Fragen Sie Ethan: Wie verdunsten schwarze Löcher tatsächlich?

Die vielleicht größte Entdeckung von Stephen Hawking und der Grund, warum er unter Physikern so berühmt ist, war, dass Schwarze Löcher nicht für immer leben.



Sie strahlen ihre Energie über extrem lange Zeiträume durch einen 1974 entdeckten Prozess aus, der als Hawking-Strahlung bekannt ist. Diese Woche stellte einer der Leser die folgende Frage:

Seit der Entdeckung der Hawking-Strahlung in wissenschaftlichen Veröffentlichungen wurde sie als allmähliche Verdunstung von Schwarzen Löchern aufgrund des spontanen Auftretens verwickelter Partikel in der Nähe des Ereignishorizonts beschrieben. Sie sagen, dass ein Teilchen in das BH gesaugt wird und das andere wegfliegt und zu Hawking-Strahlung wird. Aufgrund dieser Strahlung verlieren BHs allmählich an Gewicht und verschwinden dadurch vollständig. Die Frage ist, wenn ein Teilchen in das Schwarze Loch fällt und das zweite wegfliegt, warum wird das Schwarze Loch kleiner? Sollte sie nicht im Gegenteil an Masse gewinnen?

Die große Frage, die einige Missverständnisse enthielt, von denen einige durch die Schuld von Hawking selbst entstanden waren. Lass es uns herausfinden!



Bereits vor mehr als 101 Jahren wurde die allererste exakte Lösung für die Allgemeine Relativitätstheorie gefunden: Raum-Zeit, die eine massive Singularität beschreibt, die von einem Ereignishorizont umgeben ist. Die Entdeckung wurde von Karl Schwarzschild gemacht, der sofort erkannte, dass er das BH beschrieben hatte: ein Objekt, das so dicht und massiv war, dass selbst Licht seiner Anziehungskraft nicht entkommen konnte.

Lange Zeit glaubte man, dass, wenn genügend Masse zusammengebracht und in einen ausreichend kleinen Raumbereich geschoben würde, der Gravitationskollaps in den BH-Zustand irreversibel wäre und dass unabhängig von der anfänglichen Massenkonfiguration die Singularität ein Punkt und der Ereignishorizont eine Kugel wäre. Der einzige für Wissenschaftler interessante Parameter - die Größe des Ereignishorizonts - sollte nur durch die Masse des Schwarzen Lochs bestimmt werden.



Mit der Absorption von BH einer zunehmenden Menge an Materie wächst seine Masse und seine Größe nimmt zu. Lange Zeit glaubte man, dass dies so lange andauern würde, bis keine Materie mehr zur Absorption übrig war oder bis das Ende des Universums kam.

Aber etwas hat diese Bestimmung geändert. Die revolutionäre Entdeckung, dass unser Universum aus winzigen unteilbaren Teilchen besteht, die ihren eigenen Gesetzen, der Quantenmenge, gehorchen. Teilchen interagieren miteinander durch verschiedene fundamentale Wechselwirkungen, von denen jede als eine Menge von Quantenfeldern dargestellt werden kann.



Möchten Sie wissen, wie zwei elektrisch geladene Teilchen interagieren oder wie Photonen interagieren? All dies wird durch die Quantenelektrodynamik oder die Quantentheorie elektromagnetischer Wechselwirkungen gesteuert. Was ist mit den Teilchen, die für die starken Wechselwirkungen verantwortlich sind: die Kraft, die die Protonen und andere Teilchen in den Kernen zusammenhält? Dies ist die Quantenchromodynamik oder die Quantentheorie starker Wechselwirkungen. Was ist mit radioaktivem Zerfall? Dies ist eine Quantentheorie schwacher nuklearer Wechselwirkungen.

Diesem Kit fehlen jedoch zwei Komponenten. Eines ist einfach zu bemerken: In der Quantenwelt wird die Gravitationswechselwirkung nicht berücksichtigt, da wir keine Quantentheorie der Schwerkraft haben. Und die zweite ist komplizierter: Die drei genannten Quantentheorien arbeiten normalerweise im flachen Raum, wo Gravitationswechselwirkungen vernachlässigt werden können. Die dazu entsprechende Raumzeit in GR heißt Minkowski-Raum. Aber neben dem Schwarzen Loch biegt sich der Raum und verwandelt sich in einen Schwarzschild-Raum.



Und was passiert mit diesen Quantenfeldern nicht im leeren und flachen Raum, sondern im gekrümmten Raum in der Nähe des BH? Hawking näherte sich diesem Problem 1974 und zeigte, dass das Vorhandensein dieser Felder in einem gekrümmten Raum in der Nähe eines Schwarzen Lochs bei einer bestimmten Temperatur zum Auftreten von Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers führt. Diese Temperatur und Strömung sind umso geringer, je massiver das BH ist, da die Krümmung des Raums am Ereignishorizont für ein größeres und massiveres BH geringer ist.

