Tanyakan Ethan No. 57: Bagaimana lubang hitam mati?
Objek terpadat dan paling besar di alam semesta hidup dalam waktu yang sangat lama, tetapi tidak selamanya. Dan apa yang terjadi pada mereka
Sebelum fakta, duduklah seperti anak kecil dan bersiaplah untuk berpisah dengan prasangka apa pun, mengikuti dengan sederhana ke mana dan ke arah apa jurang alam tidak akan mengarah, atau Anda tidak akan belajar apa pun.
- T. G. Huxley
Saat membayangkan lubang hitam, Anda mungkin berpikir tentang bagian ruang superdense dan sangat masif dari mana tidak ada yang bisa melarikan diri. Tidak masalah, atau antimateri, atau bahkan cahaya! Anda juga dapat berpikir bahwa mereka terus makan segala sesuatu yang tidak cukup beruntung untuk bertemu dengan mereka, bahkan materi gelap. Tetapi pada titik tertentu, setiap lubang hitam di Semesta tidak hanya akan selesai tumbuh, tetapi juga mulai berkurang, kehilangan massa, sampai menguap sepenuhnya! Minggu ini di kolom kami, kami akan menjawab pertanyaan Pavel Zhuzhelsky yang bertanya:Saya sering melihat penjelasan radiasi Hawking seperti: “pasangan partikel virtual muncul di horizon peristiwa. Satu jatuh ke dalam lubang, yang lain lari, membawa serta partikel massa lubang. " Dan biasanya ditunjukkan dalam cetakan kecil bahwa ini adalah penyederhanaan. Mungkin memang demikian - karena jika salah satu partikel jatuh ke dalam lubang, massanya akan bertambah dengan massa partikel tersebut. Apa yang menangkap?
Ini adalah topik yang sangat kompleks, tetapi yang kami pahami. Mari kita mulai dengan membahas seperti apa ruang kosong itu.
Dalam teori relativitas umum, ruang dan waktu memiliki hubungan yang rumit, dan membentuk struktur ruang-waktu empat dimensi. Jika Anda menghapus semua partikel di Semesta pada jarak yang sangat jauh dari titik yang Anda butuhkan, jika Anda menghapus fakta perluasan ruang dari persamaan, jika Anda juga menghilangkan semua jenis radiasi, dan lengkungan yang melekat dalam ruang, Anda dapat mengklaim telah menciptakan ruang kosong yang datar.Tetapi ketika Anda mulai memperhitungkan bahwa Anda tinggal di Alam Semesta, di mana semua partikel dan interaksinya dikendalikan oleh teori medan kuantum, Anda harus mengakui bahwa meskipun tidak ada partikel fisik, medan fisik yang mengendalikan interaksinya tidak akan pergi ke mana pun. Salah satu konsekuensi dari ini adalah bahwa entitas yang kita bayangkan sebagai "ruang kosong datar" tidak terhindar dari energi. Sebagai gantinya, Anda perlu membayangkan ruang kosong datar sebagai ruang hampa kuantum, di mana ada medan kuantum di mana-mana.
Anda mungkin terbiasa dengan gagasan bahwa pada skala kuantum di Alam Semesta ada ketidakpastian bawaan dalam ruang parameter tertentu. Kita tidak bisa secara bersamaan mengetahui lokasi dan momentum suatu partikel, dan semakin baik kita mengukur salah satunya, semakin besar ketidakpastian yang kedua. Hubungan ketidakpastian yang sama adalah karakteristik energi dan waktu, yang penting bagi kita sekarang.Jika Anda mengamati apa yang Anda bayangkan sebagai ruang kosong, tetapi pada saat yang sama mengamatinya pada titik waktu tertentu, Anda perlu mempertimbangkan bahwa saat itu adalah periode waktu yang sangat kecil. Karena hubungan ketidakpastian ini, ada ketidakpastian besar dalam jumlah total energi yang terkandung bahkan di ruang kosong saat ini. Ini berarti bahwa pada prinsipnya dapat ada beberapa pasangan partikel dan antipartikel yang ada untuk periode waktu yang sangat singkat, sementara mereka mematuhi hukum konservasi yang diketahui yang berlaku di alam semesta fisik.
Kita sering mendengar penjelasan seperti "pasangan partikel-antipartikel muncul dan menghilang dalam ruang hampa kuantum," dan meskipun penjelasan ini cukup jelas, ini tidak benar-benar terjadi. Tidak ada partikel nyata, dalam arti bahwa jika Anda meluncurkan foton atau elektron melalui wilayah ruang ini, mereka tidak akan pernah terpantul dari partikel vakum kuantum. Deskripsi ini memberi kita kesempatan untuk melihat "gemetar" yang melekat dalam ruang hampa kuantum, dan menunjukkan bahwa ada reservoir partikel virtual yang memungkinkan kita untuk menafsirkan energi yang melekat di ruang kosong sebagai jumlah dari semua partikel virtual ini.Saya ulangi, karena ini penting: ada energi yang melekat di ruang kosong itu sendiri, dan itu dapat direpresentasikan sebagai jumlah fluktuasi kuantum yang melekat dalam ruang ini.
Mari kita lanjutkan. Bayangkan bahwa ruang, alih-alih menjadi datar dan kosong, masih kosong, tetapi sudah melengkung - yaitu, ada penyimpangan dalam bidang gravitasi ruang.
Akan seperti apa fluktuasi kuantum kita? Secara khusus, jika kita membiarkan ruang melengkung karena adanya lubang hitam, bagaimana mereka akan melihat di luar dan di dalam cakrawala peristiwa?Pertanyaannya bagus, dan paling sering mencari jawaban, Anda akan melihat gambar (salah) berikut, yang merupakan inti dari pertanyaan Paul:
Jika Anda membayangkan pasangan partikel / antipartikel sebagai nyata, dan jika seseorang lari dari lubang hitam dan yang lain jatuh di luar cakrawala peristiwa, maka ternyata energi telah meningkat di Semesta: setengah di luar lubang hitam dan setengah ke massa lubang hitam. Tetapi pasangan partikel dan antipartikel ini tidak nyata, tetapi hanya mewakili cara memvisualisasikan dan menghitung energi yang melekat dalam ruang.Faktanya adalah bahwa dengan ruang melengkung, seperti yang Anda ingat, ada penyimpangan bidang gravitasi. Kami menggunakan fluktuasi untuk membantu memvisualisasikan energi yang melekat dalam ruang kosong, tetapi fluktuasi dapat terjadi yang dimulai di luar horizon peristiwa dan jatuh di dalam cakrawala sebelum dimusnahkan kembali. Tetapi energi tidak dapat dicuri dari ruang kosong - sesuatu harus terjadi untuk melestarikannya. Oleh karena itu, setiap kali partikel virtual (atau antipartikel) jatuh di dalamnya, foton nyata (atau satu set mereka) akan muncul untuk mengimbangi. Dan foton nyata ini yang meninggalkan cakrawala peristiwa mengambil energi dari lubang hitam.
Metode yang sebelumnya kami gunakan untuk memvisualisasikan proses, ketika salah satu pasangan partikel jatuh dan yang lainnya lari, terlalu naif untuk berguna, karena pengurangan lubang hitam tidak difasilitasi oleh partikel atau antipartikel, tetapi oleh foton yang sesuai dengan spektrum benda hitam.Saya lebih suka gambar yang lebih baik, meskipun masih sangat naif. Bayangkan fluktuasi kuantum di mana setiap kali Anda memiliki sepasang partikel antipartikel, yang salah satunya jatuh ke dalam, sepasang partikel antipartikel lain muncul, di mana yang lain jatuh di dalamnya. Uap dari partikel dan antipartikel yang tersisa di luar memusnahkan, memancarkan foton nyata, dan yang jatuh di dalamnya mengambil jumlah massa yang sesuai (E = ms 2 ) dari lubang hitam.
Ini masih bukan analogi yang ideal (karena itu hanya analogi), tetapi setidaknya foton meninggalkan cakrawala peristiwa di dalamnya, yang sesuai dengan prediksi radiasi Hawking. Faktanya - walaupun Anda harus membuat perhitungan teori medan kuantum dalam ruang-waktu melengkung untuk mengetahuinya - Radiasi Hawking memprediksi bahwa spektrum foton akan bersesuaian dengan benda yang sepenuhnya hitam dengan suhu yang diberikan oleh:
yang akan memberikan suhu kurang dari satu microKelvin untuk lubang hitam dengan massa sama dengan massa Matahari, kurang dari satu picoKelvin untuk lubang hitam di pusat galaksi kita, dan hanya beberapa persepuluh attoKelvin untuk lubang hitam terbesar yang diketahui. Tingkat penurunan yang sesuai dengan radiasi ini sangat kecil sehingga lubang hitam akan tumbuh bahkan jika mereka menyerap satu proton dalam periode waktu yang sebanding dengan usia Alam Semesta kita - ini akan berlanjut selama sekitar 10 20 tahun.Setelah ini, lubang hitam yang bermassa dengan Matahari akhirnya akan mulai hilang karena radiasi Hawking rata-rata lebih banyak energi daripada yang mereka serap, dan akan sepenuhnya menguap setelah 10 67 tahun, dan yang terbesar dari mereka setelah 10 100tahun. Ini bisa sangat melebihi usia alam semesta, tetapi ini bukan keabadian. Dan mereka akan berkurang karena radiasi Hawking, memancarkan foton.
Akibatnya: ruang kosong memiliki energi tingkat nol, yang tidak sama dengan nol, dan di ruang melengkung, pada horizon peristiwa lubang hitam, spektrum emisi energi rendah dari benda yang benar-benar hitam muncul. Radiasi ini menghilangkan massa dari lubang hitam dan sedikit memampatkan horizon peristiwa dengan waktu. Jika Anda bersikeras mewakili sumber radiasi ini sebagai pasangan partikel / antipartikel, setidaknya bayangkan dua pasangan sekaligus. Kemudian sebuah partikel dari satu pasangan dan sebuah anti partikel dari pemusnahan lainnya, menciptakan foton nyata yang meninggalkan lubang hitam, dan pasangan partikel virtual lainnya jatuh ke dalam lubang dan mengambil energinya (atau massa).Jadi lubang hitam akan mati! Terima kasih atas pertanyaannya, Pavel, dan jika Anda memiliki pertanyaan atau saran, kirimkan kepada saya.Source: https://habr.com/ru/post/id395117/
All Articles