن أسباب ظهور عدم تناسق الباريون في الكون قد تكون أيضًا مختلفة بعض الشيء عن تلك التي كانت تعتبر ممكنة سابقًا.

ربما، أعظم اكتشافستيفن هوكينج، وسبب شهرته الكبيرة بين علماء الفيزياء، هو أن الثقوب السوداء لا تعيش إلى الأبد.

وهي تشع طاقتها على مدى فترات زمنية طويلة جدًا من خلال عملية تم اكتشافها في عام 1974 تُعرف باسم إشعاع هوكينج. سأل أحد القراء هذا الأسبوع السؤال التالي:

منذ اكتشاف إشعاع هوكينج في المنشورات العلميةيوصف بأنه التبخر التدريجي للثقوب السوداء بسبب الخلق التلقائي لجسيمات متشابكة بالقرب من أفق الحدث. يقولون أن أحد الجسيمين يُمتص إلى داخل الثقب الأسود، بينما يطير الآخر بعيدًا ويتحول إلى إشعاع هوكينج. وبسبب هذا الإشعاع، تفقد الثقوب السوداء كتلتها تدريجيًا، ونتيجة لذلك تختفي تمامًا. والسؤال هو، إذا سقط جسيم في ثقب أسود وطار الآخر بعيدًا، فلماذا يصبح الثقب الأسود أصغر؟ ألا ينبغي لها، على العكس من ذلك، أن تكتسب وزناً؟

سؤال كبير يحتوي على عدة مفاهيم خاطئة، بعضها سببه هوكينج نفسه. دعونا معرفة!

منذ أكثر من 101 سنة، الأول الحل الدقيق النظرية العامةالنسبية: الزمكان الذي يصف تفردًا هائلاً محاطًا بأفق الحدث. تم هذا الاكتشاف بواسطة كارل شوارزشيلد، الذي أدرك على الفور أنه وصف ثقبًا أسود: جسم كثيف وضخم جدًا لدرجة أنه لا يمكن حتى للضوء الهروب منه. جاذبية الجاذبية.

لفترة طويلة كان يُعتقد أنه إذا قمت بتجميع كتلة كافية معًا، وحشرها في منطقة صغيرة بما يكفي من الفضاء، فإن انهيار الجاذبية في ثقب أسود سيكون لا رجعة فيه، وأنه بغض النظر عن التكوين الأولي للكتلة، فإن التفرد سوف يحدث. تكون نقطة وأفق الحدث سيكون مجالًا. إن المعيار الوحيد الذي يهم العلماء – حجم أفق الحدث – يجب أن يتم تحديده فقط من خلال كتلة الثقب الأسود.

مع امتصاص الثقب الأسود كل شيء أكثرالمادة، فتزداد كتلتها، ويزداد حجمها. لفترة طويلة كان يُعتقد أن هذا سيستمر حتى لا يتبقى أي مادة يمكن امتصاصها، أو حتى نهاية الكون.

لكن هذا الحكم غيّر شيئاً ما. الاكتشاف الثوري بأن كوننا يتكون من أجزاء صغيرة جزيئات غير قابلة للتجزئة، طاعة مجموعة القوانين الخاصة بهم، مجموعة الكم. تتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض من خلال مختلف التفاعلات الأساسيةوالتي يمكن تمثيل كل منها كمجموعة من الحقول الكمومية.

هل تريد أن تعرف كيف يتفاعل جسيمان مشحونان كهربائيًا، أو كيف تتفاعل الفوتونات؟ كل شيء تحت السيطرة الديناميكا الكهربائية الكموميةأو نظرية الكم التفاعلات الكهرومغناطيسية. ماذا عن الجسيمات المسؤولة عن القوة الشديدة: القوة التي تربط البروتونات والجسيمات الأخرى في النوى معًا؟ هذه هي الديناميكا اللونية الكمومية، أو نظرية الكم. تفاعلات قوية. ماذا عن الاضمحلال الإشعاعي؟ هذه هي النظرية الكمومية للتفاعلات النووية الضعيفة.

لكن هذه المجموعة تفتقد عنصرين. هناك شيء واحد يسهل ملاحظته: في العالم الكميلا يؤخذ تفاعل الجاذبية في الاعتبار، لأنه ليس لدينا نظرية الكمجاذبية. والثاني أكثر تعقيدًا: نظريات الكم الثلاث المذكورة تعمل عادةً في الفضاء المسطح، حيث تفاعلات الجاذبيةيمكن إهمالها. يُسمى الزمكان المطابق لذلك في النسبية العامة بفضاء مينكوفسكي. لكن بالقرب من الثقب الأسود، ينحني الفضاء ويتحول إلى فضاء شوارزشيلد.

وماذا يحدث لهؤلاء الحقول الكموميةليس في الفضاء الفارغ والمسطح، بل في الفضاء المنحني بجوار الثقب الأسود؟ اقترب هوكينج من هذه المشكلة في عام 1974، موضحًا أن وجود هذه الحقول في الفضاء المنحني بالقرب من الثقب الأسود يؤدي إلى ظهور الإشعاع الحراري من الجسم الأسود. درجة حرارة معينة. تكون درجة الحرارة والتدفق هذه أقل كلما زادت كتلة الثقب الأسود، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن انحناء الفضاء يكون أقل عند أفق الحدث لثقب أسود أكبر وأكثر ضخامة.

في شعبية كتاب علمي, « تاريخ موجزالوقت" (لا يزال رقم 1 على أمازون في قسمي "علم الكونيات" و"الفيزياء النسبية")، يصف ستيفن هوكينج فراغًا في الفضاء يتكون من أزواج الجسيمات الافتراضية/ ظهور واختفاء الجسيمات المضادة. ووفقا له، بالقرب من الثقب الأسود، في بعض الأحيان يقع أحد مكوني هذا الزوج الافتراضي خارج أفق الحدث، بينما يبقى الآخر في الخارج. يكتب أنه في مثل هذه اللحظة، يهرب العضو الخارجي للزوجين بطاقة حقيقية وإيجابية، والعضو الداخلي لديه الطاقة السلبيةمما يؤدي إلى انخفاض كتلة الثقب الأسود، مما يؤدي إلى تبخره تدريجياً.

وطبعاً هذه الصورة غير صحيحة. بادئ ذي بدء، لا يأتي الإشعاع من حافة أفق الحدث للثقب الأسود فحسب، بل من كامل الفضاء المحيط به. لكن أكبر مفهوم خاطئ حول هذه العملية هو أن الثقب الأسود يصدر في الواقع فوتونات، وليس الجسيمات والجسيمات المضادة. في الواقع، يمتلك الإشعاع طاقة منخفضة جدًا لدرجة أنه غير قادر على إنتاج أزواج من الجسيمات/الجسيمات المضادة على الإطلاق.

حاولت تحسين تفسير ما كان يحدث من خلال التأكيد على أننا كنا نتحدث عن جسيمات افتراضية، أي عن طريقة لتصور الحقول الكمومية في الطبيعة؛ هذه ليست جزيئات حقيقية. لكن هذه الخصائص يمكن أن تؤدي إلى ظهور إشعاع حقيقي.

ولكن هذا ليس صحيحا تماما. ويعني هذا التفسير أن الإشعاع سيكون قويا بالقرب من أفق الحدث، وسيظهر ضعيفا ومنخفض الحرارة فقط على مسافة كبيرة من الثقب الأسود. في الواقع، الإشعاع صغير في كل مكان، ولا يمكن ربط سوى نسبة صغيرة من الإشعاع بأفق الحدث نفسه.

التفسير الحقيقي أكثر تعقيدا بكثير، ويظهر أن هذه الصورة البدائية لها حدودها. أصل المشكلة هو أن المراقبين المختلفين يحصلون على صور مختلفة لما يحدث وإدراك الجسيمات، وهذه المشكلة أكثر تعقيدًا في الفضاء المنحني عنها في الفضاء المسطح. ببساطة، سيرى أحد المراقبين مساحة فارغة، بينما سيرى مراقب آخر يتحرك بمعدل متسارع جزيئات فيه. ويرتبط جوهر إشعاع هوكينج باستمرار بمكان الراصد وما يراه، اعتمادًا على ما إذا كان يتحرك بشكل متسارع أو في حالة سكون.

