Излучение Хокинга

Излучение Хокинга

Излучение Хокинга
Вопреки своей природе черные дыры способствуют излучению частиц

Излучение Хокинга — процесс излучения различных элементарных частиц черной дырой, который был теоретически описан британским ученым Стивеном Хокингом в 1974-м году.

История возникновения вопроса

Задолго до публикаций работ Стивена Хокинга, возможность излучения частиц черными дырами высказывалась советским физиком-теоретиком Владимиром Грибовым в дискуссии с другим ученым — Яковом Зельдовичем.

Виртуальные частицы

Занимаясь исследованием поведения элементарных частиц вблизи черной дыры, в 1973-м году тридцатилетний Стивен Хокинг посетил Москву. В столице ему удалось принять участие в научном обсуждении с двумя выдающимися советскими учеными  Алексеем Старобинским и Яковом Зельдовичем.

Работая некоторое время над идеей Грибова, они пришли к выводу, что черные дыры могут излучать элементарные частицы благодаря туннельному эффекту. Последний означает существование вероятности того, что частица может преодолеть любой барьер, с точки зрения квантовой физики.

Заинтересовавшись данной темой, Хокинг подробно изучил вопрос и в 1974-м году опубликовал свою работу, впоследствии которой его именем было названо упомянутое излучение.

Стивен Хокинг несколько иначе описал процесс излучения частиц черной дырой. Первопричиной такого излучения являются так называемые «виртуальные частицы».

Виртуальные частицы

Концепция виртуальных частиц

В процессе описания взаимодействий между частицами ученые пришли к мысли о том, что взаимодействия между ними происходят посредством обмена некими квантами («порции» какой-либо физической величины). Например, электромагнитное взаимодействие в атоме между электроном и протоном протекает при помощи обмена фотонами (переносчиками электромагнитного взаимодействия).

Однако тогда возникает следующая проблема. Если, рассмотреть этот электрон как свободную частицу, то он никоим образом не может просто излучить или поглотить фотон, согласно принципу сохранения энергии. То есть он не может просто потерять или приобрести какое-то количество энергии.

Тогда ученые и создали так называемые «виртуальные частицы». Последние отличаются от реальных тем, что рождаются и исчезают так быстро, что зарегистрировать их невозможно.

Все, что виртуальные частицы успевают сделать за короткий промежуток своей жизни – это передать импульс другим частицам, при этом, не передавая энергию.

Таким образом, даже пустое пространство, в силу неких физических флуктуаций (случайных отклонений от нормы) просто кишит этими виртуальными частицами, которые постоянно рождаются и уничтожаются.

Синхрофазотрон показал, что существование виртуальных частиц в принципе возможно

В отличие от советских физиков, описание излучения Стивеном Хокингом основывается на абстрактных, виртуальных частицах, которые являются неотъемлемой частью квантовой теории поля.

Британский физик-теоретик рассматривает спонтанное возникновение этих виртуальных частиц на горизонте событий черной дыры. В таком случае мощное гравитационное поле черной дыры способно «растащить» виртуальные частицы еще до момента их уничтожения, тем самым превратив их в реальные.

Подобные процессы экспериментально наблюдаются на синхрофазотронах, где ученым удается растаскивать эти частицы, при этом затрачивая некоторое количество энергии.

С точки зрения физики, возникновение реальных частиц, имеющих массу, спин, энергию и прочие характеристики, в пустом пространстве «из ничего» противоречит закону сохранения энергии, а значит просто невозможно.

Поэтому для «превращения» виртуальных частиц в реальные потребуется энергия, не меньше, чем суммарная масса этих двух частиц, согласно известному закону E=mc2.

Такой запас энергии затрачивает и черная дыра на то, чтобы растащить виртуальные частицы на горизонте событий.

В результате процесса растаскивания одна из частиц, находящаяся ближе к горизонту событий или даже под ним, «превращается» в реальную, и направляется в сторону черной дыры. Другая же, в обратном направлении отправляется в свободное плаванье по космическому пространству.

Проведя математические подсчеты, можно убедиться в том, что даже, несмотря на полученную энергию (массу) от частицы, упавшей на поверхность черный дыры, энергия, потраченная черной дырой на процесс растаскивания — отрицательная.

То есть, в конечном счете, в результате описанного процесса, черная дыра лишь утратила некоторый запас энергии, который, причем, в точности равен энергии (массе), которой обладает улетевшая «наружу» частица.

Таким образом, согласно описанной теории, черная дыра хоть и не излучает никаких частиц, но способствует такому процессу и теряет эквивалентную энергию. Следуя уже упомянутому закону Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии, становится ясно, что черной дыре неоткуда брать энергию, кроме как из собственной массы.

Даже самые массивные черные дыры рано или поздно исчезнут

Подводя итог всего вышеописанного, можно сказать, что черная дыра излучает частицу и при этом теряет некоторую массу.

Последний процесс был назван как «испарение черной дыры».

Исходя из теории об излучении Хокинга, можно догадаться, что спустя некоторое время, хотя и очень длительное (триллионы лет), черные дыры просто испарятся.

