اسأل إيثان: كيف تتبخر الثقوب السوداء بالفعل؟

ربما كان أعظم اكتشاف ل ستيفن هوكينج ، والسبب في شهرته بين علماء الفيزياء ، هو أن الثقوب السوداء لا تعيش إلى الأبد.



إنها تشع طاقتها على مدى فترات طويلة للغاية من خلال عملية اكتشفت في عام 1974 والمعروفة باسم إشعاع هوكينج. هذا الأسبوع ، طرح أحد القراء السؤال التالي:

منذ اكتشاف إشعاع هوكينج في المنشورات العلمية ، تم وصفه بأنه التبخر التدريجي للثقوب السوداء بسبب المظهر التلقائي للجسيمات المتشابكة بالقرب من أفق الحدث. يقولون أن أحد الجسيمات يمتص في BH ، ويطير الآخر ويصبح إشعاع هوكينج. بسبب هذا الإشعاع ، تفقد BHs الوزن تدريجيًا ، ونتيجة لذلك تختفي تمامًا. السؤال هو ، إذا سقط جسيم واحد في الثقب الأسود ثم طار الثاني ، فلماذا يصبح الثقب الأسود أصغر؟ ألا يجب عليها ، على العكس من ذلك ، اكتساب كتلة؟

السؤال الكبير ، الذي يحتوي على بعض المفاهيم الخاطئة ، التي نشأ بعضها من خلال خطأ هوكينج نفسه. دعونا نكتشف ذلك!



منذ أكثر من 101 عامًا ، تم العثور على أول حل دقيق للنظرية العامة للنسبية: الزمكان ، الذي يصف التفرد الضخم الذي يحيط به أفق الحدث. تم الاكتشاف من قبل كارل شوارزشيلد ، الذي أدرك على الفور أنه وصف BH: كائن كثيف للغاية وضخم لدرجة أنه لا يمكن للضوء الهروب من جاذبيته.

لفترة طويلة كان يعتقد أنه إذا تم جمع كتلة كافية معًا ، ودفعها إلى منطقة صغيرة بما فيه الكفاية من الفضاء ، فإن انهيار الجاذبية إلى حالة BH لا رجعة فيه ، وبغض النظر عن تكوين الكتلة الأولية ، فإن التفرد سيكون نقطة ، وسيكون أفق الحدث عبارة عن كرة. يجب تحديد المعلمة الوحيدة التي تهم العلماء - حجم أفق الحدث - فقط من خلال كتلة الثقب الأسود.



مع امتصاص BH لكمية متزايدة من المادة ، تنمو كتلتها ، وتزداد في الحجم. لفترة طويلة كان يعتقد أن هذا سيستمر حتى لا يبقى هناك أي شيء للامتصاص ، أو حتى يأتي نهاية الكون.

لكن شيئا ما قد غير هذا الحكم. الاكتشاف الثوري بأن كوننا يتكون من جسيمات صغيرة غير قابلة للتجزئة تطيع مجموعتها من القوانين ، المجموعة الكمية. تتفاعل الجسيمات مع بعضها البعض من خلال تفاعلات أساسية مختلفة ، يمكن تمثيل كل منها كمجموعة من الحقول الكمية.



هل تريد أن تعرف كيف يتفاعل جسيمان مشحونان كهربائيًا ، أو كيف تتفاعل الفوتونات؟ كل هذا يتحكم فيه الديناميكا الكهربائية الكمومية ، أو نظرية الكم للتفاعلات الكهرومغناطيسية. ماذا عن الجسيمات المسؤولة عن التفاعلات القوية: القوة التي تربط البروتونات والجسيمات الأخرى في النوى معًا؟ هذه هي الديناميكا الصبغية الكمومية ، أو نظرية الكم للتفاعلات القوية. ماذا عن الاضمحلال الإشعاعي؟ هذه نظرية كمومية للتفاعلات النووية الضعيفة.

لكن هذه المجموعة تفتقر إلى مكونين. من السهل ملاحظة ذلك: لا يُؤخذ في الاعتبار تفاعل الجاذبية في العالم الكمومي ، حيث ليس لدينا نظرية الكم للجاذبية. والثاني أكثر تعقيدًا: تعمل نظريات الكم الثلاثة المذكورة عادةً في مساحة مسطحة ، حيث يمكن إهمال تفاعلات الجاذبية. يسمى الزمكان المطابق لهذا في GR مساحة Minkowski. ولكن بجوار الثقب الأسود ، ينحني الفضاء ويتحول إلى مساحة Schwarzschild.



وماذا يحدث لهذه الحقول الكمومية ليس في مساحة فارغة ومستوية ، ولكن في مساحة منحنية بالقرب من BH؟ تناول هوكينج هذه المشكلة في عام 1974 ، موضحا أن وجود هذه الحقول في مساحة منحنية بالقرب من الثقب الأسود يؤدي إلى ظهور إشعاع حراري من جسم أسود عند درجة حرارة معينة. درجة الحرارة والتدفق هذه أقل ، كلما كانت BH أكثر ضخامة ، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن انحناء الفضاء أقل في أفق الحدث للحصول على BH أكبر وأكبر.

