, kara delik. Enerji ve "href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D1%81%D0%BE%D1 nedeniyle %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">enerjinin korunumu yasası ve bu sürece kütlede azalma eşlik ediyor kara delik yani "buharlaşması" yoluyla. Teorik olarak bu yıl Stephen Hawking tarafından tahmin edilmişti. Hawking'in çalışması, 1973'te Sovyet bilim adamları Yakov Zeldovich ve Alexander Starobinsky ile tanıştığı Moskova'ya yaptığı ziyaretten önce gerçekleşti. Belirsizlik ilkesine göre Hawking'e şunu gösterdiler: kuantum mekaniği dönen kara delikler parçacıklar üretip yaymalıdır.

Bir kara deliğin buharlaşması tamamen kuantum bir süreçtir. Gerçek şu ki, kara deliğin hiçbir şey yaymayan, yalnızca madde emebilen bir nesne olduğu kavramı, dikkate alınmadığı sürece geçerlidir. kuantum etkileri. Kuantum mekaniğinde tünelleme sayesinde Potansiyel Bariyeri aşmak mümkün hale gelir" 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">kuantum olmayan bir sistem için aşılamaz olan potansiyel engeller.

Kara delik durumunda durum şuna benzer: aşağıdaki gibi. Kuantum alan teorisinde, fiziksel boşluk, çeşitli alanların ("sanal parçacıklar" diyebileceğimiz) sürekli olarak ortaya çıkan ve kaybolan dalgalanmalarıyla doludur. sahada dış kuvvetler bu dalgalanmaların dinamikleri değişir ve eğer kuvvetler yeterince güçlüyse, parçacık-antiparçacık çiftleri doğrudan boşluktan doğabilir. Bu tür süreçler aynı zamanda bir kara deliğin olay ufkunun yakınında (ama yine de dışında) meydana gelir. Bu durumda, antiparçacığın toplam enerjisi i'nin negatif olduğu ve parçacığın toplam enerjisi i'nin pozitif olduğu bir durum mümkündür. Bir kara deliğe düşen antiparçacık, toplam dinlenme enerjisini ve dolayısıyla kütlesini azaltırken, parçacık sonsuza kadar uçabilir. Uzaktaki bir gözlemciye göre bu, bir kara delikten yayılan radyasyona benziyor.

Önemli olan sadece radyasyon gerçeği değil, aynı zamanda bu radyasyonun termal spektruma sahip olmasıdır. Bu, bir kara deliğin olay ufku yakınındaki radyasyonun belirli bir sıcaklıkla ilişkilendirilebileceği anlamına gelir.

Planck sabiti nerede, C- ışığın boşluktaki hızı, k- Boltzmann sabiti, G- yerçekimi sabiti ve son olarak, M- kara deliğin kütlesi. Teoriyi geliştirerek kara deliklerin tam termodinamiğini oluşturmak mümkündür.

Ancak kara deliğe bu yaklaşım kuantum mekaniğiyle çelişiyor ve kara delikte bilginin kaybolması sorununa yol açıyor.

Etki henüz gözlemlerle doğrulanmadı. Genel göreliliğe göre, Evrenin oluşumu sırasında ilksel kara deliklerin doğmuş olması gerekirdi ve bunlardan bazılarının (başlangıç ​​kütlesi 10 12 kg olan) zamanımızda buharlaşmayı bitirmesi gerekirdi. Kara deliğin boyutu küçüldükçe buharlaşma hızı arttığından, son aşamalar esasen kara deliğin patlaması olmalıdır. Şu ana kadar böyle bir patlama kaydedilmedi.

Deneysel doğrulama

Milan Üniversitesi'nden araştırmacılar, Hawking radyasyonunun etkisini gözlemleyebildiklerini ve bir kara deliğin antipodunu (beyaz delik olarak adlandırılan) yaratabildiklerini iddia ediyorlar. Dışarıdan tüm maddeyi ve radyasyonu “emen” beyaz deliğin aksine, beyaz delik içine giren ışığı tamamen keser, böylece bir sınır, bir olay ufku yaratır. Deneyde beyaz delik rolü, belirli bir yapıya sahip olan ve içine yerleştirilen bir kuvars kristali tarafından oynandı. özel koşullarİçinde ışık fotonları tamamen durdu. Işıkla aydınlatan kızılötesi lazer Bilim adamları, yukarıda bahsedilen kristalin yeniden emisyon etkisinin yani Hawking radyasyonunun varlığını keşfettiler ve doğruladılar.

