, lỗ đen. Do năng lượng và "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">định luật bảo toàn năng lượng và quá trình này đi kèm với sự giảm khối lượng lỗ đen, tức là bởi sự “bốc hơi” của nó. Về mặt lý thuyết được dự đoán bởi Stephen Hawking vào năm. Công việc của Hawking được bắt đầu bằng chuyến thăm Moscow năm 1973, nơi ông gặp các nhà khoa học Liên Xô Ykov Zeldovich và Alexander Starobinsky. Họ đã chứng minh cho Hawking thấy rằng, theo nguyên lý bất định, cơ học lượng tử các lỗ đen quay sẽ tạo ra và phát ra các hạt.

Sự bay hơi của lỗ đen là một quá trình lượng tử thuần túy. Thực tế là khái niệm lỗ đen như một vật thể không phát ra bất cứ thứ gì mà chỉ có thể hấp thụ vật chất, vẫn có giá trị miễn là nó không được tính đến hiệu ứng lượng tử. Trong cơ học lượng tử, nhờ đào hầm, người ta có thể vượt qua Rào cản tiềm năng" 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">những rào cản tiềm ẩn không thể vượt qua đối với một hệ phi lượng tử.

Trong trường hợp lỗ đen, tình huống trông giống như như sau. Trong lý thuyết trường lượng tử, chân không vật lý chứa đầy những dao động xuất hiện và biến mất liên tục của nhiều trường khác nhau (có thể nói là “các hạt ảo”). trong lĩnh vực này ngoại lựcđộng lực của những thăng giáng này thay đổi, và nếu lực đủ mạnh, các cặp hạt-phản hạt có thể được sinh ra trực tiếp từ chân không. Những quá trình như vậy cũng xảy ra ở gần (nhưng vẫn ở bên ngoài) chân trời sự kiện của lỗ đen. Trong trường hợp này, có thể xảy ra trường hợp khi tổng năng lượng i của phản hạt hóa ra là âm và tổng năng lượng i của hạt hóa ra là dương. Khi rơi vào lỗ đen, phản hạt làm giảm tổng năng lượng nghỉ và do đó làm giảm khối lượng của nó, trong khi hạt có thể bay đi đến vô tận. Đối với người quan sát ở xa, điều này trông giống như bức xạ từ lỗ đen.

Điều quan trọng không chỉ là thực tế về bức xạ mà còn là thực tế là bức xạ này có phổ nhiệt. Điều này có nghĩa là bức xạ gần chân trời sự kiện của lỗ đen có thể liên quan đến một nhiệt độ nhất định

hằng số Planck ở đâu, c- tốc độ ánh sáng trong chân không, k- Hằng số Boltzmann, G- hằng số hấp dẫn, và cuối cùng, M- khối lượng của lỗ đen. Bằng cách phát triển lý thuyết, người ta có thể xây dựng được nhiệt động lực học hoàn chỉnh của các lỗ đen.

Tuy nhiên, cách tiếp cận lỗ đen này mâu thuẫn với cơ học lượng tử và dẫn đến vấn đề biến mất thông tin trong lỗ đen.

Hiệu ứng này vẫn chưa được xác nhận bởi các quan sát. Theo thuyết tương đối rộng, trong quá trình hình thành Vũ trụ, các lỗ đen nguyên thủy lẽ ra đã được sinh ra, một số trong đó (với khối lượng ban đầu là 10-12 kg) sẽ bốc hơi hoàn toàn trong thời đại chúng ta. Vì tốc độ bay hơi tăng khi kích thước của lỗ đen giảm, nên giai đoạn cuối cùng về cơ bản sẽ là một vụ nổ của lỗ đen. Cho đến nay, chưa có vụ nổ nào như vậy được ghi nhận.

Xác nhận thử nghiệm

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Milan tuyên bố rằng họ có thể quan sát được tác động của bức xạ Hawking, tạo ra phản cực của lỗ đen - cái gọi là lỗ trắng. Không giống như lỗ trắng “hút” mọi vật chất và bức xạ từ bên ngoài, lỗ trắng ngăn chặn hoàn toàn ánh sáng đi vào nó, do đó tạo ra một ranh giới, một chân trời sự kiện. Trong thí nghiệm, vai trò của lỗ trắng được thực hiện bởi một tinh thể thạch anh có cấu trúc nhất định và được đặt trong điều kiện đặc biệt, bên trong đó các photon ánh sáng hoàn toàn dừng lại. Chiếu sáng bằng ánh sáng tia hồng ngoại tinh thể nói trên, các nhà khoa học đã phát hiện và xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng tái phát xạ, bức xạ Hawking.

Nhà vật lý Jeff Steinhauer đến từ Israel Viện công nghệở Haifa đã ghi lại bức xạ được Stephen Hawking dự đoán vào năm 1974. Nhà khoa học đã tạo ra một chất tương tự âm thanh của lỗ đen và chứng minh trong các thí nghiệm rằng bức xạ phát ra từ nó, có bản chất lượng tử. Bài báo đã được đăng trên tạp chí Vật lý Tự nhiên và BBC News đã đưa tin ngắn gọn về nghiên cứu này.
...Người ta vẫn chưa thể phát hiện ra bức xạ này trên một lỗ đen thực sự vì nó quá yếu. Do đó, Steinhauer đã sử dụng chất tương tự của nó - cái gọi là “lỗ mù”. Để mô hình hóa chân trời sự kiện của một lỗ đen, ông lấy trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein từ nguội đến gần độ không tuyệt đối nhiệt độ của nguyên tử rubidi
Tốc độ truyền âm thanh trong đó rất thấp - khoảng 0,5 mm/giây. Và nếu bạn tạo ra một ranh giới, một bên là các nguyên tử di chuyển với tốc độ cận âm, và mặt khác, chúng tăng tốc đến tốc độ siêu âm, thì ranh giới này sẽ tương tự như chân trời sự kiện của lỗ đen. Lượng tử nguyên tử - trong trong trường hợp này phonon - trong thí nghiệm đã bị bắt giữ bởi một vùng có tốc độ siêu âm. Các cặp phonon được tách ra, một ở một vùng và cái thứ hai ở một vùng khác. Những mối tương quan được nhà khoa học ghi lại cho thấy các hạt bị vướng víu lượng tử.

Vấn đề đối xứng baryon đã thu hút sự quan tâm của các nhà vật lý từ lâu, vì nếu không có sự bất đối xứng như vậy thì sự tồn tại của các ngôi sao, hành tinh, con người và nhiều thứ khác sẽ không thể tồn tại được. Văn bản của tác phẩm tương ứng có sẵn trên máy chủ in sẵn của Đại học Cornell.

Từ những ý tưởng hiện có về các quy luật tự nhiên, vẫn chưa rõ làm thế nào mà sự vượt trội được quan sát rõ ràng của vật chất so với phản vật chất có thể nảy sinh trong đó. Đồng thời, câu hỏi này rõ ràng là chìa khóa cho sự tiến hóa của Vũ trụ như chúng ta biết. Nếu không có nhiều vật chất thông thường hơn nữa, mỗi phản nguyên tử sẽ phản ứng với một nguyên tử và toàn bộ Vũ trụ sẽ biến thành các photon gamma, tất nhiên là không thể phát sinh từ đó thiên thể.

Các tác giả xem xét hậu quả có thể xảy ra sự phân hủy của các lỗ đen nguyên thủy nhằm cân bằng vật chất và phản vật chất trong Vũ trụ sơ khai. Các lỗ đen sơ cấp là những lỗ đen chưa được phát hiện nhưng được cho là ở gần đó. nhóm khoa học những vật thể có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khối lượng mặt trời và được cho là đã phát sinh trong giây đầu tiên sau vụ nổ lớn.

Những lỗ đen như vậy, nếu chúng có khối lượng đủ thấp, sẽ bốc hơi nhanh chóng (ngược lại, các lỗ đen lớn bay hơi cực kỳ chậm, nhưng hấp thụ vật chất xung quanh một cách nhanh chóng, điều này đảm bảo sự tồn tại lâu dài của chúng). Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nếu sự bốc hơi của các lỗ đen xảy ra trong thời đại trước khi Vũ trụ nguội đi, khi nó chủ yếu bão hòa bức xạ, thì sự bốc hơi như vậy không thể có bất kỳ tác động đặc biệt nào đến quá trình tiến hóa của nó. Tuy nhiên, nếu các lỗ đen sơ cấp bốc hơi muộn hơn một chút, khi không-thời gian hầu như đã chứa đầy vật chất chứ không phải bức xạ, thì tình hình sẽ thay đổi đáng kể.

Khi lỗ đen bốc hơi, ngoài photon, các electron và positron (phản electron) cũng sẽ xuất hiện. Các electron và phản electron phải hủy nhau và tạo ra các photon mới năng lượng cao. Kết quả là, số lượng photon trong Vũ trụ, theo tính toán của các tác giả, lẽ ra phải trở nên khổng lồ. Đến mức nó sẽ tạm thời quay trở lại trạng thái mà bức xạ chiếm ưu thế.

Đây là một cái kết khá bất ngờ. Nếu kịch bản như vậy được thực hiện trên thực tế thì lịch sử ban đầu Vũ trụ đã không diễn ra như người ta tưởng tượng trước đây - thay vì một kỷ nguyên thống trị bức xạ thì có hai kỷ nguyên, và lý do bắt đầu kỷ nguyên thứ hai là do sự bốc hơi của các lỗ đen (ở giai đoạn cuối, nó trông giống như vụ nổ của một lỗ đen nhỏ). Trong trường hợp này, hiện tại được quan sát sự bất đối xứng baryonđã bị pha loãng đi rất nhiều bởi kỷ nguyên thứ hai của sự thống trị bức xạ, và do đó, những lý do cho sự xuất hiện của sự bất đối xứng baryon trong Vũ trụ cũng có thể hơi khác so với những lý do được coi là có thể trước đây.

Có lẽ, khám phá vĩ đại nhất Stephen Hawking, và lý do khiến ông nổi tiếng trong giới vật lý học, là vì các lỗ đen không tồn tại mãi mãi.

Chúng tỏa năng lượng trong khoảng thời gian cực dài thông qua một quá trình được phát hiện vào năm 1974 được gọi là bức xạ Hawking. Tuần này một độc giả đã hỏi câu hỏi sau:

Kể từ khi phát hiện ra bức xạ Hawking vào năm ấn phẩm khoa học nó được mô tả là sự bốc hơi dần dần của các lỗ đen do sự hình thành tự phát của các hạt vướng víu gần chân trời sự kiện. Người ta nói rằng một hạt bị hút vào lỗ đen, còn hạt kia bay đi và trở thành bức xạ Hawking. Do bức xạ này, các lỗ đen dần dần mất đi khối lượng và kết quả là biến mất hoàn toàn. Câu hỏi đặt ra là nếu một hạt rơi vào lỗ đen và hạt thứ hai bay đi thì tại sao lỗ đen lại trở nên nhỏ hơn? Ngược lại, cô ấy có nên tăng cân không?

Một câu hỏi lớn chứa đựng nhiều quan niệm sai lầm, một số trong đó là do chính Hawking gây ra. Hãy cùng tìm hiểu!

Hơn 101 năm trước, lần đầu tiên giải pháp chính xác Lý thuyết tổng quát thuyết tương đối: không thời gian mô tả một điểm kỳ dị khổng lồ được bao quanh bởi một chân trời sự kiện. Khám phá này được thực hiện bởi Karl Schwarzschild, người ngay lập tức nhận ra rằng ông đã mô tả một lỗ đen: một vật thể đặc và nặng đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi nó. lực hấp dẫn.

Trong một thời gian khá dài, người ta tin rằng nếu bạn tập hợp đủ khối lượng lại với nhau, nhồi nhét nó vào một vùng không gian đủ nhỏ, thì sự suy sụp hấp dẫn thành một lỗ đen sẽ là không thể đảo ngược được, và rằng bất kể cấu hình ban đầu của khối lượng như thế nào, điểm kỳ dị sẽ là một điểm và chân trời sự kiện sẽ là một hình cầu. Thông số duy nhất mà các nhà khoa học quan tâm – kích thước của chân trời sự kiện – chỉ được xác định bởi khối lượng của lỗ đen.

Với sự hấp thụ của lỗ đen mọi thứ hơn vật chất, khối lượng của nó tăng lên và kích thước của nó tăng lên. Trong một thời gian khá dài, người ta tin rằng điều này sẽ tiếp tục cho đến khi không còn vật chất nào để hấp thụ, hoặc cho đến khi Vũ trụ kết thúc.

Nhưng điều khoản này đã thay đổi một cái gì đó. Khám phá mang tính cách mạng rằng Vũ trụ của chúng ta được tạo thành từ những hạt nhỏ hạt không thể phân chia, tuân theo bộ định luật riêng của chúng, một bộ lượng tử. Các hạt tương tác với nhau bằng nhiều cách khác nhau tương tác cơ bản, mỗi trường có thể được biểu diễn dưới dạng một tập hợp các trường lượng tử.

Bạn có muốn biết hai hạt tích điện tương tác như thế nào hoặc các photon tương tác như thế nào không? Tất cả đều được kiểm soát điện động lực học lượng tử, hay lý thuyết lượng tử tương tác điện từ. Thế còn các hạt chịu trách nhiệm cho lực mạnh: lực giữ các proton và các hạt khác trong hạt nhân lại với nhau thì sao? Đây là sắc động lực học lượng tử, hay lý thuyết lượng tử. tương tác mạnh. Thế còn sự phân rã phóng xạ thì sao? Đây là lý thuyết lượng tử về tương tác hạt nhân yếu.

Nhưng bộ này thiếu hai thành phần. Có một điều dễ dàng nhận thấy: trong thế giới lượng tử tương tác hấp dẫn không được tính đến, vì chúng ta không có thuyết lượng tử trọng lực. Và điều thứ hai phức tạp hơn: ba lý thuyết lượng tử được đề cập thường hoạt động trong không gian phẳng, trong đó tương tác hấp dẫn có thể bị bỏ qua. Không-thời gian tương ứng với điều này trong thuyết tương đối rộng được gọi là không gian Minkowski. Nhưng ở gần lỗ đen, không gian bị bẻ cong và biến thành không gian Schwarzschild.

Và điều gì xảy ra với những thứ này trường lượng tử không phải trong không gian trống rỗng và phẳng, mà trong không gian cong cạnh lỗ đen? Hawking đã tiếp cận vấn đề này vào năm 1974, chứng minh rằng sự hiện diện của những trường này trong không gian cong gần lỗ đen dẫn đến sự xuất hiện bức xạ nhiệt từ vật đen nhiệt độ nhất định. Nhiệt độ và thông lượng này càng thấp thì lỗ đen càng có khối lượng lớn, do thực tế là độ cong của không gian ở chân trời sự kiện của lỗ đen càng lớn thì càng nhỏ.

Phổ biến sách khoa học, « Tóm tắt lịch sử thời gian" (vẫn đứng số 1 trên Amazon trong phần "vũ trụ học" và "vật lý tương đối tính"), Stephen Hawking mô tả chân không của không gian bao gồm các cặp hạt ảo/phản hạt xuất hiện và biến mất. Theo ông, ở gần một lỗ đen, đôi khi một trong hai thành phần của cặp ảo này rơi ra ngoài chân trời sự kiện, trong khi thành phần còn lại vẫn ở bên ngoài. Ông viết, vào thời điểm đó, thành viên bên ngoài của cặp đôi bỏ chạy với năng lượng tích cực thực sự, còn thành viên bên trong thì có. năng lượng tiêu cực, do đó khối lượng của lỗ đen giảm đi, dẫn đến sự bốc hơi dần dần của nó.

Đương nhiên, hình ảnh này là không chính xác. Đầu tiên, bức xạ không chỉ đến từ rìa của chân trời sự kiện lỗ đen mà còn đến từ toàn bộ không gian xung quanh nó. Nhưng quan niệm sai lầm lớn nhất về quá trình này là lỗ đen thực sự phát ra photon chứ không phải hạt và phản hạt. Trên thực tế, bức xạ có năng lượng thấp đến mức nó không có khả năng tạo ra các cặp hạt/phản hạt.

Tôi đã cố gắng cải thiện cách giải thích những gì đang xảy ra bằng cách nhấn mạnh rằng chúng ta đang nói về các hạt ảo, tức là về cách hình dung các trường lượng tử trong tự nhiên; đây không phải là những hạt thực sự. Nhưng những đặc tính này có thể và thực sự dẫn đến sự xuất hiện của bức xạ thực.

Nhưng điều này không hoàn toàn đúng. Lời giải thích này ngụ ý rằng bức xạ sẽ mạnh ở gần chân trời sự kiện và sẽ chỉ xuất hiện ở mức yếu và nhiệt độ thấp ở khoảng cách lớn so với lỗ đen. Trên thực tế, bức xạ ở khắp mọi nơi đều nhỏ và chỉ một tỷ lệ nhỏ bức xạ có thể liên quan đến chính chân trời sự kiện.

Lời giải thích thực sự phức tạp hơn nhiều và cho thấy bức tranh nguyên thủy này có những hạn chế. Căn nguyên của vấn đề là những người quan sát khác nhau có được những hình ảnh khác nhau về những gì đang xảy ra và nhận thức về các hạt, và vấn đề này phức tạp hơn trong không gian cong so với trong không gian phẳng. Nói một cách đơn giản, một người quan sát sẽ nhìn thấy không gian trống rỗng, nhưng một người khác, chuyển động với tốc độ nhanh hơn, sẽ nhìn thấy các hạt trong đó. Bản chất của bức xạ Hawking liên tục liên quan đến việc người quan sát đang ở đâu và những gì anh ta nhìn thấy, tùy thuộc vào việc anh ta đang chuyển động có gia tốc hay đứng yên.

Bằng cách tạo ra một lỗ đen ở một nơi không có lỗ đen, bạn tăng tốc các hạt bên ngoài chân trời sự kiện, cuối cùng rơi vào bên trong chân trời sự kiện này. Quá trình này là nguồn gốc của bức xạ này và các tính toán của Hawking cho thấy quá trình bay hơi này kéo dài đến mức nào theo thời gian. Đối với một lỗ đen có khối lượng bằng khối lượng mặt trời, quá trình bay hơi sẽ mất 10 67 năm. Đối với lỗ đen lớn nhất trong Vũ trụ với khối lượng 10 tỷ mặt trời, quá trình này sẽ mất 10.100 năm. Tuy nhiên, tuổi của vũ trụ ngày nay chỉ khoảng 10 10 năm và tốc độ bay hơi thấp đến mức phải 10 20 năm nữa các lỗ đen mới bắt đầu bốc hơi nhanh hơn tốc độ chúng lớn lên do va chạm ngẫu nhiên với các proton, neutron hoặc electron giữa các vì sao. .

Vì vậy, để trả lời ngắn gọn câu hỏi của độc giả, có thể nói rằng bức tranh do Hawking vẽ ra đã bị đơn giản hóa quá mức đến mức không chính xác. Câu trả lời dài hơn là bức xạ được tạo ra bởi vật chất rơi vào lỗ đen và do không gian cực kỳ cong xung quanh chân trời sự kiện, bức xạ này phát ra rất chậm, trong khoảng thời gian dài như vậy và trong một thể tích không gian lớn như vậy. Để có những giải thích dài hơn và mang tính kỹ thuật hơn, tôi khuyên bạn nên chuyển sang các văn bản của Sabine Hossenfelder, John Baez và Steve Giddings (với mức độ phức tạp ngày càng tăng).

Sinh thái tri thức. Khoa học và Công nghệ: Điều gì xảy ra khi một lỗ đen mất đủ năng lượng do bức xạ Hawking đến mức mật độ năng lượng của nó không còn đủ để duy trì điểm kỳ dị với chân trời sự kiện? Nói cách khác, điều gì xảy ra khi một lỗ đen không còn là lỗ đen do bức xạ Hawking?

Thật khó để tưởng tượng, với sự đa dạng của các dạng vật chất trong Vũ trụ, trong hàng triệu năm chỉ tồn tại các nguyên tử trung hòa hydro và heli trong đó. Có lẽ thật khó để tưởng tượng rằng một ngày nào đó, trong hàng triệu triệu năm nữa, tất cả các ngôi sao sẽ biến mất. Chỉ còn lại phần còn lại của Vũ trụ đang tồn tại, bao gồm cả những vật thể ấn tượng nhất của nó: lỗ đen. Nhưng chúng cũng không phải là vĩnh cửu. Độc giả của chúng tôi muốn biết chính xác điều này sẽ xảy ra như thế nào:

Điều gì xảy ra khi một lỗ đen mất đủ năng lượng do bức xạ Hawking đến mức mật độ năng lượng của nó không còn đủ để duy trì điểm kỳ dị với chân trời sự kiện? Nói cách khác, điều gì xảy ra khi một lỗ đen không còn là lỗ đen do bức xạ Hawking?

