🎶 💘 🥅 اسأل إيثان رقم 57: كيف تموت الثقوب السوداء؟ 👩🏻‍💻 ⏲️ 🧗🏾

تعيش الأجسام الأكثر كثافة والأكثر كثافة في الكون لفترة طويلة بشكل رهيب ، ولكن ليس إلى الأبد. وهكذا ماذا يحدث لهم

قبل الحقيقة ، اجلس كطفل واستعد للتنازل عن أي تحيز ، وتتبع بتواضع أين وإلى ما لن تؤدي إليه الهاوية الطبيعية ، أو لن تتعلم أي شيء.
- تي جي هكسلي

عند تخيل الثقوب السوداء ، ربما تفكر في أقسام فائقة الكثافة وضخمة جدًا من الفضاء حيث لا يمكن لأي شيء الهروب. لا يهم ولا مضاد ، ولا حتى نور! يمكنك أيضًا التفكير في أنهم يواصلون تناول كل شيء لم يكن محظوظًا بما يكفي لمواجهتهم ، حتى المادة المظلمة. ولكن في مرحلة ما ، لن ينتهي أي ثقب أسود في الكون من النمو فحسب ، بل سيبدأ أيضًا في الانخفاض ، وفقدان الكتلة ، حتى يتبخر تمامًا! هذا الأسبوع في عمودنا سنجيب على سؤال بافل زوزيلسكي الذي يسأل:

غالبًا ما رأيت تفسيرات إشعاع هوكينج مثل: "تظهر أزواج من الجسيمات الافتراضية في أفق الحدث. يقع أحدهما في الحفرة ، والآخر يهرب ، حاملاً معه جزءًا من كتلة الحفرة ". وعادة ما يشار بخط صغير إلى أن هذا تبسيط. ربما يكون الأمر كذلك - لأنه إذا سقط أحد الجسيمات في الحفرة ، فيجب أن تزيد كتلته بكتلة الجسيم. ما هو الصيد؟

هذا موضوع معقد للغاية ، لكننا نفهمه. لنبدأ بمناقشة شكل المساحة الفارغة.

في النظرية النسبية العامة ، يكون للمكان والزمان ارتباط معقد ، ويشكلان النسيج رباعي الأبعاد للزمكان. إذا قمت بإزالة جميع الجسيمات في الكون على مسافة كبيرة إلى ما لا نهاية من النقطة التي تحتاجها ، إذا قمت بإزالة حقيقة توسيع الفضاء من المعادلات ، إذا قمت أيضًا بإزالة جميع أنواع الإشعاع ، والانحناء المتأصل في الفضاء ، يمكنك أن تدعي أنك خلقت مساحة فارغة مسطحة.

ولكن عندما تبدأ في مراعاة أنك تعيش في الكون ، حيث يتم التحكم في جميع الجسيمات وتفاعلاتها من خلال نظرية المجال الكمي ، عليك أن تعترف أنه حتى في غياب الجسيمات المادية ، فإن المجالات المادية التي تتحكم في تفاعلاتها لن تذهب إلى أي مكان. ستكون إحدى النتائج المترتبة على ذلك أن الكيان الذي نتصوره على أنه "مساحة فارغة مسطحة" لا يسلم من الطاقة. بدلاً من ذلك ، عليك أن تتخيل مساحة فارغة مسطحة مثل الفراغ الكمومي ، حيث توجد حقول كمية في كل مكان.

قد تكون على دراية بفكرة أنه على مقياس كمي في الكون هناك شكوك متأصلة في مساحة معلمات محددة. لا يمكننا أن نعرف في وقت واحد موقع وزخم الجسيم ، وكلما قمنا بقياس أحدهما بشكل أفضل ، كلما زاد عدم اليقين من الثاني. إن علاقة عدم اليقين نفسها هي سمة من سمات الطاقة والوقت ، وهو أمر مهم بالنسبة لنا الآن.