İsrailli fizikçi Jeff Steinhauer Teknoloji Enstitüsü Hayfa'da 1974'te Stephen Hawking'in öngördüğü radyasyon kaydedildi. Bilim adamı bir kara deliğin akustik analoğunu yarattı ve deneylerde radyasyonun ondan yayıldığını gösterdi. kuantum doğası. Makale Nature Physics dergisinde yayınlandı ve BBC News, çalışma hakkında kısaca bilgi verdi.
...Bu radyasyonu gerçek bir kara delik üzerinde tespit etmek henüz mümkün değil çünkü çok zayıf. Bu nedenle Steinhauer, "kör delik" adı verilen analogunu kullandı. Bir kara deliğin olay ufkunu modellemek için Bose-Einstein yoğunlaşmasını soğumuş durumdan yakına doğru aldı. mutlak sıfır Rubidyum atomlarının sıcaklıkları.
İçinde sesin yayılma hızı çok düşüktür - yaklaşık 0,5 mm/sn. Ve bir tarafında atomların ses altı hızlarda hareket ettiği, diğer tarafında ise süpersonik hızlara hızlandığı bir sınır oluşturursanız, bu sınır bir kara deliğin olay ufkuna benzer olacaktır. Atomik kuantum - bu durumda fononlar - deneyde süpersonik hıza sahip bir bölge tarafından yakalandı. Fonon çiftleri ayrılmıştı; biri bir bölgede, ikincisi başka bir bölgedeydi. Bilim adamının kaydettiği korelasyonlar, parçacıkların kuantum dolaşıklığına sahip olduğunu gösteriyor.

Baryon simetrisi sorunu fizikçileri uzun süredir meşgul ediyor, çünkü böyle bir asimetri olmadan yıldızların, gezegenlerin, insanların ve çok daha fazlasının varlığı imkansız olurdu. İlgili çalışmanın metni Cornell Üniversitesi ön baskı sunucusunda mevcuttur.

Doğa yasalarıyla ilgili mevcut fikirlerden, maddenin antimaddeye göre açıkça gözlemlenen üstünlüğünün bunda nasıl ortaya çıkabileceği açık değildir. Aynı zamanda bu soru, bildiğimiz şekliyle Evrenin evriminin de anahtarıdır. Çok daha fazla sıradan madde olmasaydı, her anti-atom bir atomla reaksiyona girerdi ve tüm Evren, elbette ki bunların ortaya çıkması mümkün olmayan gama fotonlarına dönüşürdü. gök cisimleri.

Yazarlar dikkate alıyor olası sonuçlar Erken Evrendeki madde ve antimadde dengesi için ilkel kara deliklerin çürümesi. Birincil kara delikler henüz keşfedilmemiş ancak yakınlarda olduğu varsayılan kara deliklerdir. bilimsel gruplar Kütlesi bir güneş kütlesinden çok daha az olan ve güneşten sonraki ilk saniyede ortaya çıktığına inanılan nesneler. büyük patlama.

Bu tür kara delikler, eğer yeterince düşük bir kütleye sahiplerse, hızlı bir şekilde buharlaşmalıdır (aksine, büyük kara delikler son derece yavaş buharlaşır, ancak çevredeki maddeyi hızlı bir şekilde emer, bu da onların uzun vadeli varlığını sağlar). Araştırmacılar, eğer kara deliklerin buharlaşması, Evrenin soğumasından önceki dönemde, esas olarak radyasyona doymuş olduğunda meydana gelmişse, bu tür bir buharlaşmanın, evrenin evrimi üzerinde özel bir etkisi olamayacağını gösteriyor. Bununla birlikte, birincil kara delikler biraz daha sonra buharlaşırsa, yani uzay-zaman zaten radyasyon yerine çoğunlukla maddeyle doluyken, durum çarpıcı biçimde değişir.

Kara delikler buharlaştığında fotonların yanı sıra elektronlar ve pozitronların (antielektronlar) da ortaya çıkması gerekir. Elektronlar ve antielektronlar yok edilmeli ve yeni fotonlar üretmelidir yüksek enerjiler. Sonuç olarak, yazarların hesaplamalarına göre Evrendeki foton sayısının çok büyük olması gerekirdi. Öyle ki, geçici olarak radyasyonun kendisine hakim olduğu bir duruma dönecektir.

Bu oldukça beklenmedik bir sonuçtur. Eğer böyle bir senaryo pratikte gerçekleştirilmiş olsaydı, o zaman erken tarih Evren daha önce hayal edildiği gibi ilerlemedi; bir radyasyon hakimiyeti dönemi yerine iki dönem vardı ve ikinci dönemin başlamasının nedeni kara deliklerin buharlaşmasıydı (son aşamada bir patlamaya benziyor). küçük bir kara delik). Bu durumda şu anda gözlemlenen baryonik asimetri sonraki ikinci radyasyon hakimiyeti dönemi tarafından büyük ölçüde seyreltildi ve bu nedenle Evrende baryon asimetrisinin ortaya çıkmasının nedenleri de daha önce mümkün olduğu düşünülenlerden biraz farklı olabilir.

Belki, en büyük keşif Stephen Hawking'in fizikçiler arasında bu kadar ünlü olmasının nedeni, kara deliklerin sonsuza kadar yaşamamasıydı.

