Hawking radiation: concept, characterization and theory problems

Czarne dziury i cząstki elementarne. Współczesna fizyka łączy pojęcia tych obiektów, z których pierwsze opisane są w ramach teorii grawitacji Einsteina, a drugie w matematycznych konstrukcjach kwantowej teorii pola. Wiadomo, że te dwie piękne i wielokrotnie potwierdzone eksperymentalnie teorie nie są zbyt "przyjazne" między sobą. Istnieje jednak zjawisko, które odzwierciedla tak różne zjawiska w ich interakcji. To jest promieniowanie Hawkinga lub kwantowe odparowanie czarnych dziur. Co to jest? Jak to działa? Czy można to wykryć? Porozmawiamy o tym w naszym artykule.

Czarne dziury i ich horyzonty

Wyobraźmy sobie pewien region czasoprzestrzeni zajmowanej przez ciało fizyczne, na przykład gwiazdę. Jeśli obszar ten charakteryzuje się takim stosunkiem promienia i masy, przy którym grawitacyjna krzywizna continuum nie pozwala na opuszczenie go przez cokolwiek (nawet wiązkę światła), obszar ten nazywamy czarną dziurą. W pewnym sensie jest to naprawdę dziura, zanurzenie w kontinuum, jak to często przedstawiają ilustracje, z wykorzystaniem dwuwymiarowej reprezentacji przestrzeni.

Jednak w tym przypadku nie będziemy interesować się otwartą głębią tego zanurzenia, ale na granicy czarnej dziury, zwanej horyzontem zdarzeń. W ramach rozważań nad zagadnieniem promieniowania Hawkinga ważną cechą horyzontu jest to, że przecięcie tej powierzchni na stałe i całkowicie oddziela każdy obiekt fizyczny od przestrzeni zewnętrznej.

O próżni i wirtualnych cząsteczkach

W rozumieniu kwantowej teorii pola próżnia wcale nie jest pustką, ale specjalnym medium (a dokładniej stanem materii), czyli polem, którego wszystkie parametry kwantowe są zerowe. Energia takiego pola jest minimalna, ale nie należy zapominać o zasadzie nieoznaczoności. W pełni zgodna z tym, próżnia wykazuje spontaniczną aktywność fluktuacyjną. Wyraża się to w wahaniach energii, które nie naruszają prawa zachowania.

Im wyższy szczyt fluktuacji energii próżni, tym krótszy jest jej czas trwania. Jeśli taka oscylacja ma energię 2mc ² , wystarczającą do narodzin pary cząsteczek, powstają, ale natychmiast unicestwiają, zanim będą mogły latać. Tym samym gasią wahania. Takie wirtualne cząstki rodzą się kosztem energii próżni i zwracają tę energię w chwili śmierci. Ich istnienie zostało potwierdzone eksperymentalnie, na przykład poprzez zarejestrowanie słynnego efektu Casimira, który demonstruje ciśnienie gazu wirtualnych cząstek na makroobiekcie.

Aby zrozumieć promieniowanie Hawkinga, ważne jest, aby cząstki w podobnym procesie (elektrony z pozytonami lub fotonami) były koniecznie wytwarzane parami, a ich całkowity moment pędu wynosi zero.

Uzbrojeni w wahania próżni w postaci par wirtualnych zbliżymy się do granicy czarnej dziury i zobaczymy, co się tam dzieje.

Na skraju przepaści

Ze względu na obecność horyzontu zdarzeń czarna dziura może ingerować w proces spontanicznych oscylacji próżniowych. Siły pływowe na powierzchni dziury są ogromne, pole grawitacyjne jest niezwykle niejednorodne. Wzmacnia dynamikę tego zjawiska. Pary cząsteczek muszą rodzić się znacznie aktywniej niż w przypadku braku sił zewnętrznych. Czarna dziura zużywa swoją energię grawitacyjną na ten proces.

Nic nie zabrania jednemu z cząstek "zanurkować" pod horyzontem zdarzeń, jeśli jego impuls jest odpowiednio skierowany, a para rodzi się niemal w pobliżu horyzontu (dziura spędza energię rozbijając parę). Wtedy nie będzie anihilacji, a partner energicznej cząstki odleci od czarnej dziury. W rezultacie energia zmniejsza się, co oznacza, że ​​masa otworu jest równa masie uciekiniera. Ta "utrata wagi" nazywana jest odparowaniem czarnej dziury.

