Hawkingové záření: koncepce, charakterizace a teorie
Černé díry a elementární částice. Moderní fyzika spojuje koncepce těchto objektů, z nichž první je popsáno v rámci teorie gravitace Einsteina a druhé v matematických konstrukcích kvantové teorie pole. Je známo, že tyto dvě krásné a opakovaně potvrzené experimentální teorie nejsou mezi sebou velmi "přátelské". Existuje však fenomén, který odráží tyto různé jevy ve své interakci. Toto je Hawkingové záření nebo kvantové odpařování černých děr. Co to je? Jak to funguje? Může to být zjištěno? O tom budeme hovořit v našem článku.
Černé díry a jejich obzory
Představte si určitou oblast prostorově-časového kontinua obsazeného fyzickým tělem, například hvězdou. Pokud je tato oblast charakterizována takovým poměrem poloměru a hmotnosti, při níž gravitační zakřivení kontinua neumožňuje nic (dokonce i světelný paprsek) opustit, tato oblast se nazývá černá díra. V jistém smyslu je to opravdu díra, ponoření do kontinua, jak je často znázorněno na ilustracích, pomocí dvourozměrného znázornění prostoru.
V tomto případě však nebudeme mít zájem o hloubku této ponoření, ale na hranici černé díry, nazývané horizont události. Jako součást úvahy o Hawkingově záření je důležitým rysem horizontu to, že křižovatka tohoto povrchu trvale a zcela odděluje jakýkoli fyzický objekt od vnějšího prostoru.
O vakuu a virtuálních částech
V chápání kvantové teorie pole, vakuum není vůbec prázdné, ale zvláštní médium (přesněji stav hmoty), tedy pole, jehož všechny kvantové parametry jsou nulové. Energie takového pole je minimální, ale nezapomínejme na princip nejistoty. V plném souladu s tím podtlak vykazuje spontánní fluktuační aktivitu. Vyjadřuje se v kolísání energie, která neporušuje zákon o ochraně.
Čím vyšší je špička fluktuace energie vakua, tím kratší je jeho trvání. Pokud taková oscilace má energii 2 mc 2 , která postačuje k narození dvojice částic, vyvstávají, ale okamžitě zničí, než budou moci létat. Tímto zpomalují kolísání. Takové virtuální částice se rodí na úkor vakuové energie a vracejí tuto energii do své smrti. Jejich existence byla experimentálně potvrzena, například registrováním slavného efektu Casimir, který demonstruje plynový tlak virtuálních částic na makroobjekt.
Pro pochopení Hawkingova záření je důležité, aby částice v podobném procesu (ať elektrony s pozitrony nebo fotony) byly nutně vyrobeny ve dvojicích a jejich celková hybnost je nulová.
Vyzbrojeni fluktuacemi vakua ve formě virtuálních párů se přiblížíme k hranici černé díry a uvidíme, co se tam děje.
Na okraji propasti
Vzhledem k přítomnosti horizontu události může černá díra zasahovat do procesu spontánních oscilací vakua. Přirozené síly na povrchu díry jsou obrovské, gravitační pole je extrémně heterogenní. Zvyšuje dynamiku tohoto jevu. Dvojice částic se musí narodit mnohem aktivněji než při absenci vnějších sil. Černá díra vyvíjí svou gravitační energii na tento proces.
Nic nezakazuje, aby se jeden z částic "ponořil" pod horizont události, jestliže je jeho impuls směrován odpovídajícím způsobem a dvojice se rodí téměř v obzoru (díra stráví energii, která lámá páru). Pak nedojde k žádnému zničení a partner živé částice odletí z černé díry. V důsledku toho se energie snižuje, což znamená, že hmotnost díry se rovná hmotnosti uprchlíka. Tato "ztráta hmotnosti" se nazývá odpařování černé díry.
Při popisu záření černých děr Hawking pracoval s virtuálními částicemi. Toto rozlišuje jeho teorii z pohledu Gribova, Zeldoviče a Starobinského, vyjádřených v roce 1973. Sovětští fyzici pak poukázali na možnost kvantového tunelu skutečných částic v horizontu událostí, v důsledku čehož by černá díra měla mít záření.