Enerjilerini, 1974'te keşfedilen ve Hawking radyasyonu olarak bilinen bir süreç aracılığıyla çok uzun süreler boyunca yayarlar. Bu hafta bir okuyucu şu soruyu sordu:

Hawking radyasyonunun keşfinden bu yana bilimsel yayınlar olay ufku yakınında dolaşık parçacıkların kendiliğinden oluşması nedeniyle kara deliklerin kademeli olarak buharlaşması olarak tanımlanıyor. Parçacıklardan birinin kara deliğin içine çekildiğini, diğerinin ise uçup Hawking radyasyonuna dönüştüğünü söylüyorlar. Bu radyasyon nedeniyle kara delikler yavaş yavaş kütle kaybeder ve bunun sonucunda tamamen yok olurlar. Soru şu: Eğer parçacıklardan biri kara deliğe düşerse ve ikincisi uçup giderse, kara delik neden küçülür? Tam tersine kilo alması gerekmez mi?

Bazıları bizzat Hawking'in sebep olduğu birçok yanlış anlama içeren büyük bir soru. Hadi öğrenelim!

101 yılı aşkın süre önce ilk kesin çözüm Genel teori görelilik: bir olay ufku ile çevrelenmiş devasa bir tekilliği tanımlayan uzay-zaman. Keşif, bir kara delik tanımladığını hemen fark eden Karl Schwarzschild tarafından yapıldı: ışığın bile kaçamayacağı kadar yoğun ve büyük bir nesne. yerçekimi çekimi.

Oldukça uzun bir süre boyunca, yeterli miktarda kütleyi bir araya getirirseniz ve onu yeterince küçük bir uzay bölgesine sıkıştırırsanız, kütleçekimsel çöküşün kara deliğe geri döndürülemez olacağına ve kütlenin ilk konfigürasyonuna bakılmaksızın tekilliğin ortaya çıkacağına inanılıyordu. bir nokta olsaydı olay ufku bir küre olurdu. Bilim adamlarını ilgilendiren tek parametre olan olay ufkunun boyutu yalnızca kara deliğin kütlesi tarafından belirlenmelidir.

Kara deliğin her şeyi absorbe etmesiyle Daha Maddenin kütlesi artar ve boyutu artar. Uzun bir süre boyunca, emilecek hiçbir madde kalmayıncaya veya Evrenin sonu gelene kadar bunun devam edeceğine inanılıyordu.

Ancak bu hüküm bir şeyleri değiştirdi. Evrenimizin çok küçük parçacıklardan oluştuğuna dair devrim yaratan keşif bölünmez parçacıklar, kendi yasalarına, bir kuantum kümesine uyuyorlar. Parçacıklar birbirleriyle çeşitli yollarla etkileşime girer. temel etkileşimler her biri bir dizi kuantum alanı olarak temsil edilebilir.

Elektrik yüklü iki parçacığın nasıl etkileştiğini veya fotonların nasıl etkileştiğini bilmek ister misiniz? Her şey kontrollü kuantum elektrodinamiği veya kuantum teorisi elektromanyetik etkileşimler. Peki ya güçlü kuvvetten sorumlu olan parçacıklar: çekirdekteki protonları ve diğer parçacıkları bir arada tutan kuvvet? Bu kuantum renk dinamiği veya kuantum teorisidir. güçlü etkileşimler. Peki ya radyoaktif bozunma? Bu, zayıf nükleer etkileşimlerin kuantum teorisidir.

Ancak bu kitte iki bileşen eksik. Bir şeyi fark etmek kolaydır: kuantum dünyası sahip olmadığımız için yerçekimi etkileşimi dikkate alınmaz. kuantum teorisi yer çekimi. İkincisi ise daha karmaşıktır: Bahsedilen üç kuantum teorisi genellikle düz uzayda çalışır. yerçekimi etkileşimleri ihmal edilebilir. Genel görelilikte buna karşılık gelen uzay-zamana Minkowski uzayı denir. Ancak bir kara deliğin yakınında uzay bükülür ve Schwarzschild uzayına dönüşür.

Peki bunlara ne oluyor kuantum alanları boş ve düz uzayda değil, kara deliğin yanındaki kavisli uzayda mı? Hawking 1974'te bu soruna yaklaştı ve bir kara deliğin yakınındaki kavisli uzayda bu alanların varlığının, bir kara cisimden gelen termal radyasyonun ortaya çıkmasına yol açtığını gösterdi. belirli sıcaklık. Daha büyük ve daha kütleli bir kara deliğin olay ufkunda uzayın eğriliği daha az olduğundan, kara delik ne kadar büyük olursa bu sıcaklık ve akı da o kadar düşük olur.

Popüler olarak bilimsel kitap, « Kısa Tarihçe Zaman" (Amazon'da hâlâ "kozmoloji" ve "göreceli fizik" bölümlerinde 1 numara), Stephen Hawking çiftlerden oluşan bir uzay boşluğunu anlatıyor sanal parçacıklar/antiparçacıkların görünmesi ve kaybolması. Ona göre, bir kara deliğin yakınında bazen bu sanal çiftin iki bileşeninden biri olay ufkunun dışına çıkarken diğeri dışarıda kalır. Böyle bir anda çiftin dış üyesinin gerçek, pozitif enerjiyle kaçtığını ve iç üyenin ise negatif enerji kara deliğin kütlesinin azalması nedeniyle kademeli buharlaşmasına yol açar.