Интересные факты

  • Многие люди опасаются, что на Большом Адронном Коллайдере (БАК) могут образоваться черные дыры, и, вероятно, привнести угрозу в жизнь землян. Рождение черных дыр на БАК возможно только в случае существования дополнительных измерений пространства-времени и наличия мощного гравитационного взаимодействия на малых расстояниях. Однако сформированная таким образом микроскопическая черная дыра мгновенно испарится за счет излучения Хокинга.
  • На основе излучения Хокинга может работать сингулярный реактор или коллапсарный реактор – гипотетическое устройство, порождающее микроскопические черные дыры. Энергия излучения, образованного в результате их испарения, и будет основным источником энергии реактора.

Хотя Большой Адронный Коллайдер и выглядит грозно, из-за излучения Хокинга бояться его нечего

  • Опубликовав свою работу по излучению черных дыр, Стивен Хокинг поспорил с другим известным ученым – Кипом Торном. Предметом спора стала природа объекта, претендующего на звание черной дыры, под названием Лебедь Х-1. Несмотря на то, что работа Хокинга основывалась на предположении о существовании черных дыр, он утверждал, что Лебедь Х-1 не является черной дырой. Примечательно, что в качестве ставок выступали подписки на журналы. Ставка Торна представлялась в виде 4-хгодовой подписки на сатирический журнал «Private eye», тогда как ставка Хокинга – годовая подписка на эротический журнал «Пентхауз». Логику своего утверждения в споре, Стивен аргументировал следующим: «даже если я окажусь не прав, утверждая о существовании черных дыр, то хоть выиграю подписку на журнал».

Полная версия: https://spacegid.com/izluchenie-hokinga.html

Читайте и смотрите нас там, где удобно!

:https://.com/space_astro
:https://.com/astrogid
Instagramm:https://www.instagram.com/spacegid/
:https://ok.ru/group/52581467685067
:https://www..com/spacegid
Telegram:https://t.me/spacegid

Наш сайт: Гид в мире космоса

Подписывайтесь на наш канал в Дзен

Источник: https://zen.yandex.ru/media/spacegid/izluchenie-hokinga-5d1b4bf0d33d2500ad86242c

Излучение Хокинга возникает не на горизонте событий черных дыр

Излучение Хокинга
[Этот пост является переводом статьи от Сабины Хоссенфельдер]

«Краткая история времени» Стивена Хокинга была одна из первых научно-популярных книг, прочитанных мною, и я ее возненавидела. Возненавидела, потому что не понимала. Фрустрация от этой книги стала одной из основных причин, почему я стала физиком — ну, по крайней мере, я знаю, кого винить в этом.

Прим. пер.: я добавил ссылки и некоторые иллюстрации, а также убрал часть текста, не имеющую особого отношения к делу (место отмечено в тексте). Оригинальный пост не может похвастаться идеальной структурой повествования, которую я не стал изменять. Но проблема очень важна и актуальна, и за ее обсуждение и объяснение Сабине можно простить погрешности стиля.

Пост можно считать расширенным комментарием к недавней публикации перевода Итана.

Я перестала ненавидеть эту книгу — надо признать, с подачи Хокинга возгорелся интерес общей публики к фундаментальным вопросам физики (связанным с черными дырами). Но время от времени я все еще хочу ударить чертову книгу. Не потому что я не понимаю ее, но потому что она убедила так много людей, что они понимают ее.

В этой книге Хокинг нарисовал изящную картинку испарения черных дыр, которая теперь используется повсеместно. В его представлении черные дыры испаряются, потому что пары виртуальных частиц, возникающих вблизи горизонта, разрываются приливными силами. Одна из частиц оказывается за горизонтом событий, и падает в черную дыру, а вторая улетает вовне. В результате черная дыра постоянно излучает частицы на горизонте событий. Это просто, это интуитивно, и это совершенно неверно. Такое объяснение — простая иллюстрация, не более. В реальности — вы не будете удивлены — ситуация более сложная.

Пары частиц — насколько вообще имеет смысл говорить о частицах в квантовой физике — не локализованы в пространстве. Они «размазаны» по области пространства, сравнимой с радиусом черной дыры (прим. пер. сродни тому, как электрон движется не по определенной орбите вокруг ядра атома, находясь к какой-то ее точке, а «размазан» вокруг ядра.).

Пары частиц возникают не как точки, но как облака, размытые всюду вокруг черной дыры, и они разделяются только на расстояниях, сравнимых с радиусом черной дыры. Картинка, которую нарисовал Хокинг для не-специалистов не подкрепляется никакой математикой.

В ней есть элемент истины, но не стоит ее принимать слишком серьезно — это может стать источником многих заблуждений.

То, что объяснение Хокинга не точно, не является чем-то новым — с начала 70х было известно, что излучение Хокинга возникает не на самом горизонте.

Уже в учебнике Биррела и Девиса (1984) ясно написано, что если если предположить возникновение излучения на горизонте и рассмотреть процесс излучения в обратном направлении по времени: отследить частицы, приближающиеся к горизонту событий издалека и увеличивающие при этом частоту («синее смещение»), это не даст корректного описания области вблизи горизонта событий. Правильным подходом будет другой: частицы из пары Хокинга при рождении «размазываются» и смешиваются друг с другом, так что говорить о них как о «частицах» можно только в локальном смысле (имеется в виду локальная с точки зрения ОТО система координат, прим.пер.). Более того, нужно честно считать наблюдаемые величины, такие как тензор момента-импульса.