ومن خلال إنشاء ثقب أسود في مكان لا يوجد فيه ثقب أسود، فإنك تقوم بتسريع الجسيمات خارج أفق الحدث، والتي تقع في النهاية داخل هذا الأفق. هذه العملية هي مصدر هذا الإشعاع، وتُظهر حسابات هوكينج مدى تمدد عملية التبخر هذه بشكل لا يصدق في الوقت المناسب. بالنسبة للثقب الأسود الذي تبلغ كتلته كتلة شمسية واحدة، سيستغرق التبخر 1067 عامًا. بالنسبة لأكبر ثقب أسود في الكون بكتلة تبلغ 10 مليارات شمس، سيستغرق ذلك 10100 عام. ومع ذلك، فإن عمر الكون اليوم يبلغ حوالي 10 10 سنوات فقط، ومعدل التبخر منخفض للغاية لدرجة أنه سيستغرق 10 20 سنة أخرى قبل أن تبدأ الثقوب السوداء في التبخر بشكل أسرع مما تنمو بسبب الاصطدامات العشوائية مع البروتونات أو النيوترونات أو الإلكترونات بين النجوم. .

لذلك، للإجابة بشكل مختصر على سؤال القارئ، يمكننا القول أن الصورة التي رسمها هوكينج مبالغ فيها إلى درجة أنها غير صحيحة. الإجابة الأطول هي أن الإشعاع ينتج عن سقوط المادة في الثقب الأسود، وبسبب الفضاء المنحني للغاية حول أفق الحدث، ينبعث هذا الإشعاع ببطء شديد، على مدى فترات طويلة من الزمن وفي مثل هذه الأحجام الكبيرة من الفضاء. للحصول على تفسيرات أطول وأكثر تقنية، أوصي بالتحول (بتعقيد متزايد) إلى نصوص سابين هوسنفيلدر، وجون بايز، وستيف جيدينجز.

إيكولوجيا المعرفة. العلوم والتكنولوجيا: ماذا يحدث عندما يفقد الثقب الأسود ما يكفي من الطاقة بسبب إشعاع هوكينج بحيث لم تعد كثافة طاقته كافية للحفاظ على التفرد مع أفق الحدث؟ بمعنى آخر، ماذا يحدث عندما يتوقف الثقب الأسود عن كونه ثقبًا أسودًا بسبب إشعاع هوكينج؟

من الصعب أن نتصور، نظرًا لتنوع الأشكال التي تتخذها المادة في الكون، أنه لملايين السنين لم تكن توجد فيه سوى ذرات محايدة من الهيدروجين والهيليوم. وربما يكون من الصعب بنفس القدر أن نتصور أنه في يوم من الأيام، بعد كوادريليونات السنين، ستنطفئ كل النجوم. لن توجد سوى بقايا الكون الحي الآن، بما في ذلك الأجسام الأكثر إثارة للإعجاب: الثقوب السوداء. لكنها ليست أبدية أيضًا. يريد قارئنا أن يعرف بالضبط كيف سيحدث هذا:

ماذا يحدث عندما يفقد الثقب الأسود ما يكفي من الطاقة بسبب إشعاع هوكينج بحيث لم تعد كثافة طاقته كافية للحفاظ على التفرد مع أفق الحدث؟ بمعنى آخر، ماذا يحدث عندما يتوقف الثقب الأسود عن كونه ثقبًا أسودًا بسبب إشعاع هوكينج؟

للإجابة على هذا السؤال، من المهم أن نفهم ما هو الثقب الأسود في الواقع.