Doğal olarak bu resim yanlıştır. Başlangıç ​​olarak, radyasyon yalnızca kara delik olay ufkunun kenarından değil, onu çevreleyen tüm uzaydan geliyor. Ancak bu süreçle ilgili en büyük yanılgı, kara deliğin aslında parçacık ve antiparçacık değil, foton yaydığıdır. Aslında radyasyon o kadar düşük bir enerjiye sahiptir ki parçacık/antiparçacık çifti üretme kabiliyeti yoktur.

Sanal parçacıklardan, yani doğadaki kuantum alanlarını görselleştirmenin bir yolundan bahsettiğimizi vurgulayarak olup bitenlerin açıklamasını geliştirmeye çalıştım; bunlar gerçek parçacıklar değil. Ancak bu özellikler gerçek radyasyonun ortaya çıkmasına neden olabilir ve yol açar.

Ancak bu tamamen doğru değil. Bu açıklama, radyasyonun olay ufkunun yakınında güçlü olacağı ve kara delikten yalnızca büyük bir mesafede zayıf ve düşük sıcaklıkta görüneceği anlamına geliyor. Gerçekte radyasyon her yerde küçüktür ve radyasyonun yalnızca küçük bir yüzdesi olay ufkunun kendisiyle ilişkilendirilebilir.

Gerçek açıklama çok daha karmaşıktır ve bu ilkel tablonun sınırlamaları olduğunu göstermektedir. Sorunun kökü, farklı gözlemcilerin olup bitenler ve parçacıkların algısı hakkında farklı resimler almasıdır ve bu sorun kavisli uzayda düz uzaya göre daha karmaşıktır. Basitçe söylemek gerekirse, bir gözlemci boş alanı görecek, ancak hızlandırılmış bir hızla hareket eden bir diğeri içindeki parçacıkları görecektir. Hawking radyasyonunun özü, ivmeli mi yoksa hareketsiz mi hareket ettiğine bağlı olarak sürekli olarak gözlemcinin nerede olduğu ve ne gördüğüyle ilgilidir.

Kara deliğin olmadığı bir yerde kara delik yaratarak, olay ufkunun dışındaki parçacıkları hızlandırırsınız ve bu parçacıklar sonunda bu ufkun içine düşer. Bu süreç, bu radyasyonun kaynağıdır ve Hawking'in hesaplamaları, bu buharlaşma sürecinin zaman açısından ne kadar inanılmaz derecede geniş olduğunu göstermektedir. Kütlesi bir güneş kütlesi olan bir kara deliğin buharlaşması 10 67 yıl sürecektir. Evrenin 10 milyar güneş kütlesindeki en büyük kara deliği için bu süre 10.100 yıl sürecek. Bununla birlikte, günümüz evreninin yaşı yalnızca 10 10 yıl civarındadır ve buharlaşma oranı o kadar düşüktür ki, yıldızlararası protonlar, nötronlar veya elektronlarla rastgele çarpışmalar nedeniyle kara deliklerin büyümelerinden daha hızlı buharlaşmaya başlaması 10 20 yıl daha alacaktır. .

Dolayısıyla okuyucunun sorusuna kısaca cevap vermek gerekirse, Hawking'in çizdiği tablonun yanlış olacak kadar basite indirgenmiş olduğunu söyleyebiliriz. Daha uzun cevap, radyasyonun kara deliğe düşen maddeden kaynaklandığı ve olay ufku etrafındaki son derece kavisli alan nedeniyle bu radyasyonun çok yavaş, çok uzun bir süre boyunca ve çok büyük hacimlerde yayıldığıdır. Daha uzun ve daha teknik açıklamalar için (giderek karmaşıklaşan) Sabine Hossenfelder, John Baez ve Steve Giddings'in metinlerine bakmanızı öneririm.

Bilginin ekolojisi. Bilim ve Teknoloji: Bir kara delik, Hawking radyasyonu nedeniyle enerji yoğunluğunun artık olay ufku ile tekilliği korumaya yetmeyecek kadar enerji kaybettiğinde ne olur? Başka bir deyişle, Hawking radyasyonu nedeniyle bir kara delik kara delik olmaktan çıkarsa ne olur?

Evrendeki maddenin aldığı çeşitli formlar göz önüne alındığında, milyonlarca yıl boyunca evrende yalnızca nötr hidrojen ve helyum atomlarının var olduğunu hayal etmek zordur. Belki de katrilyonlarca yıl sonra bir gün tüm yıldızların söneceğini hayal etmek de bir o kadar zordur. En etkileyici nesneleri olan kara delikler de dahil olmak üzere, yalnızca şu anda yaşayan Evrenin kalıntıları var olacak. Ama onlar da sonsuz değil. Okuyucumuz bunun tam olarak nasıl olacağını bilmek istiyor:

Bir kara delik, Hawking radyasyonu nedeniyle enerji yoğunluğunun artık olay ufku ile tekilliği korumaya yetmeyecek kadar enerji kaybettiğinde ne olur? Başka bir deyişle, Hawking radyasyonu nedeniyle bir kara delik kara delik olmaktan çıkarsa ne olur?

Bu soruyu cevaplamak için kara deliğin gerçekte ne olduğunu anlamak önemlidir.

Anatomi çok büyük yıldızçekirdeğin nükleer yakıtı bittiğinde Tip IIa süpernova ile sonuçlanır.

Kara delikler çoğunlukla büyük bir yıldızın çekirdeğinin çökmesi ve her şeyi tüketmesi sonrasında oluşur. nükleer yakıt ve ondan daha ağır elementleri sentezlemeyi bıraktı. Füzyonun yavaşlaması ve durmasıyla birlikte çekirdek, radyasyon basıncında güçlü bir düşüş yaşar ve bu, yıldızı kütleçekimsel çöküşten koruyan tek başınadır. Dış katmanlar sıklıkla kontrol dışı füzyon reaksiyonlarına uğrayıp orijinal yıldızı patlatarak bir süpernovaya dönüştürürken, çekirdek önce çökerek bir nötron yıldızına dönüşür, ancak kütlesi çok büyükse nötronlar bile yoğun bir duruma sıkıştırılır. buradan bir kara delik ortaya çıkıyor. BH şu durumlarda da ortaya çıkabilir: nötron yıldızı Birikme sürecinde eşlik eden yıldızdan yeterli miktarda kütle alacak ve kara deliğe dönüşmek için gerekli eşiği aşacaktır.

Bir nötron yıldızı yeterli maddeyi topladığında kara deliğe dönüşebilir. Bir kara delik madde kazandıkça, madde olay ufkunun ötesine düştükçe birikim diski ve kütlesi de büyür.

Yerçekimi açısından bakıldığında, kara delik olabilmek için gereken tek şey, ışığın belirli bir alandan kaçamayacağı kadar küçük bir hacme yeterli miktarda kütle sığdırmaktır. Dünya gezegeni de dahil olmak üzere her kütlenin kendi kaçış hızı vardır: kütle merkezinden belirli bir mesafede (örneğin, Dünya'nın merkezinden yüzeyine olan mesafe) yer çekimi çekiminden kaçmak için ulaşılması gereken hız. Ancak, kütle merkezinden belirli bir mesafede kazanmanız gereken hızın ışık hızına eşit olmasını sağlayacak kadar kütle kazanırsanız, o zaman hiçbir şey ışığı geçemeyeceğinden hiçbir şey ondan kaçamaz.

Bir kara deliğin kütlesi, dönmeyen izole bir kara delik için olay ufkunun yarıçapını belirleyen tek faktördür.

Kaçış hızının ışık hızına eşit olduğu kütle merkezinden bu uzaklık - buna R diyelim - kara deliğin olay ufkunun boyutunu belirler. Ancak bu koşullar altında maddenin içeride olması daha az bilinen sonuçlara yol açıyor: Hepsinin bir tekilliğe dönüşmesi gerekiyor. Maddenin olay ufku içerisinde sabit kalmasını ve sonlu bir hacme sahip olmasını sağlayan bir halinin var olduğunu hayal etmek mümkündür, ancak bu fiziksel olarak imkansızdır.

Dışarıya doğru bir kuvvetin oluşması için içerideki parçacığın, kuvveti taşıyan parçacığı kütle merkezinden uzağa, olay ufkuna doğru göndermesi gerekir. Ancak kuvvet taşıyan bu parçacık aynı zamanda ışık hızıyla da sınırlıdır ve olay ufkunun neresinde olursanız olun, tüm dünya çizgileri onun merkezinde biter. Daha yavaş ve daha büyük parçacıklar için durum daha da kötüdür. Olay ufkuna sahip bir kara delik ortaya çıktığı anda içindeki tüm madde tekillik halinde sıkıştırılır.

Flamm paraboloidi olarak bilinen Schwarzschild kara deliğinin dış uzay-zamanını hesaplamak kolaydır. Ancak olay ufkunun içinde her şey jeodezik çizgiler merkezi tekilliğe yol açar.

Ve hiçbir şey kaçamayacağına göre kara deliğin sonsuz olduğuna karar verilebilir. Ve eğer kuantum fiziği olmasaydı durum tam olarak böyle olurdu. Ama içinde kuantum fiziği Uzayın kendisinde sıfırdan farklı miktarda enerji vardır: kuantum boşluğu. Kavisli uzayda, kuantum vakumu düz uzaydakinden biraz farklı özellikler kazanır ve eğriliğin kara delik tekilliğinin yakınında olduğundan daha yüksek olacağı hiçbir bölge yoktur. Doğanın bu iki yasasını - kuantum fiziği ve genel göreliliğe göre bir kara delik etrafındaki uzay-zamanı - karşılaştırırsak, Hawking radyasyonu gibi bir olguyu elde ederiz.

Eğri uzayda kuantum alan teorisine göre hesaplamalar yaparsanız şaşırtıcı bir cevap alırsınız: Kara delik olay ufkunu çevreleyen uzaydan, termal radyasyon siyah gövde. Olay ufku ne kadar küçük olursa, yanındaki uzayın eğriliği de o kadar güçlü olur ve Hawking radyasyonunun hızı da o kadar yüksek olur. Güneşimiz bir kara delik olsaydı Hawking radyasyon sıcaklığı 62 nK olurdu. Kütlesi 4.000.000 kat daha büyük olan galaksimizin merkezindeki kara deliği alırsak, o zaman sıcaklık zaten 15 fK, yani ilkinin yalnızca% 0,000025'i olacaktır.

Röntgenden kompozit görüntü ve kızılötesi aralığı Galaksimizin merkezindeki kara deliği gösteren: Yay A*. Kütlesi Güneş'in kütlesinin 4 milyon katıdır ve etrafı, yayılan sıcak gazlarla çevrilidir. röntgen. Ayrıca Hawking radyasyonu (bizim tespit edemediğimiz) yayar, ancak bu radyasyon çok daha düşük bir sıcaklıktadır.

Bu da küçük kara deliklerin daha hızlı buharlaştığı, büyük kara deliklerin ise daha uzun yaşadığı anlamına geliyor. Hesaplamalar, güneş kütleli bir kara deliğin buharlaşmadan önce 10 67 yıl boyunca var olacağını, galaksimizin merkezindeki kara deliğin ise buharlaşmadan önce 10 20 kat daha uzun süre yaşayacağını söylüyor. Ancak tüm bunların en çılgın yanı, son saniyenin son anına kadar, kara deliğin kütlesi sıfır olana kadar olay ufkunu koruyacak olmasıdır.

Hawking radyasyonu kaçınılmaz olarak bir kara deliğin olay ufkunu çevreleyen kavisli uzay-zamandaki kuantum fiziğinin tahminlerinden kaynaklanır.

Ancak bir kara deliğin ömrünün son saniyesi, özel ve çok büyük bir enerji salınımıyla karakterize edilecektir. Kütlesi 228 tona düştüğünde bir saniyesi kalmış olacak. Olay ufkunun boyutu şu anda 340 nm, yani 3,4 × 10-22 olacaktır: Bu, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda bugüne kadar elde edilen her şeyi aşan enerjiye sahip bir fotonun dalga boyudur. Ama bu son saniye 5 milyon megaton TNT'ye eşdeğer 2,05 × 10 22 J enerji açığa çıkacak. Bir milyon gibi nükleer bombalar uzayın küçük bir alanında aynı anda patlayabilir - bu, kara delik radyasyonunun son aşamasıdır.

Bir kara deliğin kütlesi ve yarıçapı küçüldükçe Hawking radyasyonunun sıcaklığı ve gücü artar.

Ne kalacak? Yalnızca giden radyasyon. Daha önce uzayda kütlenin, muhtemelen yükün ve açısal momentumun sonsuz küçük bir hacimde var olduğu bir tekilliğin olduğu yerde, artık hiçbir şey yok. Uzay, sonsuz gibi görünen bir aradan sonra eski, tekil olmayan durumuna geri döner: Böyle bir zaman, Evrende en başından beri olup biten her şeyin trilyonlarca trilyon kez gerçekleşmesi için yeterlidir. Bu ilk gerçekleştiğinde, Evrende artık hiçbir yıldız veya ışık kaynağı olmayacak ve bu baş döndürücü patlamada bulunabilecek hiç kimse olmayacak. Ancak bunun için bir “sınır” yoktur. Kara delik tamamen buharlaşmalıdır. Ve bundan sonra bildiğimiz kadarıyla dışarı çıkan radyasyon dışında hiçbir şey kalmayacak.

Sonsuza dek sürecek gibi görünen sürekli karanlığın arka planında, tek bir ışık parlaması ortaya çıkacak: Evrendeki son kara deliğin buharlaşması

Başka bir deyişle, eğer evrendeki son kara deliğin buharlaşmasını gözlemleyebilseydiniz, 10.100 yıl veya daha uzun süredir hiçbir aktivite belirtisinin bulunmadığı boş alanı görürdünüz. Ve birdenbire, uzayın bir noktasından saniyede 300.000 km hızla kaçan, belirli bir spektrum ve güce sahip inanılmaz bir radyasyon parlaması ortaya çıkacak. Ve olacak son kez gözlemlenebilir Evrende bir olay onu radyasyonla yıkadığında. Son kara deliğin buharlaşmasından önce şöyle diyordu: şiirsel dil, Evren son kez diyecek: “Işık olsun!” yayınlandı

Bu konuyla ilgili sorularınız varsa projemizin uzmanlarına ve okuyucularına sorun.