Để trả lời câu hỏi này, điều quan trọng là phải hiểu lỗ đen thực sự là gì.

Giải phẫu là rất ngôi sao lớn trong suốt thời gian tồn tại của nó, lên đến đỉnh điểm là siêu tân tinh Loại IIa khi lõi hết nhiên liệu hạt nhân

Lỗ đen chủ yếu được hình thành sau khi lõi của một ngôi sao lớn sụp đổ và sử dụng hết mọi thứ. nhiên liệu hạt nhân, và ngừng tổng hợp các nguyên tố nặng hơn từ nó. Với sự chậm lại và chấm dứt phản ứng tổng hợp, lõi trải qua một sự sụt giảm mạnh về áp suất bức xạ, chính điều này đã giữ cho ngôi sao không bị sụp đổ do lực hấp dẫn. Trong khi các lớp bên ngoài thường trải qua các phản ứng nhiệt hạch mất kiểm soát và làm nổ tung ngôi sao ban đầu thành siêu tân tinh, thì lõi đầu tiên sẽ sụp đổ thành sao neutron, nhưng nếu khối lượng của nó quá lớn thì thậm chí neutron cũng bị nén thành trạng thái đậm đặc, từ đó một lỗ đen xuất hiện. BH cũng có thể xảy ra khi sao neutron trong quá trình bồi tụ, nó sẽ lấy đi đủ khối lượng của ngôi sao đồng hành và sẽ vượt qua ngưỡng cần thiết để biến thành lỗ đen.

Khi một ngôi sao neutron thu đủ vật chất, nó có thể sụp đổ thành lỗ đen. Khi lỗ đen thu được vật chất, đĩa bồi tụ và khối lượng của nó tăng lên khi vật chất rơi ra ngoài chân trời sự kiện.

Từ góc độ trọng lực, tất cả những gì cần thiết để trở thành lỗ đen là dồn đủ khối lượng vào một thể tích đủ nhỏ để ánh sáng không thể thoát ra khỏi một khu vực nhất định. Mỗi khối lượng, bao gồm cả hành tinh Trái đất, có vận tốc thoát riêng: tốc độ cần đạt được để thoát khỏi lực hấp dẫn ở một khoảng cách nhất định (ví dụ: khoảng cách từ tâm Trái đất đến bề mặt của nó) tính từ tâm khối lượng. Nhưng nếu bạn đạt được khối lượng đủ để tốc độ bạn cần đạt được ở một khoảng cách nhất định tính từ tâm khối lượng bằng tốc độ ánh sáng - thì không gì có thể thoát khỏi nó, vì không gì có thể vượt qua ánh sáng.

Khối lượng của lỗ đen là yếu tố duy nhất quyết định bán kính chân trời sự kiện đối với lỗ đen cô lập không quay

Khoảng cách này tính từ khối tâm mà tại đó vận tốc thoát bằng tốc độ ánh sáng – hãy gọi nó là R – xác định kích thước chân trời sự kiện của lỗ đen. Nhưng thực tế là dưới những điều kiện như vậy có vật chất bên trong dẫn đến những hậu quả ít được biết đến hơn: tất cả chúng sẽ sụp đổ thành một điểm kỳ dị. Có thể tưởng tượng rằng có một trạng thái vật chất cho phép nó duy trì ổn định và có thể tích hữu hạn bên trong chân trời sự kiện - nhưng điều này là không thể về mặt vật lý.

Để tác dụng một lực ra bên ngoài, hạt bên trong phải đưa hạt mang lực ra xa khối tâm và hướng tới chân trời sự kiện. Nhưng hạt mang lực này cũng bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng, và bất kể bạn ở đâu trong chân trời sự kiện, mọi đường thế giới đều kết thúc ở tâm của nó. Đối với các hạt chậm hơn và có khối lượng lớn hơn, mọi thứ thậm chí còn tồi tệ hơn. Ngay khi một lỗ đen có chân trời sự kiện xuất hiện, toàn bộ vật chất bên trong nó sẽ bị nén thành điểm kỳ dị.

Không-thời gian bên ngoài của lỗ đen Schwarzschild, được gọi là paraboloid Flamm, rất dễ tính toán. Nhưng bên trong chân trời sự kiện, mọi thứ đường trắc địa dẫn tới điểm kỳ dị trung tâm.

Và vì không có gì có thể thoát ra được nên người ta có thể quyết định rằng lỗ đen là vĩnh cửu. Và nếu không có vật lý lượng tử thì điều này sẽ xảy ra chính xác như vậy. Nhưng trong vật lý lượng tử Có một lượng năng lượng khác không vốn có trong chính không gian: chân không lượng tử. Trong không gian cong, chân không lượng tử có những tính chất hơi khác so với trong không gian phẳng và không có vùng nào có độ cong cao hơn vùng lân cận của điểm kỳ dị lỗ đen. Nếu chúng ta so sánh hai định luật tự nhiên này - vật lý lượng tử và không-thời gian theo thuyết tương đối rộng xung quanh một lỗ đen - chúng ta sẽ có một hiện tượng như bức xạ Hawking.