التشريح جدا نجم ضخمخلال حياته، ويبلغ ذروته في مستعر أعظم من النوع IIa عندما ينفد الوقود النووي من قلبه

تتشكل الثقوب السوداء بشكل أساسي بعد انهيار قلب نجم ضخم واستنفاد كل شيء. الوقود النوويوتوقف عن تصنيع العناصر الأثقل منه. مع تباطؤ وتوقف الاندماج، يتعرض القلب لانخفاض قوي في الضغط الإشعاعي، وهو ما حافظ وحده على النجم من الانهيار الجاذبي. في حين أن الطبقات الخارجية غالبًا ما تخضع لتفاعلات اندماج خارجة عن السيطرة وتنفجر النجم الأصلي إلى مستعر أعظم، فإن القلب ينهار أولاً ليتحول إلى نجم نيوتروني، ولكن إذا كانت كتلته كبيرة جدًا، فحتى النيوترونات تنضغط إلى حالة كثيفة. الذي يظهر منه الثقب الأسود. يمكن أن يحدث BH أيضًا عندما نجم نيوترونيأثناء عملية التراكم، سيأخذ كتلة كافية من النجم المرافق، وسيتجاوز العتبة اللازمة ليتحول إلى ثقب أسود.

عندما يكتسب النجم النيوتروني ما يكفي من المادة، فإنه يمكن أن ينهار ويتحول إلى ثقب أسود. عندما يكتسب الثقب الأسود المادة، ينمو قرصه التراكمي وكتلته مع سقوط المادة خارج أفق الحدث.

من منظور الجاذبية، كل ما هو مطلوب ليصبح ثقبًا أسودًا هو تجميع كتلة كافية في حجم صغير بدرجة كافية بحيث لا يستطيع الضوء الهروب من منطقة معينة. كل كتلة، بما في ذلك كوكب الأرض، لها سرعة الهروب الخاصة بها: السرعة التي يجب تحقيقها للهروب من جاذبية الجاذبية على مسافة معينة (على سبيل المثال، المسافة من مركز الأرض إلى سطحها) من مركز الكتلة. ولكن إذا اكتسبت كتلة كافية بحيث تكون السرعة التي تحتاج إلى اكتسابها على مسافة معينة من مركز الكتلة مساوية لسرعة الضوء - فلا شيء يمكن أن يهرب منها، لأنه لا شيء يمكنه تجاوز الضوء.

كتلة الثقب الأسود هي العامل الوحيد الذي يحدد نصف قطر أفق الحدث لثقب أسود معزول غير دوار

هذه المسافة من مركز الكتلة التي تساوي فيها سرعة الهروب سرعة الضوء - دعنا نسميها R - تحدد حجم أفق الحدث للثقب الأسود. لكن حقيقة أنه في مثل هذه الظروف توجد مادة بالداخل تؤدي إلى عواقب أقل شهرة: يجب أن ينهار كل شيء إلى متفردة. من الممكن أن نتخيل أن هناك حالة من حالات المادة تسمح لها بالبقاء مستقرة ولها حجم محدود داخل أفق الحدث - لكن هذا مستحيل فيزيائيا.

للحصول على قوة خارجية، يجب على الجسيم الموجود بالداخل أن يرسل الجسيم الذي يحمل القوة بعيدًا عن مركز الكتلة باتجاه أفق الحدث. لكن هذا الجسيم الحامل للقوة محدود أيضًا بسرعة الضوء، وبغض النظر عن مكان وجودك داخل أفق الحدث، فإن جميع خطوط العالم تنتهي عند مركزه. أما بالنسبة للجسيمات الأبطأ والأكثر ضخامة، فالأمر أسوأ. بمجرد ظهور ثقب أسود بأفق الحدث، يتم ضغط كل المادة الموجودة بداخله في متفردة.

من السهل حساب الزمكان الخارجي لثقب شوارزشيلد الأسود، المعروف باسم فلام المكافئ. ولكن داخل أفق الحدث كل شيء الخطوط الجيوديسيةيؤدي إلى التفرد المركزي.