في كتاب العلوم الشهير ، تاريخ موجز للوقت (لا يزال في المركز الأول في الأمازون في أقسام علم الكونيات والفيزياء النسبية) ، يصف ستيفن هوكينج فراغًا في الفضاء يتكون من أزواج من الجسيمات الافتراضية / الجسيمات المضادة التي تنشأ وتختفي. وفقا له ، بجانب BH في بعض الأحيان يقع أحد مكوني هذا الزوج الافتراضي في بعض الأحيان خارج أفق الحدث ، بينما يبقى الآخر في الخارج. في هذه اللحظة ، كما يكتب ، يهرب العضو الخارجي للزوجين بطاقة حقيقية وإيجابية ، والعضو الداخلي لديه طاقة سلبية ، مما يؤدي إلى انخفاض كتلة BH ، مما يؤدي إلى التبخر التدريجي.



بطبيعة الحال ، هذه الصورة غير صحيحة. بالنسبة للمبتدئين ، لا يأتي الإشعاع فقط من حافة أفق حدث BH ، ولكن من الفضاء بأكمله المحيط به. لكن الخطأ الأكبر في فكرة هذه العملية هو أنه في الواقع ينبعث BH الفوتونات ، وليس الجسيمات والجسيمات المضادة. في الواقع ، يحتوي الإشعاع على طاقة منخفضة لدرجة أنه لا يستطيع إنتاج أزواج من الجسيمات / الجسيمات على الإطلاق.

حاولت تحسين تفسير ما كان يحدث ، مع التأكيد على أننا نتحدث عن الجسيمات الافتراضية ، أي عن طريقة لتصور الحقول الكمومية في الطبيعة ؛ هذه ليست جسيمات حقيقية. لكن هذه الخصائص يمكن أن تؤدي ، وتؤدي إلى ظهور إشعاع حقيقي.



لكن هذا ليس صحيحًا تمامًا. يشير هذا التفسير إلى أنه ، ليس بعيدًا عن أفق الحدث ، سيكون الإشعاع قويًا وسيظهر ضعيفًا ودرجة حرارة منخفضة فقط على مسافة كبيرة من BH. في الواقع ، الإشعاع صغير في كل مكان ، ولا يمكن ربط سوى نسبة صغيرة من الإشعاع بأفق الحدث نفسه.

التفسير الحقيقي أكثر تعقيدًا بكثير ، ويظهر أن هذه الصورة البدائية لها حدودها. جذر المشاكل هو أن المراقبين المختلفين يحصلون على صور مختلفة لما يحدث وتصور الجسيمات ، وهذه المشكلة أكثر تعقيدًا في الفضاء المنحني منها في المسطح. ببساطة ، سيرى أحد المراقبين مساحة فارغة ، ولكن آخر ، يتحرك بسرعة ، سيرى جزيئات فيه. يرتبط جوهر إشعاع هوكينج باستمرار بمكان المراقب وما يراه ، اعتمادًا على ما إذا كان يتحرك أو يستريح بمعدل متسارع.



من خلال إنشاء BH في مكان لم يكن هناك ، تقوم بتسريع الجسيمات خارج أفق الحدث ، والتي تقع في النهاية داخل هذا الأفق. هذه العملية هي مصدر هذا الإشعاع ، وتبين حسابات هوكينج مدى طول عملية التبخر هذه بشكل لا يصدق مع مرور الوقت. يستغرق BH بكتلة واحدة من التبخر الشمسي 10 ⁶⁷ سنة. لأكبر ثقب أسود في الكون يزن 10 مليارات شمسية ، سيستغرق 10 ¹⁰⁰ سنة. في الوقت نفسه ، يبلغ عمر الكون اليوم حوالي 10 ¹⁰ سنوات فقط ، ومعدل التبخر صغير جدًا بحيث تمر 10 ²⁰ سنة أخرى قبل أن تبدأ BHs في التبخر أسرع من نموها بسبب التصادمات العشوائية مع البروتونات بين النجوم أو النيوترونات أو الإلكترونات.

لذلك ، بالإجابة بإيجاز على سؤال القارئ ، يمكننا القول أن الصورة التي رسمها هوكينج مبسطة للغاية لدرجة أنها تصبح خاطئة. الجواب الأطول هو أن ظهور الإشعاع ناتج عن انخفاض في BH للمادة ، وبسبب المساحة المنحنية للغاية حول أفق الحدث ، ينبعث هذا الإشعاع ببطء شديد ، على مدار فترات زمنية طويلة وفي مثل هذه الأحجام الكبيرة من الفضاء. للحصول على تفسيرات أطول وأطول ، أوصي بالإشارة (لزيادة التعقيد) إلى نصوص Sabina Hossenfelder و John Baez و Steve Giddings.

Source: https://habr.com/ru/post/ar400705/