Предположение о возникновении пар на некотором отдалении от горизонта событий было необходимо для решения загадки, которыми были озадачены физики в 70-80е. Температура излучения черной дыры очень мала, если смотреть издалека.

Но чтобы это излучение вообще могло убежать от притяжения ЧД, оно должно изначально обладать огромной энергией вблизи горизонта. А тогда наблюдатель, падающий в черную дыру, обратился бы в пепел, проходя через область с такой энергией.

Это в свою очередь нарушает принцип эквивалентности, согласно которому наблюдатель, падающий в черную дыру вообще не должен заметить ничего необычного при пересечении горизонта.

Чтобы разрешить эту проблему, нужно учесть, что нельзя рассматривать излучение как приходящее от самого горизонта. Если честно посчитать тензор энергии-импульса вблизи горизонта, окажется, что он достаточно мал, и остается таковым и при пересечении горизонта.

На самом деле он насколько мал, что падающий наблюдатель сможет заметить разницу с плоским пространством только на расстояниях, сравнимых с радиусом черной дыры (что также является размером кривизны пространства-времени).

Тогда все сходится, и никакого нарушения принципа эквивалентности не возникает.

[Я знаю, все это звучит похоже на проблему фаервола, которую я обсуждала ранее, но это несколько иной эффект. (прим.пер. Проблема фаервола возникает, если рассматривать запутанность между излученной частицей и упавшей в черную дыру. Чтобы удовлетворять принципам квантовой механики, эти корреляции должны разрушаться.

При разрушении корреляций высвобождается огромная энергия, которая создает «огненную стену» на горизонте.) При этом возникают разные проблемы при вычислениях вблизи горизонта. Идею фаервола можно критиковать на основании того, что в оригинальной статье про фаервол тензор энергии-импульса посчитан не был.

В отличие от других я не думаю, что проблема в этом.]

Настоящая, подкрепленная вычислениями, причина излучения частиц черными дырами заключается в том, что для разных наблюдателей понятие частицы отличается.

Мы привыкли, что частица либо находится у нас, либо не находится. Однако, это справедливо только пока мы равномерно движемся друг относительно друга. Если наблюдатель (мы) ускоряется, самое определение частицы для него изменяется.

То, что выглядит пустым вакуумом для наблюдателя при равномерном движении, оказывается наполненным частицами при ускорении. Этот эффект назван в честь Билла Унру, кто предложил его практически одновременно с гипотезой излучения черных дыр Хокингом.

Сам эффект слишком мал для привычных нам ускорений, и мы никогда не замечаем его.

Эффект Унру близко связан с эффектом испарения черных дыр Хокинга. При возникновении черных дыр материя, коллапсирующая в черную дыру, создает динамическое пространство-время, которое приводит к ускорению между наблюдателями в прошлом и будущем.

В результате пространство-время вокруг коллапсирующей материи, которое не содержало частиц до возникновения черной дыры, оказывается наполненным тепловым излучением на поздних стадиях коллапса. То есть, излучение Хокинга — тот же самый вакуум, изначально окружавший коллапсирующее вещество, (прим.пер.

ровно как в эффекте Унру вакуум наполняется излучением при ускорении наблюдателя).

Это и является источником излучения черных дыр: само определение частицы зависит от наблюдателя. Не столь просто, как картинка Хокинга, но гораздо точнее.

Картинка с парами частица-античастица на горизонте, предложенная Хокингом, стала столь потрясающе популярной, что теперь даже некоторые физики верят, что именно так все и происходит (Прим.пер. До поста Сабины я и сам к своему стыду думал именно так).

Тот факт, что синее смещение излучения при рассмотрении его распространения обратно во времени от бесконечности к горизонту дает настолько огромную энергию на горизонте, оказался затерян в литературе.

К сожалению, непонимание связи между потоком частиц Хокинга вдалеке от ЧД и вблизи горизонта событий приводит к неверному заключению, что этот поток гораздо сильнее, чем он есть на самом деле. Например, это привело Mersini-Houghton к ошибкам при выводе доказательства, что черные дыры вообще не существуют.

(Прим.пер. Дальше статья сокращена для удобства чтения, в оригинальном посте обсуждается книга «Spooky action at a distance» и расчеты, где вычисляется точное расстояние, на котором возникает излучение Хокинга — в несколькое радиусов ЧД — и в подробностях обсуждается источник эффекта)

Если книга Хокинга и научила меня одной вещи, так это тому, что прилипчивые визуальные метафоры может быть проклятием в той же мере, как и благом.

Источник: https://habr.com/post/411867/

Излучение Хокинга: что-то из ничего

Излучение Хокинга

Излучение Хокинга. Это словосочетание встречалось каждому из нас, наверное, хотя бы один раз в жизни.

Что же имеют в виду ученые, когда говорят об этом явлении? Излучение Хокинга — это гипотетический процесс, в ходе которого происходит испарение черных дыр. Да.

Эти хищные звери космоса, абсолютный ужас Вселенной, тоже могут умирать. Эта теория впервые была предложена знаменитым физиком Стивеном Хокингом.

Конец Черной Дыры

До появления гипотезы Хокинга черные дыры считались конечным этапом жизни некоторых звезд. Когда в недрах подобных звезд прекращается ядерный синтез, происходит гравитационный коллапс. Звезда быстро сжимается в небольшой объект, имеющий огромную плотность.

Этот объект имеет настолько сильное гравитационное поле, что ничто, даже свет, не способно преодолеть его. Так рождается черная дыра. Граница, за которой находится некая «точка невозврата» любого материального тела, получила название горизонт событий черной дыры.

Никто и ничто не способно вернуться назад, преодолев эту границу.

Пространство вокруг черных дыр, особенно в бинарных системах, просто кипит от разного рода катастрофических событий. Часто астрономы фиксируют мощные гамма-всплески, возникающие в процессе падения материи в черную дыру. Но центральный объект, сама черная дыра, казалось незыблемой. Она могла только расти. И никогда не уменьшаться. Она казалась вечной.

В своей статье «Взрывы черных дыр?», опубликованной в 1974 году в журнале «Nature», молодой Хокинг предположил, что квантовые эффекты, обычно игнорируемые при описании физики черных дыр, могут нести ответственность за уменьшение массы подобных объектов. И по мере уменьшения массы черной дыры влияние этих квантовых эффектов будет увеличиваться. Что приведет к еще более быстрой потере массы.

Так как же происходит потеря массы черной дыры? Ведь выше было сказано, что ничто не может ее покинуть? Да, действительно это так. Но все же одно не противоречит другому. Все дело в квантовой физике. Которая предполагает существование так называемых «виртуальных частиц». Что же это за частицы такие? Давайте разберемся.

Виртуальные частицы: что-то из ничего

На первый взгляд вакуум космоса кажется пустым и неактивным. Но один из ключевых постулатов квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга, а также тонкости квантовой теории поля ставят под сомнение эту концепцию.

Если опустить сложные для понимания выкладки и перейти сразу к финалу, получается следующая картина: в вакууме постоянно рождаются пары частиц материи и антиматерии. Которые мгновенно самоуничтожаются. Эти частицы и получили название «виртуальные частицы». Так как они существуют в течение очень короткого периода времени.

Итак, представьте себе, что в некой условной коробке вдруг появляется электрон с зарядом -0,511 МэВ. Чтобы закон сохранения энергии не был нарушен, в этой же коробке должен появиться позитрон. И тоже с зарядом 0,511 МэВ.

Квантовая теория поля утверждает, что эти частицы появляются в результате возмущения основных квантовых полей, которые существуют во всей Вселенной. Такое возмущение может быть вызвано искривлением пространства-времени.

Которое, как предполагает общая теория относительности, должно быть наиболее заметным вокруг объектов невероятной массы. Таких, например, как черные дыры.

И Хокинг задумался — а что будет с виртуальными частицами, которые возникли непосредственно на горизонте событий черной дыры?

На грани

Хокинг представил черную дыру, окруженную аурой постоянно формирующихся виртуальных пар частиц и античастиц.

Что же произойдет, если одна частица из этой виртуальной пары попадет в горизонт событий черной дыры? Этот процесс, по крайней мере, теоретически и с небольшой, но конечной вероятностью, позволит другой частице из пары избежать уничтожения. И стать «реальной». Излучение Хокинга — это процесс излучения таких частиц от границы горизонта событий черной дыры.

И поскольку эта частица становиться реальной, та, что упала в черную дыру, приобретает отрицательную энергию. Так требует закон сохранения энергии. И этот процесс приводит к потере массы черной дыры.

Пока не видим

К настоящему моменту нет никаких доказательств правильности теории Хокинга относительно предложенного им вида излучения. Причиной этого является, главным образом, тот факт, что те черные дыры, которые нам известны, характерны наличием в их окрестностях мощных аккреционных событий.

Электромагнитные излучения от этих событий делают их самыми мощными излучающими объектами во Вселенной. И они просто затмевают довольно слабое на их фоне излучение Хокинга.

Ситуация может измениться, когда ученые научатся находить черные дыры, которые не имеют на своих границах мощных явлений.

Есть и другие вопросы, касающиеся излучения Хокинга, на которые еще предстоит ответить.

Например, почему в предложенной модели частица материи всегда излучаются в космос, а частица антивещества поглощаются черной дырой? Ответ на этот вопрос может также со временем дать ответ на одну давнюю неразрешенную тайну астрофизики — почему во Вселенной существует очевидный дисбаланс между материей и антиматерией?

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://alivespace.ru/izluchenie-hokinga/

Излучение Хокинга: истории из жизни, советы, новости, юмор и картинки — Горячее | Пикабу

Излучение Хокинга

И так, мы узнали о скорости света и его значении, теперь давайте попробуем понять, что же такое эта «Черная дыра» о которой так часто говорят, но, забегу вперед, так никто и не видел…. Ученые лишь на 95% уверены, что они есть.

Скажу сразу тем, кто будет использовать данный пост в разрешении споров или чего-то подобного, не надо. Эта тема, если не полностью, то ее большая часть составляет теории и гипотезы, но многие из них относительно подтверждены.

Происхождение

Первое что нам нужно понять, это то, как она появляется. Изначально черная дыра является звездой, но большой массы, есть определенная граница этой массы, преодолевая которую звезда может стать черной дырой. В течение жизни звезды она постоянно эволюционирует и в конце происходит 2 варианта

1. Если звезда не превышает прежде сказанную массу, то происходит взрыв, высвобождая огромную энергию, используемую для продолжения строительства вселенной, можем сопоставить это с перегноем от растений, они погибают чтобы дать жизнь другим.

2.

Если же все-таки превышает, то происходит коллапс, то есть также высвобождение энергии, но здесь из-за большой массы в ее центре слишком большая сила гравитации, что заставляет всю материю пытающуюся вырваться наружу, вернуться обратно в невероятно плотный и сжатый объект. Он и вызывает настолько сильное притяжение, что ему не может сопротивляться даже свет, именно он и называется «Черной дырой».

Внешний вид

Теперь вспомним, как мы видим предметы: вид и цвет предмета, это не более чем свет, отраженный от этого предмета в оптический фиксатор, у нас это глаза.

А теперь обратимся к предыдущему пункту, оттуда мы знаем, что из черных дыр свет не выходит, что это означает? Верно, это означает, что мы ее не увидим.

Я прикрепил картинку в начале поста, наиболее приближенную к реальности, но и она не передает настоящего представления о них. Я не просто так сказал слово «представление», ведь черную дыру никто и никогда не видел.

Мы можем фиксировать ее гравитационную силу на пространство вблизи себя, и, возможно мы увидим это искривление вокруг нее, но не более. Их показывают с черным центром, но сделано это, как и многое находящееся в космосе, для более легкого представления, но выглядит это на самом деле, нет так.

Свойства границ

Горизонт событий – это некая граница черной дыры, имеющая две бесконечности пространства-времени (сложно понять для нашего разума, поэтому просто примите это, а для чего это вы поймете в следующем пункте). Первая бесконечность относиться к прошлому, а вторая к будущему.

Находясь непосредственно на горизонте событий, тело двигается к центру черной дыры и, проходя его, не может вернуться обратно во внешнее пространство. Предмет, попавший внутрь горизонта событий, вероятно, попадает в сингулярность*, а перед этим разрывается под силой притяжения черной дыры, и больше никогда не сможет вернуться обратно…

*Сингулярность – точка пространства-времени, в которой гравитация стремиться к бесконечности (данный факт понятен лишь математической формулой)

Но!

Одна из важнейших проблем ученых, в том, что законы, которым подчиняются объекты со значительной массой (От бактерий до бесконечного увеличения массы) не подходят для объектов с невероятно маленькой массой (От атомов до бесконечного уменьшения массы).

Так вот, изучением законов, управляющих этими микрообъектами, занимается квантовая механика.

До определенного времени ученые рассчитывали свойства черной дыры, лишь опираясь на законы, управляющие нами, но, с каждым новым открытием, важность квантовой механики все более заметна.

Так вот, если предположить, что черная дыра полностью подчиняется законам квантовой механики и не противоречит квантовому эффекту, то это означает что она будет производить излучение, именуемое излучение Хокинга (В честь Стивена Хокинга).

Излучение Хокинга – гипотетически это излучения разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, что приводит к освобождению информации хранящейся в её «темной» части. Этот эффект приводит к испарению черных дыр, но время до испарения настолько велико, что даже будущие 50 поколений вряд ли смогут зафиксировать это.

Границы для времени

Вот мы и имеем представление о том, что такое черная дыра. Теперь я попробую рассказать о том, что примерно происходит на ее границах, ориентируясь на то, что я прочитал в разных источниках. Так как этот объект проявляет огромную гравитационную силу, то он влияет не только на свет, но и на время.

Для начала напишу одну из гипотез, которая если вы хотите прочитать что-нибудь интересное и удивительно вам понравится.

Допустим, мы находимся на границе черной дыры и будем смотреть в сторону ее центра, тогда мы увидим все прошлое, что было с ней и что в нее попало, но если мы повернем голову (напомню, это лишь гипотеза и в ней мы можем представлять такое) то увидим все будущее: что попадет в нее и произойдет с ней.

Второе, я прочитал в книге «Краткая история времени» С. Хокинга.

Представим, что астронавт летит к черной дыре и прилетит туда в 11:00, но все это время он отправляет информацию о времени на ближайший спутник.

Тогда 10:59:58 и 10:59:59 спутник примет, вторая с небольшой задержкой, но она будет незначительная, а вот 11:00 спутнику придется ждать целую вечность, то есть он никогда не получит этот сигнал…

На самом деле, если вы хотите просто понять что такое черная дыра и как она влияет на пространство и время близ себя, то вам больше знать и не надо, основу я вам дал. Дальше начинается ваша работа, если я хотя бы 2 человека заинтересую наукой, то мое дело уже принесло свои плоды. Учите то, что вам интересно, и не обращайте внимания на тех кто вас осуждает!