Stephen Hawking okuduğum ilk popüler bilim kitaplarından biriydi ve ondan nefret ediyordum. Anlamadığım için nefret ettim. Bu kitabın yarattığı hayal kırıklığı fizikçi olmamın ana nedenlerinden biriydi; en azından bunun için kimi suçlayacağımı biliyorum.

Orijinal gönderi övünemez ideal yapı değiştirmediğim anlatım. Ancak sorun çok önemli ve konuyla alakalı; tartışılması ve açıklanması nedeniyle Sabina'nın üslup hataları affedilebilir.

Bu kitaptan nefret etmeyi bıraktım - itiraf etmeliyim ki Hawking, genel kamuoyunun fiziğin temel sorularına (kara deliklerle ilgili) ilgisini çekti. Ama arada sırada hâlâ o lanet kitaba yumruk atmak istiyorum. Onu anlamadığımdan değil, pek çok insanı buna ikna ettiği için Onlar onu anla.

Bu kitapta Hawking, şu anda yaygın olarak kullanılan kara delik buharlaşmasının zarif bir resmini çizdi. Ona göre kara delikler buharlaşıyor çünkü ufkun yakınında oluşturulan sanal parçacık çiftleri gelgit kuvvetleri tarafından parçalanıyor. Parçacıklardan biri olay ufkunun ötesine geçerek kara deliğe düşerken, ikincisi uçup gidiyor. Sonuç olarak kara delik olay ufkunda sürekli olarak parçacıklar yayar. Çok basit, sezgisel ve tamamen yanlış.

Bu açıklama basit bir örnektir, başka bir şey değildir. Gerçekte - şaşırmayacaksınız - durum daha karmaşık.

Parçacık çiftleri (kuantum fiziğinde parçacıklar hakkında konuşmak mantıklı olduğu sürece) uzayda lokalize değildir. Kara deliğin yarıçapıyla karşılaştırılabilir bir uzay bölgesi üzerine "yayılmışlardır" ( yaklaşık. Lane Bu, bir elektronun bir atomun çekirdeği etrafında belirli bir yörüngede hareket etmemesine, belirli bir noktada bulunmasına, ancak çekirdeğin etrafında "yayılmış" olmasına benzer.). Parçacık çiftleri nokta olarak değil, kara delik boyunca bulanık bulutlar olarak görünüyor ve yalnızca kara deliğin yarıçapıyla karşılaştırılabilir mesafelerde ayrılıyor. Hawking'in uzman olmayanlar için çizdiği tablo hiçbir matematikle desteklenmiyor. İçinde bir miktar doğruluk payı var ama çok ciddiye alınmamalı; birçok yanlış anlamanın kaynağı olabilir.

Hawking'in açıklamasının hatalı olması yeni bir şey değil; Hawking radyasyonunun ufuktan kaynaklanmadığı 70'lerin başından beri biliniyor. Zaten Birrell ve Davis'in (1984) ders kitabında, ufukta radyasyonun oluştuğunu varsayarsak ve radyasyon sürecini dikkate alırsak açıkça yazılmıştır. ters yön zamana göre: olay ufkuna uzaktan yaklaşan ve frekanslarını artıran parçacıkları izlemek (“maviye kayma”), bu, olay ufkuna yakın bölgenin doğru bir tanımını vermeyecektir. Doğru yaklaşım farklı olacaktır: Hawking çiftinden gelen parçacıklar doğumda "lekelenir" ve birbirleriyle karışırlar, bu nedenle onlardan yalnızca yerel anlamda "parçacıklar" olarak bahsedebiliriz ( bu, genel görelilik açısından yerel bir koordinat sistemi anlamına gelir, yaklaşık.). Dahası, açısal momentum tensörü gibi gözlemlenebilir nicelikler dürüstçe dikkate alınmalıdır.

Çiftlerin olay ufkundan belli bir mesafede ortaya çıktığı varsayımı, 70'li ve 80'li yıllarda fizikçileri şaşırtan bilmeceyi çözmek için gerekliydi. Bir kara deliğin radyasyonunun sıcaklığı, uzaktan bakıldığında çok düşüktür. Ancak bu radyasyonun bir kara deliğin çekiminden kurtulabilmesi için, başlangıçta ufkun yakınında muazzam bir enerjiye sahip olması gerekir. Daha sonra kara deliğe düşen bir gözlemci böyle bir enerjiye sahip bir bölgeden geçerek küle dönüşecektir. Bu da, kara deliğe düşen bir gözlemcinin ufku geçerken hiçbir olağandışı şey fark etmemesi gerektiğini ileri süren eşdeğerlik ilkesini ihlal eder.