Stephen Hawking beschreibt in dem populärwissenschaftlichen Buch A Brief History of Time (bei Amazon in den Bereichen Kosmologie und relativistische Physik immer noch an erster Stelle) ein Raumvakuum, das aus Paaren virtueller Teilchen / Antiteilchen besteht, die entstehen und verschwinden. Ihm zufolge fällt neben BH manchmal eine der beiden Komponenten dieses virtuellen Paares manchmal über den Ereignishorizont hinaus, während die andere draußen bleibt. In einem solchen Moment, wie er schreibt, läuft das äußere Glied des Paares mit realer, positiver Energie davon, und das innere Glied hat negative Energie, wodurch die Masse des BH abnimmt, was zu seiner allmählichen Verdunstung führt.



Ein solches Bild ist natürlich falsch. Für den Anfang kommt die Strahlung nicht nur vom Rand des BH-Ereignishorizonts, sondern vom gesamten ihn umgebenden Raum. Der größte Fehler bei der Idee dieses Prozesses ist jedoch, dass das BH tatsächlich Photonen emittiert, keine Partikel und Antiteilchen. Tatsächlich hat Strahlung eine so niedrige Energie, dass sie überhaupt keine Partikel / Antiteilchen-Paare erzeugen kann.

Ich habe versucht, die Erklärung des Geschehens zu verbessern, wobei ich betonte, dass es sich um virtuelle Teilchen handelt, dh um eine Möglichkeit, Quantenfelder in der Natur zu visualisieren. Dies sind keine echten Partikel. Diese Eigenschaften können jedoch dazu führen, dass echte Strahlung auftritt.



Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Diese Erklärung impliziert, dass die Strahlung nicht weit vom Ereignishorizont entfernt stark ist und nur in großer Entfernung vom BH schwach und bei niedrigen Temperaturen erscheint. Tatsächlich ist die Strahlung überall gering, und nur ein kleiner Prozentsatz der Strahlung kann dem Ereignishorizont selbst zugeordnet werden.

Die wirkliche Erklärung ist viel komplexer und zeigt, dass dieses primitive Bild seine Grenzen hat. Die Wurzel der Probleme liegt darin, dass verschiedene Beobachter unterschiedliche Bilder des Geschehens und der Wahrnehmung von Partikeln erhalten, und dieses Problem ist im gekrümmten Raum komplizierter als im flachen Raum. Einfach ausgedrückt, ein Beobachter sieht einen leeren Raum, ein anderer, der sich schnell bewegt, sieht Partikel darin. Die Essenz von Hawkings Strahlung hängt kontinuierlich davon ab, wo sich der Beobachter befindet und was er sieht, je nachdem, ob er sich beschleunigt oder mit einer beschleunigten Geschwindigkeit ausruht.



Indem Sie ein BH an einem Ort erstellen, an dem es nicht vorhanden war, beschleunigen Sie Partikel außerhalb des Ereignishorizonts, die schließlich in diesen Horizont fallen. Dieser Prozess ist die Quelle dieser Strahlung, und Hawkings Berechnungen zeigen, wie unglaublich lange sich dieser Verdampfungsprozess über die Zeit erstreckt. Ein BH mit einer Masse von einer Sonnenverdampfung wird 10 ⁶⁷ Jahre dauern. Für das größte Schwarze Loch im Universum mit einem Gewicht von 10 Milliarden Sonnen wird es 10 ¹⁰⁰ Jahre dauern. Darüber hinaus beträgt das Alter des heutigen Universums nur etwa 10 bis ¹⁰ Jahre, und die Verdampfungsrate ist so gering, dass weitere 10 bis ²⁰ Jahre vergehen, bevor die BHs aufgrund zufälliger Kollisionen mit interstellaren Protonen, Neutronen oder Elektronen schneller zu verdampfen beginnen als sie wachsen.

Wenn wir daher die Frage des Lesers kurz beantworten, können wir sagen, dass das von Hawking gezeichnete Bild so stark vereinfacht ist, dass es falsch wird. Die längere Antwort lautet, dass das Auftreten von Strahlung durch einen Abfall des BH der Materie verursacht wird und aufgrund des extrem gekrümmten Raums um den Ereignishorizont diese Strahlung über so lange Zeiträume und in so großen Raumvolumina so langsam emittiert wird. Für noch längere und technische Erklärungen empfehle ich, auf die Texte von Sabina Hossenfelder, John Baez und Steve Giddings zu verweisen (um die Komplexität zu erhöhen).

Source: https://habr.com/ru/post/de400705/