Вопросы и пожелания для следующих тем, с радостью, принимаются!)

Спасибо за внимание!

Источник: https://pikabu.ru/tag/%D0%98%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%A5%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0/hot

Кто такой Стивен Хокинг? Часть вторая: излучение Хокинга

Излучение Хокинга

Часть первая: восхождение легенды

Стивен Хокинг — странный, на первый взгляд, человек, не встающий с инвалидного кресла и потерявший способность говорить, двигаться, улыбаться (только глазами), и тем не менее автор грандиозных научно-популярных книг, революционных идей в науке… легенда, одним словом. В прошлый раз мы остановились, сказав, что Хокинг издал совместно с Bantam Books «Краткую историю времени», ставшую бестселлером.

Дальнейшая работа Хокинга в области стрел времени привела к публикации в 1985 году теории, что если его предположение об отсутствии границы (у черной дыры — как отсутствие границы у северного полюса: это пересечение линий) верно, то когда Вселенная прекратит расширяться и коллапсирует, время пойдет вспять. Позже он отказался от этой теории после того, как независимые вычисления ее оспорили, но она обеспечила ценный взгляд на возможную связь времени и расширения космоса.

В 1990-х годах Хокинг продолжал публиковать и читать лекции о своих теориях относительно физики, черных дыр и Большого Взрыва. В 1993 году он стал одним из редакторов книги по евклидовой квантовой гравитации вместе с Гари Гиббонсом, над этой теорией они работал в конце 70-х.

Согласной этой теории, гравитационное поле черной дыры можно оценить с помощью функционального интегрального подхода, таким образом, избежав сингулярностей.

В том же году был опубликован сборник популярных эссе, интервью и бесед под названием «Черные дыры и молодые вселенные».

В 1994 году Хокинг и Пенроуз прочитали серию из шести лекций в Институте Ньютона в Кембридже, которые позже были опубликованы под названием «Природа пространства и времени».

В 90-х в личной жизни Хокинга тоже произошли серьезные изменения. В 1990 он и Джейн Хокинг начали бракоразводный процесс после множества лет напряженных отношений, связанных с его инвалидностью, постоянным присутствием опекунов и его статусом знаменитости. В 1995 году Хокинг женился на Элейн Мейсон, которая много лет была его сиделкой.

В 2000-х Хокинг выпустил много новых книг и переизданий старых. Среди них «Мир в ореховой скорлупке» (2001), «Кратчайшая история времени» (2005) и «Бог создал целые числа» (2006). Вместе с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и ЦЕРН Хокинг начал разработку новых космологических теорий.

Одной из самых интересных стала «космология сверху-вниз», согласно которой Вселенная имела не одно, а много уникальных изначальных состояний, а значит пытаться вывести современное состояние Вселенной из единого изначального состояния нецелесообразно. В соответствии с квантовой механикой, такая космология подразумевает, что настоящее «выбирает» прошлое из суперпозиции множества возможных историй.

При этом теория также предложила возможное решение «вопроса тонкой настройки», который адресован к возможности существования жизни лишь при определенным образом сложившихся физических ограничениях. Предлагая эту новую модель космологии, Хокинг открыл возможность того, что жизнь может быть намного более разнообразной, чем думали раньше.

В 2006 году Хокинг и его вторая жена Элейн Мейсон тихо развелись, а Хокинг возобновил тесные отношения с его первой женой Джейн, его детьми (Робертом, Люси и Тимоти) и внуками.

В 2009 году он ушел с поста Лукасовского профессора математики, поскольку того требовали правила Кембриджского университета.

Хокинг продолжил работу в качестве научного директора отделения прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета, где и работает до сих пор, не собираясь на пенсию.

Излучение Хокинга и информационный парадокс черных дыр

В начале 70-х Хокинг начал работу над «теоремой об отсутствии волос». Основываясь на уравнениях гравитации и электромагнетизма Эйнштейна — Максвелла в общей теории относительности, теория утверждала, что все черные дыры можно полностью охарактеризовать тремя наблюдаемыми извне классическими параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом.

Хокинг и микрогравитация (Vomit Comet)

По такому сценарию, вся другая информация о материи, которая образовала черную дыру или падает в нее (для которой используются «волосы» как метафора), «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, сохраняется, но будет недоступна для внешних наблюдателей.

В 1973 году Хокинг ездил в Москву и виделся с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским.

В ходе дискуссий с ними об их работе, они показали ему, как принцип неопределенности приводит к тому, что черные дыры должны излучать частицы.

Это поставило под вопрос второй закон термодинамики черной дыры Хокинга (то есть черные дыры не могут становиться меньше), поскольку за счет энергии они должны терять и массу.

Более того, это поддерживало теорию, выдвинутую Якобом Бекенштейном, аспирантом Университета Джона Уилера, что черные дыры должны иметь конечную ненулевую температуру и энтропию.

Все это противоречило «теореме об отсутствии волос».

Хокинг вскоре пересмотрел свою теорему, показав, что когда учитываются квантово-механические эффекты, оказывается, что черные дыры испускают тепловое излучение определенной температуры.