وبما أنه لا يوجد شيء يمكن الهروب منه، فيمكن للمرء أن يقرر أن الثقب الأسود أبدي. ولولا فيزياء الكم لكان هذا هو الحال بالضبط. ولكن في فيزياء الكمهناك كمية غير صفرية من الطاقة الكامنة في الفضاء نفسه: الفراغ الكمي. في الفضاء المنحني، يأخذ الفراغ الكمي خصائص مختلفة قليلاً عما هو عليه في الفضاء المسطح، ولا توجد مناطق يكون فيها الانحناء أعلى مما هو عليه في محيط متفردة الثقب الأسود. إذا قارنا هذين القانونين الطبيعيين - فيزياء الكم والزمكان من النسبية العامة حول الثقب الأسود - فسنحصل على ظاهرة مثل إشعاع هوكينج.

إذا قمت بإجراء حسابات وفقا لنظرية المجال الكمي في الفضاء المنحني، فسوف تحصل على إجابة مفاجئة: من الفضاء المحيط بأفق الحدث للثقب الأسود، الإشعاع الحراريالجسم الأسود. وكلما كان أفق الحدث أصغر، كلما كان انحناء الفضاء المجاور له أقوى، وكلما زادت سرعة إشعاع هوكينج. لو كانت شمسنا ثقبًا أسود، لكانت درجة حرارة إشعاع هوكينج 62 نانو كلفن. إذا أخذنا الثقب الأسود الموجود في وسط مجرتنا، وكتلته أكبر بـ 4،000،000 مرة، فستكون درجة الحرارة بالفعل 15 درجة فهرنهايت، أي 0.000025٪ فقط من درجة الحرارة الأولى.

صورة مركبة من الأشعة السينية و نطاق الأشعة تحت الحمراءوالذي يظهر الثقب الأسود الموجود في مركز مجرتنا: برج القوس A*. وتبلغ كتلته 4 ملايين مرة كتلة الشمس، وهو محاط بغاز ساخن ينبعث منه الأشعة السينية. كما أنها تنبعث منها إشعاع هوكينج (الذي لا يمكننا اكتشافه)، ولكن عند درجة حرارة أقل بكثير.

وهذا يعني أن الثقوب السوداء الصغيرة تتبخر بشكل أسرع، بينما تعيش الثقوب السوداء الكبيرة لفترة أطول. وتشير الحسابات إلى أن الثقب الأسود ذو الكتلة الشمسية سيعيش لمدة 10 67 سنة قبل أن يتبخر، كما أن الثقب الأسود الموجود في مركز مجرتنا سيعيش 10 20 مرة أخرى قبل أن يتبخر. لكن الشيء الأكثر جنونًا في كل هذا هو أنه حتى الجزء الأخير من الثانية الأخيرة، سيحتفظ الثقب الأسود بأفق الحدث، حتى اللحظة التي تصبح فيها كتلته صفرًا.

يتبع إشعاع هوكينج حتمًا تنبؤات فيزياء الكم في الزمكان المنحني المحيط بأفق الحدث للثقب الأسود

لكن الثانية الأخيرة من حياة الثقب الأسود ستتميز بإطلاق خاص وكبير جدًا للطاقة. سيتبقى لها ثانية واحدة عندما تنخفض كتلتها إلى 228 طنًا. سيكون حجم أفق الحدث في هذه اللحظة 340 نانومتر، أي 3.4 × 10 -22: هذا هو الطول الموجي للفوتون بطاقة تتجاوز كل ما تم تحقيقه حتى الآن في مصادم الهادرونات الكبير. لكن هذا الثانية الأخيرةسيتم إطلاق 2.05 × 10 22 جول من الطاقة، أي ما يعادل 5 مليون ميجا طن من مادة تي إن تي. مثل مليون القنابل النوويةتنفجر في وقت واحد في مساحة صغيرة من الفضاء - وهذه هي المرحلة الأخيرة من إشعاع الثقب الأسود.

عندما يتقلص الثقب الأسود من حيث الكتلة ونصف القطر، تزداد درجة حرارة وقوة إشعاع هوكينج.