إذا لاحظت ما تتخيله كمساحة فارغة ، ولكن في نفس الوقت لاحظته في وقت معين ، يجب أن تفكر في أن اللحظة هي فترة زمنية غير محدودة. بسبب علاقة عدم اليقين هذه ، هناك قدر كبير من عدم اليقين في إجمالي كمية الطاقة الموجودة حتى في الفضاء الفارغ في هذا الوقت. هذا يعني أنه يمكن ، من حيث المبدأ ، أن يكون هناك عدة أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة الموجودة لفترات قصيرة جدًا من الوقت ، في حين أنها تخضع لقوانين الحفظ المعروفة السارية في الكون المادي.

غالبًا ما نسمع تفسيرًا مثل "أزواج الجسيمات المضادة للجسيمات تنشأ وتختفي في فراغ كمي" ، وعلى الرغم من أن هذا التفسير واضح جدًا ، إلا أن هذا لا يحدث حقًا. لا توجد جسيمات حقيقية ، بمعنى أنه إذا أطلقت فوتونًا أو إلكترونًا عبر هذه المنطقة من الفضاء ، فلن تنعكس أبدًا من جسيم الفراغ الكمومي. يمنحنا هذا الوصف الفرصة للنظر في "الهزة" الكامنة في الفراغ الكمي ، ويظهر أن هناك خزانًا من الجسيمات الافتراضية التي تسمح لنا بتفسير الطاقة الكامنة في الفضاء الخالي كمجموع لكل هذه الجسيمات الافتراضية.

أكرر ، لأن هذا مهم: هناك طاقة متأصلة في الفضاء الفارغ نفسه ، ويمكن تمثيلها على أنها مجموع التقلبات الكمومية المتأصلة في هذه المساحة.

دعنا ننتقل. تخيل أن الفضاء ، بدلاً من كونه مسطحًا وخاليًا ، لا يزال فارغًا ، ولكنه منحني بالفعل - أي أن هناك انحرافات في مجال الجاذبية للفضاء.

كيف ستبدو التقلبات الكمية لدينا؟ على وجه الخصوص ، إذا سمحنا للفضاء بالتشوه بسبب وجود ثقب أسود ، فكيف سيبدو خارج وداخل أفق الحدث؟

الأسئلة جيدة ، وفي أغلب الأحيان بحثًا عن إجابة سترى الصورة (غير الصحيحة) التالية ، والتي هي جوهر سؤال بول:

إذا كنت تتخيل أزواج الجسيمات / الجسيمات على أنها حقيقية ، وإذا هرب أحدهما بعيدًا عن الثقب الأسود وسقط الآخر خارج أفق الأحداث ، فعندئذٍ اتضح أن الطاقة قد زادت في الكون: نصف خارج الثقب الأسود ونصف إلى كتلة الثقب الأسود. لكن هذه الأزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة ليست حقيقية ، ولكنها تمثل فقط طريقة لتصور وحساب الطاقة الكامنة في الفضاء.

والحقيقة هي أنه مع الفضاء المنحني ، كما تتذكر ، هناك انحرافات في مجال الجاذبية. نستخدم التقلبات للمساعدة في تصور الطاقة الكامنة في الفضاء الخالي ، ولكن يمكن أن تحدث تقلبات تبدأ خارج أفق الحدث وتسقط داخل الأفق قبل إعادة الإبادة. لكن لا يمكن سرقة الطاقة من الفضاء الفارغ - يجب أن يحدث شيء من أجل الحفاظ عليها. لذلك ، في كل مرة يسقط فيها جسيم افتراضي (أو جسيم مضاد) ، يجب أن يظهر الفوتون الحقيقي (أو مجموعة منهم) للتعويض. وهذا الفوتون الحقيقي الذي يغادر أفق الحدث يأخذ الطاقة بعيدًا عن الثقب الأسود.

الطريقة التي استخدمناها سابقًا لتصور العملية ، عندما سقط أحد زوجي الجسيمات وهروب الآخر ، كانت ساذجة جدًا بحيث لا تكون مفيدة ، حيث أن تقليل الثقوب السوداء لا يتم تسهيله بواسطة الجسيمات أو الجسيمات المضادة ، ولكن بواسطة الفوتونات المقابلة لطيف الجسم الأسود.