В 1974 году Хокинг представил свои выводы и показал, что черные дыры излучают радиацию. Этот эффект стал известен как «излучение Хокинга» и сначала был противоречивым. Но к концу 70-х и после публикации дальнейших исследований открытие было признано в качестве существенного прорыва в области теоретической физики.

Тем не менее одним из следствий такой теории было то, что черные дыры постепенно теряют массу и энергию. Из-за этого черные дыры, которые теряют больше массы, чем приобретают, должны сжиматься и в конечном счете исчезать — сейчас это явление известно как «испарение» черной дыры.

В 1981 году Хокинг предположил, что информация в черной дыре необратимо теряется, когда черная дыра испаряется, что стало известно как «информационный парадокс черной дыры». Он утверждал, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре, позволяя множеству физических состояний приходить к единому.

Теория оказалась спорной, поскольку нарушала два фундаментальных принципа квантовой физики. Квантовая физики утверждает, что полная информация физической системы — состояние ее материи (масса, положение, спин, температура и т. п.) — закодирована в ее волновой функции до тех пор, пока функция не коллапсирует. Это, в свою очередь, приводит к двум другим принципам.

Первый — квантовый детерминизм — утверждает, что — учитывая настоящую волновую функцию — будущие изменения уникально определяются оператором эволюции.

Второй — обратимость — утверждает, что оператор эволюции имеет обратную сторону, а значит прошлые волновые функции также уникальны.

Сочетание этих принципов приводит к тому, что информация о квантовом состоянии материи всегда должна сохраняться.

Хокинг в Белом доме на вручении Медали свободы

Предположив, что информация исчезает после испарения черной дыры, Хокинг по сути создал фундаментальный парадокс. Если черная дыра может испаряться, тем самым приводя к исчезновению всей информации о квантовой волновой функции, тогда информация может быть в принципе утрачена навсегда. Этот вопрос стал предметом дискуссий среди ученых и остается практически нерешенным по сей день.

И все же к 2003 году среди физики сложился определенный консенсус на тему того, что Хокинг был неправ о потере информации в черной дыре.

На лекции в Дублине в 2004 году он признал, что проиграл пари на эту тему Джону Прескиллу из Калтеха (которое заключил в 1997 году), но описал собственное и несколько спорное решение проблемы парадокса: возможно, черные дыры могут иметь больше чем одну топологию.

В работе 2005 года, которую он опубликовал на эту тему — «Потеря информации в черных дырах», — он утверждал, что информационный парадокс объясняется изучением всех альтернативных историй вселенных, когда информационная потеря в одной с черными дырами компенсируется в другой без них. В итоге в январе 2014 года Хокинг назвал информационный парадокс черной дыры своей «крупнейшей ошибкой».

Хокинг и Питер Хиггс на Большом адронном коллайдере

В дополнение к расширению нашего понимания черных дыр и космологии с применением ОТО и квантовой механики, Стивен Хокинг также сыграл важную роль в привлечении к науке широкой аудитории. За свою долгую научную карьеру он также опубликовал много популярных книг, много путешествовал и читал лекции, появлялся на телешоу и в фильмах.

За время своей карьеры Хокинг также стал заслуженным педагогом, лично выпустив 39 успешных студентов с докторской степенью. Его имя останется и в истории поиска внеземного разума, и развитии робототехники и искусственного интеллекта. 20 июля 2015 года Стивен Хокинг помог запустить Breakthrough Initiatives, инициативу поиска внеземной жизни во Вселенной.

Вне всяких сомнений, Стивен Хокинг — один из самых известных ученых, живущих сегодня. Его работа в области астрофизики и квантовой механики привела к прорыву в нашем понимании пространства и времени, а также породила множество споров среди ученых. Едва ли кто-нибудь из живущих ныне ученых сделал столько для привлечения внимания широкой публики к науке.

Есть в Хокинге что-то от его предшественника Альберта Эйнштейна — другого влиятельного и знаменитого ученого, который сделал все для борьбы с невежеством и развития науки.

Но особенно впечатляет то, что все, что Хокинг делал в своей жизни (с определенного момента), происходило в упорной борьбе с дегенеративным заболеванием.

(Почитайте, например, историю его знаменитого голоса и как он умудряется писать книги, оставаясь совершенно недвижимым).

Больше 52 лет Хокинг прожил с болезнью, которая, по мнению врачей, должна была унести его жизнь за 2 года. И когда наступит день, когда Хокинга уже не будет с нами, время, несомненно, поместит его рядом с такими людьми, как Эйнштейн, Ньютон, Галилей и Кюри, в качестве одного из величайших ученых в истории человечества.

Источник: https://Hi-News.ru/science/kto-takoj-stiven-xoking-chast-vtoraya-izluchenie-xokinga.html

Что такое излучение Хокинга?

Излучение Хокинга

Излучение Хокинга — это тепловое излучение, спонтанно испускаемое черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи их горизонта событий. Постепенно уменьшается энергия вращения и масса черных дыр. Тем не менее, это просто теория; такого излучения еще не наблюдалось.

В 1974 году Стивен Хокинг потряс мир физики, показав, что черные дыры могут испускать субатомные частицы, пока они не исчерпают свою энергию и не испарятся полностью.

До этого черные дыры, как правило, считались идеальными черными объектами, из которых никакие частицы и излучение не могут вырваться. Однако статья Хокинга под названием «Создание частиц черными дырами» (опубликованная в 1975 году) дала совершенно новую перспективу для изучения черных дыр.

Что такое излучение Хокинга? (Объясняется простыми словами)

Принимая во внимание квантовую теорию поля, Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение, известное как излучение Хокинга, вблизи своего горизонта событий.

С точки зрения непрофессионалов, излучение Хокинга — это тепловое излучение, которое спонтанно испускается черными дырами. Оно постепенно уменьшает энергию вращения и массу черных дыр. Таким образом, неактивные черные дыры (не потребляющие вещества), как ожидается, уменьшатся и в конце концов исчезнут. Этот процесс также называется испарением чёрных дыр.

Излучение Хокинга было спорным открытием, но к концу 1970-х годов оно было широко признано как крупный прорыв в теоретической физике.

Небольшое отступление

В начале 1970-х годов исследования, проведенные Джеймсом Бардином, Стивеном Хокингом и другими физиками, привели к формулировке термодинамики черной дыры, в которой можно исследовать поведение черной дыры, связывая площадь с энтропией, массу с энергией и поверхностную гравитацию с температурой.

Хокинг, используя много математики, объединил идеи как из теории относительности Эйнштейна, так и из квантовой механики. В то время как теория относительности описывает гравитацию в областях большого масштаба и большой массы (галактики, звезды), квантовая механика фокусируется на невесомости в областях малого масштаба и малой массы (молекулы, атомы).

Ученые десятилетиями пытались объединить эти две основные теории: они пытались разработать теорию всего, что могло бы полностью объяснить и связать воедино все физические аспекты вселенной.

Оказывается, обе теории вступают в игру на горизонте событий «черной дыры» — границе, за которой ничто не может уйти (даже свет).

Стивен Хокинг использовал квантовую теорию поля, чтобы показать, что черные дыры должны излучать как черное тело. И подобно многим другим объектам в нашей Вселенной, черные дыры сжимаются и умирают. Его расчеты показали, что как вращающиеся, так и невращающиеся черные дыры испускают излучение. Он даже превратил свои находки в небольшой совет:

«Если ты чувствуешь, что находишься в черной дыре, не сдавайся. Здесь есть выход».- Стивен Хокинг на публичной лекции в Стокгольме, Швеция.

Как работает излучение Хокинга?

Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной.

Эти пары частица-античастица также создаются рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга.

Излучение Хокинга как пар частиц генерируется вблизи черной дыры

Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы «поднимаются» под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы.

Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра только что выпустила частицу, потеряв свою массу.

Энергия извне горизонта событий производит излучение, что означает, что черная дыра должна терять массу, чтобы компенсировать

Это явление также можно рассматривать как эффект квантового туннелирования, в котором пара (частицы и античастица) образуется из вакуума и одного из парных туннелей за пределами горизонта событий.

Информационный парадокс черной дыры

Основное различие между тепловым излучением, испускаемым черным телом, и излучением черной дыры (по оценке Хокинга) заключается в том, что первое является статистическим по своей природе.

Тепловое излучение несет информацию о теле своего источника, тогда как излучение Хокинга, по-видимому, не несет такой информации: оно зависит исключительно от массы, заряда и углового момента черной дыры.

Так что же происходит с веществом, поглощенным черными дырами? Согласно нашему пониманию общей теории относительности, информация уничтожается. Но если бы это было так, то это нарушило бы законы квантовой механики.

Эта головоломка называется информационным парадоксом черной дыры.

В 2015 году Стивен Хокинг представил идею о том, как этот парадокс может быть решен. Он предположил, что информация на самом деле хранится не внутри черной дыры, а на ее границе – горизонте событий.

Информация хранится в виде суперпереводов, голограммы входящих частиц. Это выпущено в квантовых колебаниях, которые создают черные дыры, хотя в бесполезной, хаотической форме.

Излучение Хокинга — медленный процесс

Температура излучения Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры. Поэтому более мелкие черные дыры испускают больше излучения и рассеиваются быстрее, чем более крупные.

Расчеты показывают, что для испарения черной дыры с одной массой Солнца потребуется 10 67 лет; сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути потребует 10 87 лет, а еще более массивные во Вселенной могут занять 10 100 лет.

Экспериментальные наблюдения

В 2008 году НАСА запустило космическую обсерваторию под названием Fermi Gamma-ray Space Telescope, которая в настоящее время ищет испаряющиеся первичные микро-черные дыры из их предполагаемого излучения Хокинга.

Ученые считают, что микро-черные дыры могут быть экспериментально созданы в искусственной среде на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. В случае успеха они могут наблюдать испарение черной дыры, а также подтвердить некоторые теоретические предсказания теории суперструн относительно гравитации.

Источник: https://new-science.ru/chto-takoe-izluchenie-hokinga/

Booksm
Добавить комментарий