Nếu thực hiện các phép tính theo lý thuyết trường lượng tử trong không gian cong, bạn sẽ nhận được câu trả lời đáng ngạc nhiên: từ không gian xung quanh chân trời sự kiện lỗ đen, bức xạ nhiệt thân màu đen. Và chân trời sự kiện càng nhỏ thì độ cong của không gian bên cạnh nó càng mạnh và tốc độ bức xạ Hawking càng cao. Nếu Mặt trời của chúng ta là một lỗ đen, nhiệt độ bức xạ Hawking của nó sẽ là 62 nK. Nếu chúng ta lấy lỗ đen ở trung tâm Thiên hà của chúng ta, khối lượng của nó lớn hơn 4.000.000 lần, thì nhiệt độ sẽ là 15 fK, chỉ bằng 0,000025% so với nhiệt độ đầu tiên.

Hình ảnh tổng hợp từ X-quang và phạm vi hồng ngoại, cho thấy lỗ đen ở trung tâm Thiên hà của chúng ta: Nhân Mã A*. Khối lượng của nó gấp 4 triệu lần Mặt trời và được bao quanh bởi khí nóng phát ra tia X. Nó cũng phát ra bức xạ Hawking (mà chúng ta không thể phát hiện được), nhưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.

Điều này có nghĩa là các lỗ đen nhỏ bốc hơi nhanh hơn, trong khi những lỗ đen lớn sống lâu hơn. Các tính toán nói rằng một lỗ đen khối lượng mặt trời sẽ tồn tại trong 10,67 năm trước khi bốc hơi, và lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng ta sẽ tồn tại thêm 10,20 lần nữa trước khi bốc hơi. Nhưng điều điên rồ nhất về tất cả những điều này là cho đến tận phần cuối cùng của giây cuối cùng, lỗ đen sẽ duy trì một chân trời sự kiện, cho đến thời điểm khối lượng của nó trở thành số không.

Bức xạ Hawking chắc chắn xuất phát từ những dự đoán của vật lý lượng tử trong không-thời gian cong bao quanh chân trời sự kiện của lỗ đen

Nhưng giây cuối cùng trong vòng đời của lỗ đen sẽ được đặc trưng bởi sự giải phóng năng lượng đặc biệt và rất lớn. Cô ấy sẽ còn một giây khi khối lượng của cô ấy giảm xuống còn 228 tấn. Kích thước của chân trời sự kiện tại thời điểm này sẽ là 340 nm, tức là 3,4 × 10 -22: đây là bước sóng của một photon có năng lượng vượt quá mọi thứ đã đạt được cho đến nay tại Máy Va chạm Hadron Lớn. Nhưng điều này giây cuối cùng Năng lượng sẽ được giải phóng là 2,05 × 10 22 J, tương đương với 5 triệu megaton TNT. Giống như một triệu bom hạt nhân phát nổ đồng thời trong một vùng không gian nhỏ - đây là giai đoạn cuối cùng của bức xạ lỗ đen.

Khi lỗ đen co lại về khối lượng và bán kính, bức xạ Hawking của nó tăng nhiệt độ và năng lượng.

Điều gì sẽ còn lại? Chỉ bức xạ đi. Trước đây có một điểm kỳ dị trong không gian trong đó khối lượng, có thể cả điện tích và xung lượng góc tồn tại trong một thể tích vô cùng nhỏ, thì bây giờ không có gì cả. Không gian được khôi phục về trạng thái không đơn lẻ trước đó, sau một khoảng thời gian dường như vô tận: khoảng thời gian như vậy là đủ để mọi thứ xảy ra trong Vũ trụ ngay từ đầu, hàng nghìn tỷ nghìn tỷ lần. Khi điều này lần đầu tiên xảy ra, sẽ không còn bất kỳ ngôi sao hay nguồn ánh sáng nào trong Vũ trụ nữa và sẽ không có ai có thể có mặt trong vụ nổ kinh hoàng này. Nhưng không có “giới hạn” nào cho việc này. Lỗ đen phải bốc hơi hoàn toàn. Và sau đó, theo như chúng tôi biết, sẽ không còn gì ngoại trừ bức xạ phát ra.

Trong bối cảnh dường như vĩnh cửu của bóng tối liên tục, một tia sáng duy nhất sẽ xuất hiện: sự bốc hơi của lỗ đen cuối cùng trong Vũ trụ

Nói cách khác, nếu bạn có thể quan sát sự bốc hơi của lỗ đen cuối cùng trong Vũ trụ, bạn sẽ thấy không gian trống rỗng trong đó không có dấu hiệu hoạt động nào trong 10.100 năm hoặc hơn. Và đột nhiên một tia bức xạ đáng kinh ngạc có quang phổ và sức mạnh nhất định sẽ xuất hiện, thoát ra từ một điểm trong không gian với tốc độ 300.000 km/s. Và nó sẽ là lần trước trong Vũ trụ quan sát được khi một sự kiện nào đó chiếu bức xạ vào nó. Trước sự bốc hơi của lỗ đen cuối cùng, nói ngôn ngữ thơ, Vũ trụ sẽ nói lần cuối: "Hãy có ánh sáng!" được xuất bản

Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào về chủ đề này, hãy hỏi các chuyên gia và độc giả của dự án của chúng tôi.

Stephen Hawking là một trong những cuốn sách khoa học nổi tiếng đầu tiên tôi đọc và tôi ghét nó. Tôi ghét nó vì tôi không hiểu. Sự thất vọng của cuốn sách này là một trong những lý do chính khiến tôi trở thành một nhà vật lý - à, ít nhất tôi biết phải đổ lỗi cho ai về điều đó.

Bài viết gốc không thể khoe khoang cấu trúc lý tưởng câu chuyện mà tôi không thay đổi. Nhưng vấn đề này rất quan trọng và phù hợp, và qua việc thảo luận và giải thích nó, Sabina có thể được tha thứ cho những lỗi về văn phong.

Tôi không còn ghét cuốn sách này nữa - tôi phải thừa nhận rằng Hawking đã khơi dậy sự quan tâm của công chúng đối với những câu hỏi cơ bản về vật lý (liên quan đến lỗ đen). Nhưng thỉnh thoảng tôi vẫn muốn đấm vào cuốn sách chết tiệt đó. Không phải vì tôi không hiểu cô ấy mà vì cô ấy đã thuyết phục được rất nhiều người rằng Họ hiểu cô ấy.

Trong cuốn sách này, Hawking đã vẽ nên một bức tranh đẹp đẽ về sự bay hơi của lỗ đen mà ngày nay được sử dụng rộng rãi. Theo quan điểm của ông, các lỗ đen bốc hơi là do các cặp hạt ảo được tạo ra gần đường chân trời bị lực thủy triều xé nát. Một trong những hạt vượt ra ngoài chân trời sự kiện và rơi vào lỗ đen, trong khi hạt thứ hai bay ra ngoài. Kết quả là lỗ đen liên tục phát ra các hạt ở chân trời sự kiện. Nó đơn giản, trực quan và hoàn toàn sai.

Lời giải thích này chỉ là một minh họa đơn giản, không có gì hơn. Trên thực tế - bạn sẽ không ngạc nhiên - tình hình phức tạp hơn.

Các cặp hạt - theo mức độ hợp lý khi nói về các hạt trong vật lý lượng tử - không được định vị trong không gian. Chúng bị “bôi nhọ” trên một vùng không gian tương đương với bán kính của lỗ đen ( khoảng làn đường giống như cách một electron không chuyển động theo một quỹ đạo nhất định xung quanh hạt nhân nguyên tử, nằm ở một điểm nào đó mà bị “bôi” xung quanh hạt nhân.). Các cặp hạt xuất hiện không phải dưới dạng các điểm mà như các đám mây mờ trong lỗ đen và chúng chỉ tách ra ở những khoảng cách tương đương với bán kính của lỗ đen. Bức tranh mà Hawking vẽ cho những người không chuyên không được hỗ trợ bởi bất kỳ toán học nào. Có một phần sự thật trong đó, nhưng không nên quá coi trọng nó - nó có thể trở thành nguồn gốc của nhiều quan niệm sai lầm.

Lời giải thích của Hawking không chính xác không có gì mới - người ta đã biết từ đầu những năm 70 rằng bức xạ Hawking không bắt nguồn từ chính đường chân trời. Trong sách giáo khoa của Birrell và Davis (1984) đã viết rõ ràng rằng nếu chúng ta giả sử sự xuất hiện của bức xạ ở đường chân trời và xem xét quá trình bức xạ ở hướng ngược lại theo thời gian: để theo dõi các hạt tiếp cận chân trời sự kiện từ xa và tăng tần số của chúng (“dịch chuyển xanh”), điều này sẽ không đưa ra mô tả chính xác về vùng gần chân trời sự kiện. Cách tiếp cận đúng đắn sẽ khác: các hạt từ cặp Hawking khi sinh ra bị “bôi nhọ” và trộn lẫn với nhau, nên chúng ta chỉ có thể gọi chúng là “hạt” theo nghĩa địa phương ( điều này có nghĩa là một hệ tọa độ cục bộ theo quan điểm của thuyết tương đối rộng, xấp xỉ.). Hơn nữa, người ta phải xem xét một cách trung thực các đại lượng có thể quan sát được, chẳng hạn như tensor động lượng góc.

Giả định về sự xuất hiện của các cặp ở một khoảng cách nào đó so với chân trời sự kiện là cần thiết để giải được câu đố khiến các nhà vật lý bối rối trong thập niên 70 và 80. Nhiệt độ bức xạ của lỗ đen rất thấp khi nhìn từ xa. Nhưng để bức xạ này thoát khỏi lực hút của lỗ đen, ban đầu nó phải có năng lượng cực lớn ở gần đường chân trời. Và khi đó người quan sát rơi vào lỗ đen sẽ biến thành tro bụi, đi qua một vùng có năng lượng như vậy. Điều này lại vi phạm nguyên tắc tương đương, theo đó người quan sát rơi vào lỗ đen sẽ không nhận thấy điều gì bất thường khi băng qua đường chân trời.

Để giải quyết vấn đề này, cần phải tính đến việc bức xạ không thể được coi là đến từ chính đường chân trời. Nếu chúng ta tính toán một cách trung thực tenxơ năng lượng-động lượng ở gần đường chân trời, thì hóa ra nó khá nhỏ và vẫn giữ nguyên như vậy khi vượt qua đường chân trời. Trên thực tế, nó nhỏ đến mức một người quan sát không rơi chỉ có thể nhận thấy sự khác biệt so với không gian phẳng ở những khoảng cách tương đương với bán kính của lỗ đen (cũng là kích thước độ cong của không thời gian). Khi đó mọi thứ đều hội tụ và không có sự vi phạm nguyên tắc tương đương nào phát sinh.

[Tôi biết điều này nghe có vẻ giống với vấn đề tường lửa mà tôi đã thảo luận trước đó, nhưng nó có tác dụng hơi khác một chút. (xấp xỉ. Vấn đề tường lửa nảy sinh khi người ta xét sự vướng víu giữa một hạt được phát ra và một hạt rơi vào lỗ đen. Để thỏa mãn các nguyên lý của cơ học lượng tử, những mối tương quan này phải bị phá hủy. Khi các mối tương quan bị phá hủy, năng lượng khổng lồ được giải phóng, điều này tạo ra một “bức tường lửa” ở đường chân trời.) Trong trường hợp này phát sinh vấn đề khác nhau khi tính toán gần đường chân trời. Ý tưởng về tường lửa có thể bị chỉ trích vì trong bài viết gốc về tường lửa, tenxơ năng lượng-động lượng không được tính toán. Không giống những người khác, tôi không nghĩ đây là vấn đề.]

Lý do tính toán thực sự khiến lỗ đen phát ra hạt là vì khái niệm về hạt là khác nhau đối với những người quan sát khác nhau.

Chúng ta đã quen với việc một hạt có ở bên chúng ta hay không. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng khi chúng ta chuyển động đều so với nhau. Nếu người quan sát (chúng ta) tăng tốc, định nghĩa về hạt đối với anh ta sẽ thay đổi. Cái dường như là chân không trống rỗng đối với người quan sát khi chuyển động đều, hóa ra chứa đầy các hạt trong quá trình tăng tốc. Hiệu ứng này được đặt theo tên của Bill Unruh, người đề xuất nó gần như đồng thời với giả thuyết bức xạ lỗ đen của Hawking. Bản thân hiệu ứng này quá nhỏ so với những gia tốc mà chúng ta quen thuộc và chúng ta không bao giờ nhận thấy điều đó.

Hiệu ứng Unruh có liên quan chặt chẽ với hiệu ứng Hawking về sự bay hơi của lỗ đen. Khi lỗ đen xuất hiện, vật chất sụp đổ vào lỗ đen tạo ra không thời gian động dẫn đến gia tốc giữa những người quan sát trong quá khứ và tương lai. Kết quả là, không thời gian xung quanh vật chất đang co lại, không chứa hạt nào trước khi lỗ đen xuất hiện, trở nên chứa đầy bức xạ nhiệt trong giai đoạn sau của quá trình co lại. Nghĩa là, bức xạ Hawking chính là chân không ban đầu bao quanh vật chất đang suy sụp, ( khoảng giống hệt như trong hiệu ứng Unruh, chân không chứa đầy bức xạ khi người quan sát tăng tốc).

Đây là nguồn bức xạ từ lỗ đen: định nghĩa của hạt phụ thuộc vào người quan sát. Không đơn giản như bức tranh của Hawking nhưng chính xác hơn nhiều.

Bức tranh của Hawking về các cặp hạt-phản hạt ở đường chân trời đã trở nên cực kỳ phổ biến đến nỗi ngay cả một số nhà vật lý hiện nay cũng tin rằng đây chính xác là những gì xảy ra ( Lưu ý mỗi. Trước bài đăng của Sabina, bản thân tôi, thật xấu hổ, đã nghĩ chính xác như vậy). Thực tế là sự dịch chuyển màu xanh của bức xạ, khi xem xét sự truyền ngược thời gian của nó từ vô cực đến chân trời, tạo ra năng lượng khổng lồ như vậy ở chân trời đã bị thất lạc trong tài liệu. Thật không may, sự hiểu lầm về mối liên hệ giữa dòng hạt Hawking ở xa lỗ đen và gần chân trời sự kiện dẫn đến kết luận sai lầm rằng dòng hạt này mạnh hơn nhiều so với thực tế. Ví dụ, điều này đã khiến Mersini-Houghton mắc sai lầm khi suy luận bằng chứng rằng lỗ đen hoàn toàn không tồn tại.

(Lưu ý mỗi. Hơn nữa, bài viết được rút ngắn lại để dễ đọc, bài viết gốc thảo luận về cuốn sách “Hành động ma quái ở khoảng cách xa” và các phép tính, trong đó tính toán khoảng cách chính xác mà bức xạ Hawking xảy ra - một vài bán kính của lỗ đen - và nguồn gốc của hiệu quả được thảo luận chi tiết)

Nếu cuốn sách của Hawking dạy tôi một điều, thì đó là những ẩn dụ hình ảnh dính chặt có thể vừa là lời nguyền vừa là lời chúc phúc.