ماذا سيبقى؟ الإشعاع الصادر فقط. حيث كان يوجد سابقًا تفرد في الفضاء حيث توجد الكتلة وربما الشحنة والزخم الزاوي في حجم متناهٍ في الصغر، لا يوجد الآن شيء. يتم استعادة الفضاء إلى حالته السابقة غير المفردة، بعد فترة زمنية بدت لا نهائية: مثل هذا الوقت يكفي لحدوث كل شيء في الكون حدث فيه منذ البداية، تريليونات تريليونات المرات. عندما يحدث هذا لأول مرة، لن يكون هناك أي نجوم أو مصادر ضوئية في الكون، ولن يكون هناك أي شخص يمكن أن يكون حاضرًا لهذا الانفجار المذهل. لكن لا يوجد "حد" لهذا. يجب أن يتبخر الثقب الأسود تمامًا. وبعد ذلك، على حد علمنا، لن يتبقى سوى الإشعاع الصادر.

على خلفية أبدية من الظلام المستمر، سيظهر وميض واحد من الضوء: تبخر الثقب الأسود الأخير في الكون.

بمعنى آخر، إذا تمكنت من ملاحظة تبخر آخر ثقب أسود في الكون، فسترى مساحة فارغة لم يكن هناك أي علامة على النشاط فيها لمدة 10100 عام أو أكثر. وفجأة سيظهر وميض لا يصدق من الإشعاع ذو طيف وقوة معينة، ينطلق من نقطة واحدة في الفضاء بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية. وسوف يكون آخر مرةفي الكون المرئي عندما يغمره حدث ما بالإشعاع. قبل أن يتبخر الثقب الأسود الأخير قائلا لغة شعريةسيقول الكون للمرة الأخيرة: "ليكن نور!" نشرت

إذا كانت لديك أية أسئلة حول هذا الموضوع، فاطرحها على الخبراء والقراء في مشروعنا.

كان ستيفن هوكينج واحدًا من أوائل الكتب العلمية المشهورة التي قرأتها، وقد كرهتها. لقد كرهت ذلك لأنني لم أفهم. كان الإحباط الناتج عن هذا الكتاب أحد الأسباب الرئيسية التي جعلتني أصبح فيزيائيًا - حسنًا، على الأقل أعرف من ألومه على ذلك.

المنشور الأصلي لا يمكن أن يتباهى الهيكل المثاليالرواية التي لم أغيرها. لكن المشكلة مهمة جدًا وذات صلة، ويمكن أن نغفر لسابينا الأخطاء في الأسلوب لمناقشتها وشرحها.

توقفت عن كره هذا الكتاب - يجب أن أعترف أنه بتحريض من هوكينج، اشتعل اهتمام عامة الناس بالمسائل الأساسية للفيزياء (المتعلقة بالثقوب السوداء). لكن بين الحين والآخر ما زلت أرغب في ضرب الكتاب اللعين. ليس لأنني لا أفهمها، ولكن لأنها أقنعت الكثير من الناس بذلك همفهم لها.

رسم هوكينج في هذا الكتاب صورة أنيقة لتبخر الثقب الأسود والتي تُستخدم الآن على نطاق واسع. ومن وجهة نظره، تتبخر الثقوب السوداء لأن أزواجًا من الجسيمات الافتراضية التي تنشأ بالقرب من الأفق تمزقها قوى المد والجزر. ينتهي أحد الجسيمين خلف أفق الحدث ويسقط في الثقب الأسود، بينما يطير الثاني للخارج. ونتيجة لذلك، يقوم الثقب الأسود بإصدار جسيمات باستمرار في أفق الحدث. إنها بسيطة، وبديهية، وهي خاطئة تمامًا.

هذا الشرح مجرد توضيح بسيط لا أكثر. في الواقع - لن تتفاجأ - فالوضع أكثر تعقيدًا.

أزواج الجسيمات - بقدر ما يكون من المنطقي الحديث عن الجسيمات في فيزياء الكم - ليست موضعية في الفضاء. يتم "تلطيخها" على منطقة من الفضاء مماثلة لنصف قطر الثقب الأسود ( تقريبا. خط يشبه ذلك كيف أن الإلكترون لا يتحرك في مدار معين حول نواة الذرة، حيث يقع في نقطة ما، ولكنه "يلطخ" حول النواة.). لا تظهر أزواج الجسيمات كنقاط، بل كسحب غير واضحة في جميع أنحاء الثقب الأسود، ولا تنفصل إلا على مسافات مماثلة لنصف قطر الثقب الأسود. الصورة التي رسمها هوكينج لغير المتخصصين لا تدعمها أي رياضيات. هناك عنصر من الحقيقة فيه، لكن لا ينبغي أن يؤخذ على محمل الجد - فقد يصبح مصدرًا للعديد من المفاهيم الخاطئة.

إن تفسير هوكينج غير دقيق ليس بالأمر الجديد، فمن المعروف منذ أوائل السبعينيات أن إشعاع هوكينج لا ينشأ في الأفق ذاته. بالفعل في كتاب بيريل وديفيس (1984) مكتوب بوضوح أنه إذا افترضنا حدوث الإشعاع في الأفق ونظرنا في عملية الإشعاع في الاتجاه المعاكسبمرور الوقت: لتتبع الجسيمات التي تقترب من أفق الحدث من بعيد ويزداد ترددها ("التحول الأزرق")، فإن هذا لن يعطي وصفًا صحيحًا للمنطقة القريبة من أفق الحدث. النهج الصحيحستكون مختلفة: يتم "تلطيخ" الجسيمات من زوج هوكينج عند الولادة وخلطها مع بعضها البعض، لذلك يمكننا التحدث عنها على أنها "جسيمات" بالمعنى المحلي فقط ( وهذا يعني وجود نظام إحداثيات محلي من وجهة نظر النسبية العامة، تقريبًا.). علاوة على ذلك، يجب على المرء أن يأخذ بعين الاعتبار الكميات التي يمكن ملاحظتها بصدق، مثل موتر الزخم الزاوي.

كان افتراض ظهور أزواج على مسافة ما من أفق الحدث ضروريًا لحل اللغز الذي حيّر علماء الفيزياء في السبعينيات والثمانينيات. تكون درجة حرارة إشعاع الثقب الأسود منخفضة جدًا عند النظر إليها من مسافة بعيدة. لكن لكي يفلت هذا الإشعاع من جاذبية الثقب الأسود على الإطلاق، يجب أن يمتلك في البداية طاقة هائلة بالقرب من الأفق. ومن ثم فإن الراصد الذي يسقط في ثقب أسود سيتحول إلى رماد، ويمر عبر منطقة بها مثل هذه الطاقة. وهذا بدوره ينتهك مبدأ التكافؤ، والذي بموجبه يجب على الراصد الذي يسقط في ثقب أسود ألا يلاحظ أي شيء غير عادي على الإطلاق عند عبور الأفق.

ولحل هذه المشكلة يجب الأخذ بعين الاعتبار أن الإشعاع لا يمكن اعتباره قادما من الأفق نفسه. إذا قمنا بحساب موتر زخم الطاقة بالقرب من الأفق بأمانة، فسيتبين أنه صغير جدًا، ويظل كذلك عند عبور الأفق. في الواقع، إنه صغير جدًا لدرجة أن الراصد الساقط لن يتمكن من ملاحظة الفرق من الفضاء المسطح إلا على مسافات مماثلة لنصف قطر الثقب الأسود (وهو أيضًا حجم انحناء الزمكان). ثم يتقارب كل شيء، ولا ينشأ أي انتهاك لمبدأ التكافؤ.

[أعلم أن كل هذا يبدو مشابهًا لمشكلة جدار الحماية التي ناقشتها سابقًا، ولكن لها تأثير مختلف قليلاً. (تقريبًا تنشأ مشكلة جدار الحماية عندما يفكر المرء في التشابك بين جسيم منبعث وجسيم يسقط في ثقب أسود. وللوفاء بمبادئ ميكانيكا الكم، يجب تدمير هذه الارتباطات. وعندما يتم تدمير الارتباطات، يتم إطلاق طاقة هائلة، والتي يخلق "جدار النار" في الأفق.)في هذه الحالة، تنشأ مشاكل مختلفةعند الحوسبة بالقرب من الأفق. يمكن انتقاد فكرة جدار الحماية على أساس أنه في المقالة الأصلية حول جدار الحماية، لم يتم حساب موتر زخم الطاقة. على عكس الآخرين، لا أعتقد أن هذه هي المشكلة.]

السبب الحسابي الحقيقي وراء انبعاث الجسيمات من الثقوب السوداء هو أن مفهوم الجسيم يختلف باختلاف المراقبين.

لقد اعتدنا على حقيقة أن الجسيم إما أن يكون معنا أم لا. ومع ذلك، هذا صحيح فقط طالما أننا نتحرك بشكل موحد بالنسبة لبعضنا البعض. إذا تسارع المراقب (نحن)، فإن تعريف الجسيم ذاته يتغير بالنسبة له. ما يبدو فراغا فارغا للمراقب متى حركة موحدة، تبين أنها مليئة بالجزيئات أثناء التسارع. سُمي هذا التأثير على اسم بيل أونروه، الذي اقترحه بالتزامن تقريبًا مع فرضية إشعاع الثقب الأسود لهوكينج. التأثير نفسه صغير جدًا بالنسبة للتسارع الذي اعتدنا عليه، ولا نلاحظه أبدًا.

يرتبط تأثير أونروه ارتباطًا وثيقًا بتأثير هوكينج لتبخر الثقب الأسود. عندما تنشأ الثقوب السوداء، فإن المادة التي تنهار في الثقب الأسود تخلق زمكانًا ديناميكيًا يؤدي إلى تسارع بين المراقبين السابقين والمستقبليين. ونتيجة لذلك، يصبح الزمكان المحيط بالمادة المنهارة، والذي لم يكن يحتوي على أي جسيمات قبل ظهور الثقب الأسود، ممتلئًا بالإشعاع الحراري في المراحل اللاحقة من الانهيار. أي أن إشعاع هوكينج هو نفس الفراغ الذي أحاط في البداية بالمادة المنهارة، ( تقريبا. تمامًا كما هو الحال في تأثير أونروه، يمتلئ الفراغ بالإشعاع عندما يتسارع الراصد).

هذا هو مصدر الإشعاع الصادر عن الثقوب السوداء: تعريف الجسيم ذاته يعتمد على الراصد. ليست بسيطة مثل صورة هوكينج، ولكنها أكثر دقة.

لقد أصبحت صورة هوكينج لأزواج الجسيمات والجسيمات المضادة في الأفق شائعة جدًا لدرجة أن بعض الفيزيائيين يعتقدون الآن أن هذا هو بالضبط ما يحدث ( ملاحظة لكل. قبل مشاركة سابينا، كنت أفكر بنفسي بهذه الطريقة، مما يثير الخجل). إن حقيقة أن التحول الأزرق للإشعاع، عند النظر في انتشاره عبر الزمن من اللانهاية إلى الأفق، ينتج مثل هذه الطاقة الهائلة في الأفق قد ضاع في الأدبيات. لسوء الحظ، فإن سوء فهم العلاقة بين تدفق جسيمات هوكينج بعيدًا عن الثقب الأسود وبالقرب من أفق الحدث يؤدي إلى استنتاج غير صحيح مفاده أن هذا التدفق أقوى بكثير مما هو عليه في الواقع. على سبيل المثال، أدى هذا إلى ارتكاب ميرسيني-هوتون أخطاء عند استنتاج الدليل على عدم وجود الثقوب السوداء على الإطلاق.

(ملاحظة لكل. علاوة على ذلك، تم اختصار المقال لسهولة القراءة؛ يناقش المنشور الأصلي كتاب "العمل المخيف عن بعد" والحسابات، حيث يتم حساب المسافة الدقيقة التي يحدث عندها إشعاع هوكينج - عدة أنصاف أقطار للثقب الأسود - ومصدره. تمت مناقشة التأثير بالتفصيل)

إذا علمني كتاب هوكينج شيئًا واحدًا، فهو أن الاستعارات البصرية اللزجة يمكن أن تكون لعنة بقدر ما تكون نعمة.