🙇🏿 😷 🏭 ईथन नंबर 57 से पूछें: ब्लैक होल कैसे मरते हैं? 🔏 📊 🧖🏾

ब्रह्माण्ड की सबसे सघन और सबसे विशाल वस्तुएं बहुत लंबे समय तक जीवित रहती हैं, लेकिन हमेशा के लिए नहीं। और इसलिए उनके साथ क्या होता है

इस तथ्य से पहले, एक बच्चे की तरह बैठ जाओ, और किसी भी पूर्वाग्रह के साथ भाग लेने के लिए तैयार हो जाओ, जहां और जहां प्रकृति के रसातल का नेतृत्व नहीं किया जाएगा, या आप कुछ भी नहीं सीखेंगे।
- टी। जी। हक्सले

ब्लैक होल की कल्पना करते समय, आप शायद सुपरडेंस और अंतरिक्ष के बहुत बड़े हिस्से के बारे में सोचते हैं जहां से कुछ भी नहीं बच सकता है। न कोई बात, न एंटीमैटर, न लाइट भी! आप यह भी सोच सकते हैं कि वे हर चीज को खाना जारी रखते हैं जो उन्हें मुठभेड़ करने के लिए पर्याप्त भाग्यशाली नहीं था, यहां तक कि अंधेरे पदार्थ भी। लेकिन कुछ बिंदु पर, ब्रह्मांड में कोई भी ब्लैक होल न केवल बढ़ते हुए खत्म हो जाएगा, बल्कि कम होने लगेगा, बड़े पैमाने पर खो जाएगा, जब तक कि यह पूरी तरह से वाष्पित न हो जाए! इस सप्ताह हमारे कॉलम में हम पावेल ज़ुझेल्स्की के प्रश्न का उत्तर देंगे जो पूछते हैं:

मैंने अक्सर हॉकिंग विकिरण स्पष्टीकरण जैसे देखा: "आभासी कणों के जोड़े घटना क्षितिज पर दिखाई देते हैं। एक छेद में गिरता है, दूसरा भाग जाता है, इसके साथ छेद के द्रव्यमान का एक कण होता है। " और आमतौर पर यह छोटे प्रिंट में संकेत दिया जाता है कि यह एक सरलीकरण है। शायद यह ऐसा है - क्योंकि यदि कणों में से एक छेद में गिरता है, तो इसका द्रव्यमान कण के द्रव्यमान से बढ़ना चाहिए। कैच क्या है?

यह एक बहुत ही जटिल विषय है, लेकिन एक जिसे हम समझते हैं। चलिए चर्चा करते हैं कि खाली जगह कैसी दिखती है।

सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत में, अंतरिक्ष और समय का एक जटिल संबंध है, और अंतरिक्ष-समय के चार आयामी कपड़े बनाते हैं। यदि आप यूनिवर्स में सभी कणों को उस बिंदु से असीम रूप से बड़ी दूरी पर हटाते हैं, यदि आप समीकरणों से अंतरिक्ष के विस्तार के तथ्य को हटाते हैं, यदि आप सभी प्रकार के विकिरण, और अंतरिक्ष में निहित वक्रता को समाप्त करते हैं, तो आप एक फ्लैट खाली स्थान बनाने का दावा कर सकते हैं।

लेकिन जब आप इस बात को ध्यान में रखना शुरू करते हैं कि आप यूनिवर्स में रहते हैं, जहां सभी कण और उनकी बातचीत क्वांटम फील्ड सिद्धांत द्वारा नियंत्रित होती है, तो आपको यह स्वीकार करना होगा कि भौतिक कणों की अनुपस्थिति में भी, उनकी बातचीत को नियंत्रित करने वाले भौतिक क्षेत्र कहीं भी नहीं जाएंगे। इसका एक परिणाम यह होगा कि जिस इकाई को हम "सपाट खाली स्थान" के रूप में धारण करते हैं वह ऊर्जा से नहीं बचती है। इसके बजाय, आपको क्वांटम वैक्यूम के रूप में एक फ्लैट खाली जगह की कल्पना करने की आवश्यकता है, जहां हर जगह क्वांटम फ़ील्ड हैं।

आप इस विचार से परिचित हो सकते हैं कि ब्रह्मांड में एक क्वांटम पैमाने पर विशिष्ट मापदंडों के स्थान पर अंतर्निहित अनिश्चितताएं हैं। हम एक साथ एक कण के स्थान और गति को नहीं जान सकते हैं, और जितना बेहतर हम उनमें से एक को मापेंगे, दूसरे की अनिश्चितता उतनी ही अधिक होगी। अनिश्चितताओं का वही संबंध ऊर्जा और समय की विशेषता है, जो अब हमारे लिए महत्वपूर्ण है।

यदि आप खाली जगह के रूप में कल्पना करते हैं, लेकिन एक ही समय में एक निश्चित समय पर इसका निरीक्षण करते हैं, तो आपको यह विचार करने की आवश्यकता है कि पल एक असीम रूप से छोटी अवधि है। इस अनिश्चितता के रिश्ते के कारण, इस समय खाली जगह में भी निहित ऊर्जा की कुल मात्रा में भारी अनिश्चितता है। इसका मतलब यह है कि सिद्धांत रूप में, कणों और एंटीपार्टिकल्स के कई जोड़े हो सकते हैं जो बहुत कम समय के लिए मौजूद होते हैं, जबकि वे भौतिक ब्रह्मांड में ज्ञात संरक्षण कानूनों का पालन करते हैं।

हम अक्सर एक स्पष्टीकरण सुनते हैं जैसे "कण-एंटीपार्टिकल जोड़े उत्पन्न होते हैं और एक क्वांटम वैक्यूम में गायब हो जाते हैं," और हालांकि यह स्पष्टीकरण बहुत स्पष्ट है, यह वास्तव में नहीं हो रहा है। कोई वास्तविक कण नहीं हैं, इस अर्थ में कि यदि आप अंतरिक्ष के इस क्षेत्र के माध्यम से एक फोटॉन या इलेक्ट्रॉन लॉन्च करते हैं, तो वे कभी भी क्वांटम वैक्यूम कण से परिलक्षित नहीं होंगे। यह वर्णन हमें क्वांटम वैक्यूम में निहित "कांप" को देखने का अवसर देता है, और दिखाता है कि आभासी कणों का एक भंडार है जो हमें इन सभी आभासी कणों के योग के रूप में खाली स्थान में निहित ऊर्जा की व्याख्या करने की अनुमति देता है।

मैं दोहराता हूं, क्योंकि यह महत्वपूर्ण है: खाली स्थान में ही ऊर्जा निहित है, और इसे इस स्थान में निहित क्वांटम उतार-चढ़ाव के योग के रूप में दर्शाया जा सकता है।

चलो आगे बढ़ते हैं। कल्पना करें कि अंतरिक्ष, सपाट और खाली होने के बजाय, अभी भी खाली है, लेकिन पहले से ही घुमावदार है - अर्थात, अंतरिक्ष के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में विचलन हैं।

हमारे क्वांटम उतार-चढ़ाव क्या दिखेंगे? विशेष रूप से, यदि हम एक ब्लैक होल की उपस्थिति के कारण अंतरिक्ष को ताना मारने की अनुमति देते हैं, तो वे घटना क्षितिज के बाहर और अंदर कैसे दिखेंगे?

प्रश्न अच्छे हैं, और अक्सर उत्तर की तलाश में आप निम्नलिखित (गलत) चित्र देखेंगे, जो पॉल के प्रश्न का सार है:

यदि आप कण / एंटीपार्टिकल जोड़ियों को वास्तविक मानते हैं, और यदि एक ब्लैक होल से दूर भागता है और दूसरा घटनाओं के क्षितिज से परे है, तो यह पता चलता है कि ब्रह्मांड में ऊर्जा बढ़ी है: ब्लैक होल के बाहर आधा और ब्लैक होल के द्रव्यमान से आधा। लेकिन कणों और एंटीपार्टिकल्स के ये जोड़े वास्तविक नहीं हैं, बल्कि अंतरिक्ष में निहित ऊर्जा की कल्पना और गणना करने का एक तरीका है।

तथ्य यह है कि एक घुमावदार जगह के साथ, जैसा कि आपको याद है, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के विचलन हैं। हम रिक्त स्थान में निहित ऊर्जा की कल्पना करने में मदद करने के लिए उतार-चढ़ाव का उपयोग करते हैं, लेकिन उतार-चढ़ाव हो सकता है जो घटना क्षितिज के बाहर शुरू होता है और पुनः विनाश से पहले क्षितिज के अंदर गिर जाता है। लेकिन ऊर्जा को खाली स्थान से नहीं चुराया जा सकता है - इसे संरक्षित करने के लिए कुछ होना चाहिए। इसलिए, हर बार एक आभासी कण (या एंटीपार्टिकल) अंदर गिरता है, एक वास्तविक फोटॉन (या उनमें से एक सेट) को क्षतिपूर्ति करना चाहिए। और यह वास्तविक फोटॉन घटना क्षितिज को छोड़कर ब्लैक होल से ऊर्जा लेता है।

जिस विधि का उपयोग हम पहले इस प्रक्रिया की कल्पना करते थे, जब कणों की जोड़ी में से एक गिर गया और दूसरा भाग गया, तब भी उपयोगी होने के लिए भोला है, क्योंकि ब्लैक होल की कमी कणों या एंटीपार्टिकल्स द्वारा सुगम नहीं होती है, लेकिन फोटॉन ब्लैक बॉडी के स्पेक्ट्रम के अनुरूप होती है।

मैं एक बेहतर तस्वीर पसंद करता हूं, हालांकि यह अभी भी बहुत अच्छा है। क्वांटम उतार-चढ़ाव की कल्पना करें जिसमें हर बार जब आपके पास एंटीपार्टिकल कणों की एक जोड़ी होती है, जिसमें से एक आवक गिरती है, तो एंटीपार्टिकल कणों की एक और जोड़ी दिखाई देती है, जिसमें दूसरा अंदर होता है। कण और एंटीपार्टिकल से वाष्प बाहर सत्यानाश करता है, वास्तविक फोटोन उत्सर्जित करता है, और जो अंदर गिरते हैं वे ब्लैक होल से द्रव्यमान (E = ms ² ) की समान मात्रा लेते हैं ।

यह अभी भी एक आदर्श सादृश्य नहीं है (क्योंकि यह सिर्फ एक सादृश्य है), लेकिन कम से कम फोटोन इसमें घटनाओं के क्षितिज को छोड़ देते हैं, जो हॉकिंग विकिरण की भविष्यवाणियों से मेल खाती है। वास्तव में - यद्यपि आपको यह पता लगाने के लिए घुमावदार स्थान-समय में क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत की गणना करनी है - हॉकिंग विकिरण भविष्यवाणी करता है कि फोटॉन स्पेक्ट्रम पूरी तरह से काले शरीर के साथ दिए गए तापमान के अनुरूप होगा:

जो सूर्य के द्रव्यमान के बराबर द्रव्यमान वाले एक ब्लैक होल के लिए एक माइक्रोकेल्विन से कम का तापमान देगा, जो हमारी आकाशगंगा के केंद्र में एक ब्लैक होल के लिए एक पिकोकेल्विन से कम होगा, और सबसे बड़े ज्ञात ब्लैक होल के लिए केवल कुछ दसवें भाग में होगा। इस विकिरण से मेल खाने वाली घटने की दर इतनी कम होती है कि ब्लैक होल तब भी विकसित होते हैं, जब वे हमारे ब्रह्मांड की आयु के बराबर एक प्रोटॉन को समयावधि में अवशोषित करते हैं - यह लगभग 10 ²⁰ वर्षों तक जारी रहेगा ।

इसके बाद, सूर्य के साथ बड़े पैमाने पर ब्लैक होल आखिरकार हॉकिंग विकिरण के कारण खोना शुरू कर देंगे, जो औसतन अधिक ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, और 10 ⁶⁷ वर्षों के बाद पूरी तरह से वाष्पित हो जाएंगे , और 10 ^{100 के} बाद उनमें से सबसे बड़ा होगा।वर्षों पुराना है। यह ब्रह्मांड की आयु को पार कर सकता है, लेकिन यह अनंत काल नहीं है। और फोटॉन उत्सर्जित करने वाले हॉकिंग विकिरण के कारण वे घट जाएंगे।

परिणामस्वरूप: रिक्त स्थान में शून्य-स्तरीय ऊर्जा होती है, जो शून्य के बराबर नहीं होती है, और घुमावदार स्थान में, ब्लैक होल के घटना क्षितिज पर, बिल्कुल काले शरीर का एक कम-ऊर्जा उत्सर्जन स्पेक्ट्रम दिखाई देता है। यह विकिरण ब्लैक होल से द्रव्यमान को दूर करता है और समय के साथ घटना क्षितिज को थोड़ा संकुचित करता है। यदि आप इस विकिरण के स्रोत को कण / एंटीपार्टिकल जोड़े के रूप में प्रस्तुत करने पर जोर देते हैं, तो कम से कम एक बार में दो जोड़े की कल्पना करें। फिर एक जोड़ी से एक कण और दूसरे एनहिलेट से एक एंटीपार्टिकल, ब्लैक होल को छोड़ने वाले वास्तविक फोटोन का निर्माण करते हैं, और एक और आभासी जोड़ी का कण छेद में गिर जाता है और अपनी ऊर्जा (या द्रव्यमान) लेता है।

तो ब्लैक होल मर जाएंगे! महान प्रश्न के लिए धन्यवाद, पावेल, और यदि आपके कोई प्रश्न या सुझाव हैं, तो उन्हें मुझे भेजें।

ईथन नंबर 57 से पूछें: ब्लैक होल कैसे मरते हैं?

More articles: