Tanyakan Ethan: Bagaimana lubang hitam benar-benar menguap?

Mungkin penemuan terbesar Stephen Hawking, dan alasan dia begitu terkenal di kalangan fisikawan, adalah bahwa lubang hitam tidak hidup selamanya.



Mereka memancarkan energi mereka selama periode waktu yang sangat lama melalui proses yang ditemukan pada tahun 1974 dan dikenal sebagai radiasi Hawking. Minggu ini, salah satu pembaca mengajukan pertanyaan berikut:

Sejak ditemukannya radiasi Hawking dalam publikasi ilmiah, telah digambarkan sebagai penguapan bertahap dari lubang hitam karena penampilan spontan dari partikel-partikel terjerat di dekat horizon peristiwa. Mereka mengatakan bahwa satu partikel tersedot ke dalam BH, dan yang lainnya terbang menjauh dan menjadi radiasi Hawking. Karena radiasi ini, BH secara bertahap menurunkan berat badan, dan sebagai hasilnya hilang sama sekali. Pertanyaannya adalah, jika satu partikel jatuh ke dalam lubang hitam dan yang kedua terbang menjauh, mengapa lubang hitam menjadi lebih kecil? Bukankah dia seharusnya, sebaliknya, mendapatkan massa?

Pertanyaan besar, yang mengandung beberapa kesalahpahaman, beberapa di antaranya muncul karena kesalahan Hawking sendiri. Mari kita cari tahu!



Sudah lebih dari 101 tahun yang lalu, solusi tepat pertama untuk Teori Umum Relativitas ditemukan: ruang-waktu, yang menggambarkan singularitas masif yang dikelilingi oleh horizon peristiwa. Penemuan ini dibuat oleh Karl Schwarzschild, yang segera menyadari bahwa ia telah menggambarkan BH: sebuah objek yang sangat padat dan masif sehingga cahaya pun tidak dapat lepas dari gaya tarik gravitasinya.

Untuk waktu yang lama diyakini bahwa jika massa yang cukup disatukan, mendorongnya ke wilayah ruang yang cukup kecil, keruntuhan gravitasi ke keadaan BH tidak akan dapat diubah, dan bahwa terlepas dari konfigurasi massa awal, singularitas akan menjadi sebuah titik, dan horizon peristiwa akan menjadi bola. Satu-satunya parameter yang menarik bagi para ilmuwan - ukuran cakrawala peristiwa - harus ditentukan hanya oleh massa lubang hitam.



Dengan penyerapan BH dari jumlah materi yang meningkat, massanya tumbuh, dan ukurannya bertambah. Untuk waktu yang lama diyakini bahwa ini akan berlanjut sampai tidak ada masalah tersisa untuk diserap, atau sampai akhir jagat raya datang.

Tetapi ada sesuatu yang mengubah ketentuan ini. Penemuan revolusioner bahwa Alam Semesta kita terdiri dari partikel-partikel kecil yang tak terpisahkan yang menaati seperangkat hukum mereka sendiri, set kuantum. Partikel berinteraksi satu sama lain melalui berbagai interaksi mendasar, yang masing-masing dapat direpresentasikan sebagai seperangkat bidang kuantum.



Ingin tahu bagaimana dua partikel bermuatan listrik berinteraksi, atau bagaimana foton berinteraksi? Semua ini dikendalikan oleh elektrodinamika kuantum, atau teori kuantum interaksi elektromagnetik. Bagaimana dengan partikel-partikel yang bertanggung jawab atas interaksi kuat: gaya yang menyatukan proton dan partikel lain di dalam nuklei? Ini adalah kromodinamik kuantum, atau teori kuantum tentang interaksi yang kuat. Bagaimana dengan peluruhan radioaktif? Ini adalah teori kuantum tentang interaksi nuklir yang lemah.

Tetapi kit ini tidak memiliki dua komponen. Salah satunya mudah diperhatikan: dalam interaksi gravitasi dunia kuantum tidak diperhitungkan, karena kita tidak memiliki teori gravitasi kuantum. Dan yang kedua lebih rumit: tiga teori kuantum yang disebutkan biasanya bekerja di ruang datar, di mana interaksi gravitasi dapat diabaikan. Ruang-waktu yang berkaitan dengan ini dalam GR disebut ruang Minkowski. Tapi di sebelah lubang hitam, ruang membungkuk dan berubah menjadi ruang Schwarzschild.



Dan apa yang terjadi pada medan kuantum ini bukan di ruang kosong dan datar, tetapi di ruang melengkung dekat BH? Hawking mendekati masalah ini pada tahun 1974, menunjukkan bahwa keberadaan bidang-bidang ini di ruang melengkung dekat lubang hitam mengarah pada munculnya radiasi termal dari benda hitam pada suhu tertentu. Suhu dan aliran ini semakin sedikit, semakin masif BH, karena fakta bahwa kelengkungan ruang kurang pada horizon peristiwa untuk BH yang lebih besar dan lebih masif.

Dalam buku sains populer, A History History of Time (masih di tempat pertama di Amazon di bagian kosmologi dan fisika relativistik), Stephen Hawking menggambarkan ruang hampa udara yang terdiri dari pasangan partikel virtual / antipartikel yang muncul dan hilang. Menurutnya, di sebelah BH kadang-kadang salah satu dari dua komponen dari pasangan virtual ini kadang-kadang berada di luar cakrawala acara, sementara yang lain tetap berada di luar. Pada saat seperti itu, ketika dia menulis, anggota luar pasangan tersebut melarikan diri dengan energi positif, yang nyata, dan anggota dalam memiliki energi negatif, karena massa BH berkurang, yang mengarah pada penguapan bertahap.



Secara alami, gambar seperti itu salah. Sebagai permulaan, radiasi datang tidak hanya dari tepi horizon peristiwa BH, tetapi dari seluruh ruang di sekitarnya. Tetapi kesalahan terbesar dalam gagasan proses ini adalah bahwa sebenarnya BH memancarkan foton, bukan partikel dan partikel anti partikel. Faktanya, radiasi memiliki energi yang sangat rendah sehingga tidak dapat menghasilkan pasangan partikel / antipartikel sama sekali.

Saya mencoba meningkatkan penjelasan tentang apa yang terjadi, menekankan bahwa kita berbicara tentang partikel virtual, yaitu, tentang cara memvisualisasikan medan kuantum di alam; ini bukan partikel nyata. Tetapi sifat-sifat ini dapat menyebabkan, dan menyebabkan munculnya radiasi nyata.



Tetapi ini tidak sepenuhnya benar. Penjelasan ini menyiratkan bahwa, tidak jauh dari horizon peristiwa, radiasi akan menjadi kuat dan akan tampak lemah dan suhu rendah hanya pada jarak yang sangat jauh dari BH. Faktanya, radiasi itu kecil di mana-mana, dan hanya sebagian kecil dari radiasi yang dapat dikaitkan dengan horizon peristiwa itu sendiri.

Penjelasan sebenarnya jauh lebih kompleks, dan menunjukkan bahwa gambar primitif ini memiliki keterbatasan. Akar masalahnya adalah bahwa pengamat yang berbeda mendapatkan gambar yang berbeda tentang apa yang terjadi dan persepsi partikel, dan masalah ini lebih rumit di ruang melengkung daripada di flat. Sederhananya, satu pengamat akan melihat ruang kosong, tetapi yang lain, bergerak cepat, akan melihat partikel di dalamnya. Inti dari radiasi Hawking secara terus-menerus terkait dengan di mana pengamat berada dan apa yang dilihatnya, tergantung pada apakah ia bergerak atau beristirahat dengan kecepatan yang dipercepat.



Dengan membuat BH di tempat yang tidak ada di sana, Anda mempercepat partikel di luar horizon peristiwa, yang akhirnya jatuh ke dalam cakrawala ini. Proses ini adalah sumber radiasi ini, dan perhitungan Hawking menunjukkan seberapa lama proses penguapan ini berlangsung seiring waktu. BH dengan massa satu penguapan matahari akan memakan waktu 10 ⁶⁷ tahun. Untuk lubang hitam terbesar di Semesta dengan berat 10 miliar matahari, ini akan memakan waktu 10 ¹⁰⁰ tahun. Selain itu, usia alam semesta saat ini hanya sekitar 10 ¹⁰ tahun, dan tingkat penguapan sangat kecil sehingga 10 ²⁰ tahun lagi akan berlalu sebelum BH mulai menguap lebih cepat daripada mereka tumbuh karena tabrakan acak dengan proton antar bintang, neutron atau elektron.

Oleh karena itu, dengan menjawab secara singkat pertanyaan pembaca, kita dapat mengatakan bahwa gambar yang dibuat oleh Hawking terlalu disederhanakan sedemikian rupa sehingga menjadi salah. Jawaban yang lebih panjang adalah bahwa penampilan radiasi disebabkan oleh penurunan BH materi, dan karena ruang yang sangat melengkung di sekitar horizon peristiwa, radiasi ini dipancarkan dengan sangat lambat, selama periode waktu yang lama dan dalam volume ruang yang sedemikian besar. Untuk penjelasan yang lebih panjang dan teknis, saya sarankan merujuk (untuk meningkatkan kompleksitas) ke teks-teks Sabina Hossenfelder, John Baez dan Steve Giddings.

Source: https://habr.com/ru/post/id400705/