Bu sorunu çözmek için radyasyonun doğrudan ufuktan geldiğinin düşünülemeyeceği dikkate alınmalıdır. Ufuk yakınındaki enerji-momentum tensörünü dürüstçe hesaplarsak, bunun oldukça küçük olduğu ve ufku geçerken de öyle kaldığı ortaya çıkar. Aslında o kadar küçüktür ki, düşen bir gözlemci düz uzaydan farkı ancak kara deliğin yarıçapı (aynı zamanda uzay-zamanın eğriliğinin boyutu) ile karşılaştırılabilecek mesafelerde fark edebilir. O zaman her şey birleşir ve eşdeğerlik ilkesinin ihlali ortaya çıkmaz.

[Tüm bunların daha önce tartıştığım güvenlik duvarı sorununa benzediğini biliyorum, ancak biraz farklı bir etkisi var. (yaklaşık olarak. Güvenlik duvarı sorunu, yayılan bir parçacık ile kara deliğe düşen bir parçacık arasındaki dolanıklık dikkate alındığında ortaya çıkar. Kuantum mekaniği ilkelerini karşılamak için, bu korelasyonların yok edilmesi gerekir. Korelasyonlar yok edildiğinde, muazzam bir enerji açığa çıkar ve bu da ufukta bir “ateş duvarı” oluşturur.) Bu durumda ortaya çıkan farklı problemler ufka yakın hesaplama yaparken. Güvenlik duvarı fikri, güvenlik duvarı hakkındaki orijinal makalede enerji-momentum tensörünün hesaplanmaması nedeniyle eleştirilebilir. Diğerlerinin aksine sorunun bu olduğunu düşünmüyorum.]

Kara deliklerin parçacık yaymasının gerçek hesaplamalı nedeni, parçacık kavramının farklı gözlemciler için farklı olmasıdır.

Bir parçacığın ya bizimle birlikte olmasına ya da olmamasına alışığız. Ancak bu yalnızca birbirimize göre eşit şekilde hareket ettiğimiz sürece geçerlidir. Eğer gözlemci (biz) hızlanırsa, onun için parçacığın tanımı değişir. Bir gözlemciye boş bir boşluk gibi görünen şey düzgün hareket, hızlanma sırasında parçacıklarla dolu olduğu ortaya çıkıyor. Bu etki, adını Hawking'in kara delik radyasyonu hipoteziyle neredeyse aynı anda öne süren Bill Unruh'tan alıyor. Etkinin kendisi alışık olduğumuz ivmelenmelere göre çok küçüktür ve bunu asla fark etmeyiz.

Unruh etkisi, kara delik buharlaşmasının Hawking etkisi ile yakından ilişkilidir. Kara delikler oluştuğunda, kara deliğin içine çöken madde, geçmiş ve gelecek gözlemciler arasında hızlanmayla sonuçlanan dinamik uzay-zaman yaratır. Sonuç olarak, kara delik ortaya çıkmadan önce hiçbir parçacık içermeyen çöken maddenin etrafındaki uzay-zaman, çöküşün ilerleyen aşamalarında termal radyasyonla dolar. Yani Hawking radyasyonu, başlangıçta çöken maddeyi çevreleyen boşluğun aynısıdır ( yaklaşık. Tıpkı Unruh etkisinde olduğu gibi, gözlemci hızlanırken boşluk radyasyonla dolar).

Bu, kara deliklerden gelen radyasyonun kaynağıdır: Bir parçacığın tanımı gözlemciye bağlıdır. Hawking'in resmi kadar basit olmasa da çok daha doğru.

Hawking'in ufuktaki parçacık-antiparçacık çiftlerini gösteren resmi o kadar inanılmaz derecede popüler hale geldi ki, bazı fizikçiler bile artık tam olarak bunun gerçekleştiğine inanıyor ( Not başına. Sabina'nın paylaşımından önce ben de utanç verici bir şekilde tam olarak bu şekilde düşünüyordum.). Radyasyonun maviye kaymasının, zamanda geriye doğru sonsuzluktan ufka doğru yayılımı dikkate alındığında, ufukta bu kadar büyük bir enerji ürettiği gerçeği literatürde kaybolmuştur. Ne yazık ki, kara deliğin uzağındaki ve olay ufkunun yakınındaki Hawking parçacık akışı arasındaki bağlantının yanlış anlaşılması, bu akışın gerçekte olduğundan çok daha güçlü olduğu yönünde yanlış bir sonuca yol açıyor. Örneğin bu durum Mersini-Houghton'un kara deliklerin var olmadığının kanıtını çıkarırken hata yapmasına neden oldu.

(Not başına. Ayrıca makale, okuma kolaylığı için kısaltılmıştır; orijinal yazı, Hawking radyasyonunun meydana geldiği kesin mesafenin (kara deliğin birkaç yarıçapı) ve kaynağının hesaplandığı "Uzaktan Spooky Action" kitabını ve hesaplamaları tartışmaktadır. etkisi ayrıntılı olarak tartışılmıştır)

Hawking'in kitabı bana bir şey öğrettiyse, o da yapışkan görsel metaforların bir lütuf olduğu kadar lanet de olabileceğidir.