Co je to Hawkingové záření?
Černé díry, podle teorie vědců, nevyzařují nic. Fotony opouštějící černé díry však mají tepelné spektrum. Pro pozorovatele by tento "výsledek" částic měl vypadat jako díra, jako každé vyhřívané tělo, vydává nějaké záření, přirozeně ztrácí energii. Můžete dokonce vypočítat teplotu spojenou s Hawkingovým zářením pomocí vzorce T BH = (h ∙ c 3 ) / (16 2 2 ∙ k ∙ G ∙ M), kde h je Planckova konstanta (není redukována!), C je rychlost světla, k - Boltzmannova konstanta, G - gravitační konstanta, M - hmotnost černé díry. Přibližně tato teplota se bude rovnat 6,169 10 -8 K ∙ (M 0 / M), kde M 0 je hmotnost Slunce. Ukazuje se, že čím větší je černá díra, tím nižší je teplota odpovídající záření.
Ale černá díra není hvězda. Ztrácí energii, není v pohodě. Naopak! S poklesem hmotnosti se díra stává "teplejším". Úbytek hmotnosti také znamená snížení poloměru. Výsledkem je, že odpařování přichází s rostoucí intenzitou. Z toho vyplývá, že malé otvory musí dokončit své vypařování výbuchem. Je pravda, že samotná existence takových mikrotvorů zůstává hypotetická.
Existuje alternativní popis procesu Hawking, založený na Unruhově (také hypotetickém) efektu, který předpovídá registraci tepelného záření urychlujícím pozorovatelem. Je-li připojen k inerciálnímu referenčnímu systému, nezjistí žádné záření. Podtlak kolem zrychleného kolaborujícího objektu pro pozorovatele bude také vyplněn zářením s tepelnými charakteristikami.
Informace o problému
Problémy způsobené teorií Hawkingova radiačního záření souvisí s takzvanou "ne-vlasovou větu" černé díry. Její podstatou je stručně následující: díra je zcela lhostejná k jakým vlastnostem objekt měl, který spadl za horizont události. Pouze hmotnost, kterou se díra zvětšila, je důležitá. Informace o parametrech těla, které spadají do ní, jsou uloženy uvnitř, i když nejsou k dispozici pozorovateli. A Hawkingova teorie nám říká, že černé díry, jak se ukázalo, nejsou věčné. Ukazuje se, že informace, které by byly uloženy v nich spolu s dírami, zmizí. Pro fyziky to není dobrá situace, protože vede k úplně bezvýznamným pravděpodobnostem jednotlivých procesů.
Nedávno došlo k pozitivnímu vývoji při řešení tohoto paradoxu, včetně účasti samotného Hawkinga. V roce 2015 bylo konstatováno, že kvůli zvláštním vlastnostem vakua je možné odhalit nekonečný počet parametrů pro ozařování díry, tj. "Vytáhnout" informace z něj.
Problém při registraci
Obtížnost vyřešení těchto paradoxů je zhoršena skutečností, že Hawkingové záření není možné zaregistrovat. Podívejte se na výše uvedený vzorec. Ukazuje, jak studené jsou černé díry - sto miliónů Kelvinových dílů pro otvory sluneční hmoty a poloměr tří kilometrů! Jejich existence je velmi pochybná.
Existuje však naděje na mikroskopické (horké, památky) černé díry. Ale zatím nikdo nepozoroval tyto teoreticky předpověděné svědky o nejstarších dobách vesmíru.
Konečně musíte udělat trochu optimismu. V roce 2016 se objevila zpráva o objevu analogu Hawkingova kvantového záření na akustickém modelu horizontu událostí. Analogie je také založena na efektu Unruh. I když má omezený rozsah použitelnosti, například neumožňuje studium zmizení informací, nicméně se očekává, že takové studie pomohou při vytváření nové teorie černých děr, která bere v úvahu kvantové jevy.