Opisując promieniowanie czarnych dziur, Hawking operował wirtualnymi cząsteczkami. To właśnie odróżnia jego teorię od punktu widzenia Gribova, Zeldovicha i Starobinsky'ego, wyrażonych w 1973 roku. Radzieccy fizycy wskazali na możliwość tunelowania kwantowego cząstek rzeczywistych w horyzoncie zdarzeń, w wyniku czego czarna dziura musi mieć promieniowanie.

Co to jest promieniowanie Hawkinga?

Czarne dziury, zgodnie z teorią naukowca, nie emitują niczego. Jednak fotony opuszczające czarną dziurę mają widmo termiczne. Dla obserwatora ten "wynik" cząstek powinien wyglądać jak dziura, jak każde ogrzane ciało, emituje promieniowanie, naturalnie tracąc energię. Można nawet obliczyć temperaturę związaną z promieniowaniem Hawkinga za pomocą wzoru T _BH = (h ∙ c ³ ) / (16 ^{2 2} ∙ k ∙ G ∙ M), gdzie h jest stałą Plancka (nie zredukowaną!), C jest prędkością światła, k - Stała Boltzmanna, G - stała grawitacyjna, M - masa czarnych dziur. W przybliżeniu ta temperatura będzie równa 6,169 10 ^-8 K ∙ (M ₀ / M), gdzie M ₀ jest masą Słońca. Okazuje się, że im bardziej masywna jest czarna dziura, tym niższa temperatura odpowiada promieniowaniu.

Ale czarna dziura nie jest gwiazdą. Tracąc energię, nie chłodzi. Wręcz przeciwnie! Wraz ze spadkiem masy otwór staje się "gorętszy". Utrata masy ciała oznacza również zmniejszenie promienia. W rezultacie parowanie ma coraz większą intensywność. Wynika z tego, że małe dziury muszą uzupełnić ich parowanie przez wybuch. To prawda, samo istnienie takich mikrootworów pozostaje hipotetyczne.

Istnieje alternatywny opis procesu Hawkinga, oparty na efekcie Unruh (również hipotetycznym), który przewiduje rejestrację promieniowania cieplnego przez obserwatora przyśpieszającego. Jeśli jest połączony z bezwładnościowym układem odniesienia, nie wykryje żadnego promieniowania. Próżnia wokół przyspieszonego obiektu zapadającego się dla obserwatora będzie również wypełniona promieniowaniem o charakterystyce termicznej.

Informacje o problemie

Kłopoty stworzone przez teorię promieniowania Hawkinga wiążą się z tak zwanym twierdzeniem "brak włosów" czarnej dziury. Jego istota jest krótka jak następuje: dziura jest całkowicie obojętna na to, jakie cechy miał obiekt, który spadł poza horyzont zdarzeń. Ważna jest tylko masa, o którą zwiększył się otwór. Informacja o parametrach ciała, które do niego wpadło, jest przechowywana w środku, chociaż nie jest dostępna dla obserwatora. A teoria Hawkinga mówi nam, że czarne dziury, jak się okazuje, nie są wieczne. Okazuje się, że informacje, które zostały w nich zapisane, wraz z dziurami, znikają. Dla fizyków to nie jest dobra sytuacja, ponieważ prowadzi do całkowicie pozbawionych sensu prawdopodobieństw poszczególnych procesów.

Ostatnio pojawiły się pozytywne zmiany w rozwiązaniu tego paradoksu, w tym udział samego Hawkinga. W 2015 roku stwierdzono, że ze względu na szczególne właściwości próżni, możliwe jest ujawnienie nieskończonej liczby parametrów promieniowania otworu, to znaczy "wyciągnięcia" z niego informacji.

Problem z rejestracją

Trudności w rozwiązaniu takich paradoksów pogłębia fakt, że nie można zarejestrować promieniowania Hawkinga. Zobacz jeszcze raz powyższy wzór. Pokazuje, jak zimne są czarne dziury - stutysięczne części Kelvina na dziury w masie Słońca i promieniu trzech kilometrów! Ich istnienie jest bardzo wątpliwe.

Istnieje jednak nadzieja na mikroskopijne (gorące, reliktowe) czarne dziury. Ale jak dotąd nikt nie zaobserwował tych teoretycznie przewidywanych świadków najwcześniejszych epok wszechświata.

Wreszcie, trzeba trochę optymizmu. W 2016 roku pojawił się komunikat o odkryciu analogu promieniowania kwantowego Hawkinga na akustycznym modelu horyzontu zdarzeń. Analogia opiera się również na efekcie Unruh. Chociaż na przykład ma ograniczony zakres zastosowania, nie pozwala na badanie zanikania informacji, jednak ma nadzieję, że takie badania pomogą w stworzeniu nowej teorii czarnych dziur uwzględniającej zjawiska kwantowe.