أفضل صورة أفضل ، على الرغم من أنها لا تزال ساذجة للغاية. تخيل التقلبات الكمومية حيث في كل مرة يكون لديك زوج من الجسيمات المضادة للجسيمات ، يقع أحدهما للداخل ، يظهر زوج آخر من الجسيمات المضادة للجسيمات ، حيث يقع الآخر في الداخل. يتبخر البخار من الجسيم والجسيم المتبقي خارج الفناء ، وينبعث الفوتونات الحقيقية ، وتلك التي تقع في الداخل تأخذ الكمية المقابلة من الكتلة (E = ms ² ) من الثقب الأسود.

لا يزال هذا ليس تشبيهًا مثاليًا (لأنه مجرد تشبيه) ، ولكن على الأقل تترك الفوتونات أفق الأحداث فيه ، والذي يتوافق مع تنبؤات إشعاع هوكينج. في الواقع - على الرغم من أنه يجب عليك إجراء حسابات لنظرية المجال الكمومي في الزمكان المنحني لمعرفة ذلك - يتوقع إشعاع هوكينج أن طيف الفوتون سيتوافق مع جسم أسود تمامًا مع درجة حرارة مقدمة من:

والتي ستعطي درجة حرارة أقل من ميكرو كيلفن واحد لثقب أسود بكتلة مساوية لكتلة الشمس ، وأقل من بيكو كلفن لثقب أسود في مركز مجرتنا ، وعشر أعشاب فقط من attoKelvin لأكبر ثقب أسود معروف. معدل الانخفاض الذي يتوافق مع هذا الإشعاع صغير جدًا لدرجة أن الثقوب السوداء ستنمو حتى لو امتصت بروتونًا واحدًا في فترة زمنية مماثلة لعمر كوننا - سيستمر هذا لحوالي 10 ²⁰ سنة.

بعد ذلك ، ستبدأ الثقوب السوداء المكتشفة مع الشمس أخيرًا في فقدانها بسبب إشعاع هوكينج في المتوسط طاقة أكثر مما تمتصه ، وستتبخر تمامًا بعد 10 ⁶⁷ عامًا ، وأكبرها بعد 10 ¹⁰⁰سنة. هذا يمكن أن يتجاوز إلى حد كبير عمر الكون ، لكنه ليس أبدًا. وسوف تنخفض بسبب إشعاع هوكينج ، التي تنبعث منها الفوتونات.

نتيجة لذلك: الفضاء الفارغ لديه طاقة من المستوى صفر ، والتي لا تساوي الصفر ، وفي الفضاء المنحني ، في أفق حدث الثقب الأسود ، يظهر طيف انبعاث منخفض الطاقة من جسم أسود تمامًا. يأخذ هذا الإشعاع الكتلة من الثقب الأسود ويضغط قليلاً على أفق الحدث بمرور الوقت. إذا كنت تصر على تمثيل مصدر هذا الإشعاع كأزواج من الجسيمات / الجسيمات ، تخيل على الأقل زوجين في كل مرة. ثم يتم جسيم من زوج واحد وجسيم مضاد من إبادة أخرى ، مما يخلق فوتونات حقيقية تغادر الثقب الأسود ، ويسقط زوج افتراضي آخر من الجسيمات في الحفرة ويأخذ طاقته (أو كتلته).

حتى تموت الثقوب السوداء! شكرًا على السؤال الرائع ، Pavel ، وإذا كانت لديك أسئلة أو اقتراحات ، فأرسلها إلي.

اسأل إيثان رقم 57: كيف تموت الثقوب السوداء؟

تعيش الأجسام الأكثر كثافة والأكثر كثافة في الكون لفترة طويلة بشكل رهيب ، ولكن ليس إلى الأبد. وهكذا ماذا يحدث لهم

More articles: