Hawking-strålning

Hawking-strålning  är en hypotetisk process av strålning från ett svart hål av olika elementarpartiklar , främst fotoner ; uppkallad efter Stephen Hawking . Hawking-strålning är forskarnas huvudargument angående sönderfallet (avdunstning) av små svarta hål , som teoretiskt kan uppstå under experiment vid LHC [1] . Idén med en singulär reaktor  är baserad på denna effekt - en anordning för att få energi från ett svart hål på grund av Hawking-strålning [2] .

Historik

V. Gribov , i en diskussion med Ya. Zel'dovich , insisterade på att på grund av kvanttunneling , borde svarta hål avge partiklar [3] [4] . Redan före publiceringen av sitt arbete besökte Hawking Moskva 1973, där han träffade de sovjetiska forskarna Yakov Zeldovich och Alexei Starobinsky . De visade för Hawking att, i enlighet med kvantmekanikens osäkerhetsprincip , måste roterande svarta hål generera och utstråla partiklar [5] .

Avdunstning av svarta hål

Förångningen av ett svart hål  är en kvantprocess . Faktum är att konceptet med ett svart hål som ett objekt som inte avger någonting, utan bara kan absorbera materia, är giltigt så länge som kvanteffekter inte beaktas . Inom kvantmekaniken, tack vare tunnling , blir det möjligt att övervinna potentiella barriärer som är oöverstigliga för ett icke-kvantsystem. Påståendet att det slutliga tillståndet för ett svart hål är stationärt är endast sant inom ramen för den vanliga , icke -kvantteorin om gravitation . Kvanteffekter leder till att i själva verket borde ett svart hål kontinuerligt stråla ut och förlora sin energi och massa i processen.

När det gäller ett svart hål är situationen följande. I kvantfältteorin är det fysiska vakuumet fyllt av ständigt födda och försvinnande fluktuationer av olika fält (vi kan också säga " virtuella partiklar "). Inom området för yttre krafter förändras dynamiken i dessa fluktuationer, och om krafterna är tillräckligt starka kan partikel -antipartikelpar födas direkt från vakuum . Sådana processer sker också nära (men fortfarande utanför) händelsehorisonten för ett svart hål. I det här fallet är det möjligt att en av partiklarna (oavsett vilken) faller ner i det svarta hålet, medan den andra flyger iväg och är tillgänglig för observation. Det följer av lagen om energibevarande att en sådan partikel från ett född virtuellt par som "föll" bortom händelsehorisonten måste ha negativ energi, eftersom den "flygande" partikeln, tillgänglig för en fjärrobservatör, har positiv energi.

Dessutom kan denna process mycket grovt representeras som ett "lån" av energi genom vakuum från ett externt fält för födelsen av ett par partikel + antipartikel. I frånvaro av ett svart hål "återför" förintelse energi till fältet. I det beskrivna fallet, i närvaro av ett svart hål, inträffar inte förintelse, en av partiklarna flyger iväg till observatören, bär bort en del av den "upptagna" energin, vilket minskar energin, och därmed massan av den svarta hål.

Ett konstant gravitationsfält för att generera partikel-antipartikelpar måste vara inhomogent. Partikel-antipartikelpar kan bara födas på grund av tidvatteneffekten .  Skillnaden mellan krafter som verkar på till exempel en elektron och  en positron i  ett virtuellt par (  tidvatteneffekt ) är lika med Parproduktionströskeln bestäms av lagen om energibevarande (tidvattenkrafternas arbete måste vara lika med den energi som är tillräcklig för att bilda ett par): . För en sfärisk icke-roterande massa på ett tillräckligt stort avstånd från den tar accelerationen och parproduktionsförhållandet formen . Det kan skrivas som , var  är gravitationsradien . Den energi som krävs för att en partikel från det resulterande paret ska fly beror på absorptionen av en annan partikel av det svarta hålet. I ett gravitationsfält med acceleration får ett elektron-positronpar på ett karakteristiskt avstånd energi . Temperaturen motsvarar sådan energi (det exakta värdet skiljer sig från det som ges av en numerisk faktor). Elektron-positronpar kommer att födas om , det vill säga vid . Om , så reduceras sannolikheten för parproduktion med faktorn [6] [7]

Viktigt är inte bara det förutspådda faktumet av strålning, utan också det faktum att denna strålning har ett termiskt spektrum (för masslösa partiklar ). Detta innebär att strålning nära händelsehorisonten för ett svart hål kan associeras med en viss temperatur

där ħ  är den reducerade Planck-konstanten , c  är ljusets hastighet i vakuum, k  är Boltzmann-konstanten , G  är gravitationskonstanten , M  är solens massa och slutligen M  är massan av det svarta hålet. I det här fallet är inte bara strålningsspektrumet (dess fördelning över frekvenser), utan också dess mer subtila egenskaper (till exempel alla korrelationsfunktioner) exakt samma som för svartkroppsstrålning. Genom att utveckla teorin är det möjligt att konstruera den kompletta termodynamiken för svarta hål .

Men ett sådant förhållningssätt till ett svart hål visar sig vara självmotsägande och leder till problemet med att information försvinner i ett svart hål . Anledningen till detta är avsaknaden av en framgångsrik teori om kvantgravitation . Existensen av Hawking-strålning förutsägs inte av alla kvantteorier om gravitation [8] och ifrågasätts av ett antal forskare. [9]

Forskning

Observationer borde ha satt stopp för tvisten om effektens existens, dock är temperaturen i svarta hål kända för astronomer för låga för att strålning från dem ska kunna registreras - hålmassorna är för stora. Därför har hypotesen ännu inte bekräftats av observationer.

Enligt den allmänna relativitetsteorin , under bildandet av universum, kunde primära svarta hål uppstå , av vilka några (med en initial massa på 10 12 kg) skulle behöva avdunsta i vår tid [10] . Eftersom avdunstningshastigheten ökar när storleken på det svarta hålet minskar, måste de sista stegen i själva verket vara explosionen av det svarta hålet. Hittills har inga sådana explosioner registrerats.

Det är känt om ett försök att studera "Hawking-strålning" baserat på en modell  - en analog av händelsehorisonten för ett vitt hål , under ett fysiskt experiment utfört av forskare från universitetet i Milano [11] [12] .

2014 genomförde Jeff Steinhauer från Israel Institute of Technology ett experiment för att simulera Hawking-strålning i laboratoriet med hjälp av ljudvågor. [13] [14] [15]

I populärkulturen

Hawkings strålning finns med i handlingen till George and the Mysteries of the Universe (2007), en barnroman skriven av Lucy Hawking och Stephen Hawking.

Anteckningar

  1. University College London Professor Jonathan Butterworth svarar på frågor från bbcrussian.com läsare om Large Hadron Collider . Arkiverad från originalet den 22 augusti 2011.
  2. L. Crane. Möjliga konsekvenser av kvantteorin om  gravitation . — 1994.
  3. Anselm A. A., Ginzburg V. L., Dokshitser Yu. L., Dyatlov I. T., Zakharov V. E., Ioffe B. L., Lipatov L. N., Nikolaev N. N., Okun L. B., Petrov Yu. V., Ter-Martirosyan K. A. Till minne av Vladimir K.A.  // Framsteg inom fysikaliska vetenskaper . - Ryska vetenskapsakademin , 1998. - T. 168 , nr. 4 . - S. 471-472 . - doi : 10.3367/UFNr.0168.199804f.0471 .
  4. Dyakonov Dmitry Igorevich. Gribov, Zeldovich, Hawking . scientific.ru (8 oktober 2011). - Memoarer av ett ögonvittne till händelserna, teoretisk fysiker. "Vi pratade om strålningen från ett roterande svart hål. Alla förstod att en roterande kropp strålar, och de undrade högt – är det en dipol? fyrpol? men Yakov Borisovich sa något tredje, som var svårt att förstå. Återigen blev det ett ofattbart uppståndelse. Vid något tillfälle sa Gribov: Jag förstår inte varför ett hål ska rotera, det ska stråla ut även i vila - en foton med en våglängd som är större än Schwarzschild-radien kan inte låsas! Publiken insåg omedelbart detta och började räkna ut vilken våglängd ett svart hål med solens massa strålar ut, och så vidare. Arkiverad från originalet den 17 april 2013.
  5. Stephen Hawking. En kort historia av tid . — Bantam Books, 1988.
  6. Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vakuum i ett enhetligt gravitationsfält och excitation av en enhetligt accelererad detektor // Einstein-samlingen 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Upplaga 2600 ex. — c. 190-278
  7. Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vakuum i ett enhetligt gravitationsfält och excitation av en enhetligt accelererad detektor Arkivkopia daterad 9 maj 2018 på Wayback Machine // UFN , 1987, v. 153, sid. 633-674
  8. Adam D. Helfer. Strålar svarta hål? Rept. Prog. Phys. 66 (2003) 943-1008; arXiv: gr-qc/0304042v1 Arkiverad 23 juni 2020 på Wayback Machine .
  9. V.A. Belinsky. Om förekomsten av svarta håls avdunstning ännu en gång Phys. Lett. A 354 (2006) 249-257; arXiv: gr-qc/0607137 Arkiverad 28 augusti 2021 på Wayback Machine .
  10. Bernard Carr, Stephen Giddings. Kvantsvarta hål  // I vetenskapens värld . - 2005. - Utgåva. 8 . Arkiverad från originalet den 5 november 2005.
  11. Hawking-strålning från ultrakort laserpulsfilament . Hämtad 23 juni 2020. Arkiverad från originalet 25 juli 2020.
  12. Alexander Budik. Mottog först Hawking-strålning (otillgänglig länk) . 3DNews (28 september 2010). Hämtad 9 oktober 2010. Arkiverad från originalet 4 oktober 2010. 
  13. Akhmedov Emil. Simulering av Hawking-strålning . postnauka.ru (21 oktober 2014). Tillträdesdatum: 2 februari 2015. Arkiverad från originalet 8 januari 2015.
  14. Forskare reproducerar Hawking-strålning för första gången . Phys.org (15 oktober 2014). Datum för åtkomst: 2 februari 2015. Arkiverad från originalet 24 december 2014.
  15. Hem: Naturstatus

Litteratur

Länkar