الفلك

كيف يعمل إشعاع هوكينغ بالضبط؟

كيف يعمل إشعاع هوكينغ بالضبط؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أعلم أن الجسيم والجسيم المضاد ، والجسيمات الافتراضية ، تتكاثر عند حافة أفق الحدث ، ويسقط أحد الجسيمات في الثقب الأسود ، ويخرج الآخر ، لكن كيف يعرف الآخر كيف يأخذ الطاقة من الثقب الأسود ؟ يعني كيف ذلك؟ هل يعرف فقط أنه يأخذ الطاقة من الثقب الأسود أم أن الجسيم المضاد يسقط فيه ، ويفقد الثقب الأسود كتلته؟


... ولكن كيف يعرف الآخر كيف يأخذ الطاقة من الثقب الأسود؟

لفهم هذا ، يجب أن تكون على دراية بجوهر هذه الصورة$^1$ بما فيها حالات الطاقة السلبية داخل الأفق, إنشاء أزواج افتراضية بين الجسيمات والجسيمات المضادة، و الحفاظ على الطاقة.$^2$ أحاول أن أجيب بشكل حدسي على سؤالك بكلمات بسيطة.

افترض أنه تم إنشاء زوج افتراضي بين جسيم ومضاد جسيم بالقرب من أفق الثقب الأسود. وفقًا لمبدأ الحفاظ على الطاقة ، يجب أن تكون الطاقة الإجمالية للجسيمين صفراً. إذن ، أحد الجسيمات به طاقة موجبة والآخر به طاقة سالبة. من ناحية أخرى ، يمكن إثبات وجود حالات طاقة سالبة داخل أفق ثقب أسود ثابت ويمكن لجسيمات الطاقة السالبة أن تشغل هذه الحالات. من أجل الحصول على زوج من الجسيمات الحقيقية بدون طاقة كلية ، فإن الاحتمال المادي الوحيد هو أن جسيم الطاقة الموجبة يمكنه الهروب إلى اللانهاية ، بينما يقع جسيم الطاقة السالبة في الثقب الأسود. بهذه الطريقة ، يمكن لحقل الجاذبية القوي للثقب الأسود أن يحول زوجًا افتراضيًا من الجسيمات المضادة إلى زوج من الجسيمات الحقيقية بدون طاقة كلية. هذا هو السبب في أن الجسيم الافتراضي الذي يتم امتصاصه يحصل دائمًا على طاقة سلبية. بهذه الطريقة ، من المبرر أن يفقد الثقب الأسود كتلته ويتبخر تدريجيًا. (انظر تحذير في نهاية هذه الإجابة ، من فضلك.)

هل يعرف فقط أنه يأخذ الطاقة من الثقب الأسود أم أن الجسيم المضاد يسقط فيه ، ويفقد الثقب الأسود كتلته؟

لاحظ أنه في هذه الصورة ، عندما يتم إنشاء زوج افتراضي بين جسيم ومضاد بالقرب من أفق الثقب الأسود ، فقد يسقط كل منهما في الأفق أو قد يهرب إلى ما لا نهاية (دائمًا ، يسقط أحدهما ويهرب الآخر). ، ليس صحيحًا أن الجسيم المضاد فقط يقع في الثقب الأسود. هذا يعني أن مراقبًا ثابتًا خارج أفق الحدث سيرصد كلاً من طيفي الجسيم والجسيم المضاد.


تحذير: في رأيي ، لا يجب أن تأخذ الحجة المذكورة أعلاه حول زوج الجسيمات الافتراضية المضادة للجسيمات وما إلى ذلك على محمل الجد لأن هذه الصورة تساعد بسذاجة في الحصول على فهم حدسي. إن المعالجة الصارمة لإشعاع هوكينغ باستخدام تكميم الحقول الكمومية في خلفية الثقب الأسود المنحنية لا تحتاج إلى مثل هذه الصورة الساذجة.


$^1$توجد علاجات أكثر صرامة لفهم إشعاع هوكينغ ، لكنني أقصر نفسي على هذا الإطار (الصورة) الذي تهتم به وأسأل عنه.

$^2$ هنا ، من أجل التبسيط ، أقصر هذه المناقشة على حالة الثقوب السوداء الثابتة. الاستنتاج العام لا يزال ساريًا بالنسبة للثقوب السوداء الدوارة.


كيف يعمل إشعاع هوكينغ

سيظل اسم ستيفن هوكينغ مرتبطًا إلى الأبد بعالم لامع وملهم ساعد في ابتكار نظريات وتفسيرات لبعض من أغرب الألغاز في الفيزياء. يمكن لإحدى هذه النظريات ، المعروفة باسم إشعاع هوكينغ ، أن تلقي الضوء على الأشياء التي تخيفنا وتفتننا: الثقوب السوداء. إليك ما هو إشعاع هوكينغ وكيف يتم نظريته للعمل.

1. وفقًا لهوكينج ، الثقوب السوداء ليست سوداء في الواقع.
أول وأهم شيء يجب فهمه عن إشعاع هوكينغ هو أنه يؤكد أن الثقوب السوداء ، والأشياء التي نعتقد أنها تمتص كل المواد من حولها ولا تترك شيئًا يهرب ، تنبعث منها في الواقع شيئًا - إشعاع الجسم الأسود.

2. تنص النظرية على أن أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة يتم إنشاؤها في أفق حدث للثقب الأسود.
تنص النظرية الكمومية على أن كل جسيم له جسيم مضاد يعمل كعكسه. عادة ما يقضي هذان الشخصان على بعضهما البعض ، لكن في حالة إشعاع هوكينغ ، لا يفعلون ذلك. بدلاً من ذلك ، يسقط أحدهما في جاذبية الثقب الأسود ، والآخر قادر على الهروب. هذا الجسيم المنبعث لديه طاقة على شكل إشعاع ، لذلك يبدو أن الثقب الأسود يصدر إشعاعًا بدلاً من مجرد امتصاصه.

3. إذا كان هذا هو الحال ، فإن الثقوب السوداء تفقد كتلتها.
بينما يمتص الثقب الأسود جسيمًا واحدًا ، يهرب الآخر. هذا يعني أن الثقب الأسود يفقد الطاقة ، وإذا كان يفقد الطاقة ، فإنه يفقد الكتلة. لذلك ، لا ينبغي أن تستمر الثقوب السوداء إلى الأبد. في مرحلة ما سوف يفقدون كل كتلهم ، ووفقًا للنظرية ، فإنهم يخرجون من الوجود.

وليام بينات

ديفيد جي فرانكس

سيظل اسم ستيفن هوكينغ مرتبطًا إلى الأبد بعالم لامع وملهم ساعد في ابتكار نظريات وتفسيرات لبعض من أغرب الألغاز في الفيزياء. يمكن لإحدى هذه النظريات ، المعروفة باسم إشعاع هوكينغ ، أن تلقي الضوء على الأشياء التي تخيفنا وتفتننا: الثقوب السوداء. إليك ما هو إشعاع هوكينغ وكيف يتم نظريته للعمل.

1. وفقًا لهوكينج ، الثقوب السوداء ليست سوداء في الواقع.
أول وأهم شيء يجب فهمه عن إشعاع هوكينغ هو أنه يؤكد أن الثقوب السوداء ، والأشياء التي نعتقد أنها تمتص كل المواد من حولها ولا تترك شيئًا يهرب ، تنبعث منها في الواقع شيئًا - إشعاع الجسم الأسود.

2. تنص النظرية على أن أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة يتم إنشاؤها في أفق حدث للثقب الأسود.
تنص النظرية الكمومية على أن كل جسيم له جسيم مضاد يعمل كعكسه. عادة ما يقضي هذان الشخصان على بعضهما البعض ، لكن في حالة إشعاع هوكينغ ، لا يفعلون ذلك. بدلاً من ذلك ، يسقط أحدهما في جاذبية الثقب الأسود ، والآخر قادر على الهروب. هذا الجسيم المنبعث لديه طاقة على شكل إشعاع ، لذلك يبدو أن الثقب الأسود يصدر إشعاعًا بدلاً من مجرد امتصاصه.

3. إذا كان هذا هو الحال ، فإن الثقوب السوداء تفقد كتلتها.
بينما يمتص الثقب الأسود جسيمًا واحدًا ، يهرب الآخر. هذا يعني أن الثقب الأسود يفقد الطاقة ، وإذا كان يفقد الطاقة ، فإنه يفقد الكتلة. لذلك ، لا ينبغي أن تستمر الثقوب السوداء إلى الأبد. في مرحلة ما سوف يفقدون كل كتلهم ، ووفقًا للنظرية ، فإنهم يخرجون من الوجود.

ساراين ، إذا سقط أحد الجسيمات في الثقب الأسود ، ألن يزيد ذلك من كتلته؟ الجسيم الآخر الذي ينبعث هو من خارج أفق الحدث ، وليس من الثقب الأسود نفسه. يبدو لي أن الثقب الأسود يستخرج المادة من الفضاء (المجال الكمومي / الرغوة / التقلبات ، الأثير ، طاقة الفراغ ، الطاقة المظلمة أو أي شيء آخر) ويكبر وليس أصغر! أنا لا أفهم! الرجاء المساعدة.

ألق نظرة على كتابي SaraRayne. مع كل الموضوعات الإضافية ، يعد كتابي أكثر من مجرد نظرية للكون ، لذا نأمل أن يقدم صورة كاملة للوجود (باستثناء التفاصيل الدقيقة لكل جسيم وما إلى ذلك) ومكتفية ذاتيًا ، ولا تتطلب أي خلق أو التطور ولا يحتاج إلى بداية أو نهاية. مع وجود الكثير منه على أساس مبادئ علمية متينة ومنطق جيد.


من أين (في الزمكان) ينشأ إشعاع هوكينغ؟

وفقًا لفهمي للديناميكا الحرارية للثقب الأسود ، إذا لاحظت وجود ثقب أسود من مسافة آمنة ، يجب أن ألاحظ إشعاع الجسم الأسود المنبعث منه ، مع درجة حرارة تحددها كتلته. تأتي الطاقة من هذا الإشعاع من كتلة الثقب الأسود نفسها.

لكن أين تحدث (في الزمكان) عملية توليد إشعاع هوكينغ؟ يبدو أنه يجب أن يكون في أفق الحدث نفسه. ومع ذلك ، يوجد هنا مخطط بنروز لثقب أسود يتشكل من نجم منهار ثم يتبخر ، وقد نقلته من منشور المدونة هذا بواسطة Luboš Motl.

في الرسم التخطيطي ، قمت برسم الخطوط العالمية لسطح النجم (البرتقالي) والمراقب الذي يبقى على مسافة آمنة ويهرب في النهاية إلى ما لا نهاية (أخضر). أستطيع من الرسم التخطيطي أن أرى كيف يمكن للمراقب رؤية الفوتونات من النجم نفسه وأي مادة أخرى متداخلة (أشعة الضوء البرتقالي). ستصبح هذه إزاحة باللون الأحمر إلى ترددات منخفضة بشكل لا يمكن اكتشافه. ولكن يبدو أن أي فوتونات تنبعث من الأفق نفسه سيتم ملاحظتها فقط في لحظة واحدة من الزمن (شعاع الضوء الأزرق) ، والتي يبدو أنه يجب ملاحظتها على أنها انهيار الثقب الأسود.

لذا يبدو أنني إذا لاحظت فوتونات من ثقب أسود في أي وقت قبل تبخره النهائي ، فلا بد أنها نشأت من وقت قبل تشكل الأفق فعليًا. هل هذا صحيح؟ يبدو أنه يتعارض إلى حد كبير مع الطريقة التي يتم بها عادة تلخيص موضوع إشعاع هوكينغ. كيف يمكن أن تنبعث الفوتونات؟ قبل تشكيل الأفق؟ هل تلعب علاقة عدم اليقين بوقت الطاقة دورًا هنا؟

أحد أسباب اهتمامي بهذا هو أنني أرغب في معرفة ما إذا كان إشعاع هوكينغ يتفاعل مع المادة التي تقع في الثقب الأسود. يبدو أن هناك ثلاثة احتمالات:

  1. يتولد إشعاع هوكينغ في الزمكان بين الثقب الأسود والمراقب ، وبالتالي لا يتفاعل (كثيرًا أو على الإطلاق) مع المادة المتساقطة
  2. يتولد إشعاع هوكينغ بالقرب من مركز الثقب الأسود ، في وقت قبل تشكل الأفق ، وبالتالي فإنه يتفاعل مع المادة.
  3. إشعاع هوكينغ هو في الواقع المنبعثة عن طريق المادة المتساقطة ، والتي لسبب ما يتم تسخينها إلى درجة حرارة عالية جدًا مع اقترابها من أفق الحدث.
  4. (بفضل pjcamp) لا يمكنك التفكير فيها على أنها قادمة من نقطة معينة ، لأنها جسيمات كمومية وليس لها موقع محدد جيدًا.

كل هذه الاحتمالات لها آثار مختلفة تمامًا على الكيفية التي يجب أن يفكر بها المرء في محتوى المعلومات للإشعاع الذي يصل في النهاية إلى المراقب ، لذلك أود أن أعرف أيهما (إن وجد) هو الصحيح.

الاحتمال الرابع يفعل يبدو الأمر أكثر منطقية ، ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فأنا أرغب في مزيد من التفاصيل ، لأن ما أحاول فهمه حقًا هو ما إذا كانت فوتونات هوكينغ يمكن أن تتفاعل مع المادة المتساقطة أم لا. عادة ، إذا لاحظت فوتونًا أتوقع أن يكون قد انبعث من شيء ما. إذا لاحظت أن أحدًا قادمًا من ثقب أسود ، فلا يبدو من المعقول محاولة تتبع مساره في الوقت المناسب ومعرفة متى وأين جاء ، وإذا فعلت ذلك فسيظل يظهر لقد أتيت من وقت قبل أن يتشكل الأفق ، وستكون في الواقع يظهر ينشأ من سطح النجم الأصلي المنهار ، قبل أن يجتاز الأفق مباشرة. أفهم الحجة القائلة بأن المادة المعلقة لن تتعرض لأي إشعاع هوكينغ ، لكني أود أن أفهم ما إذا ، من منظور المراقب الخارجي، يبدو أن إشعاع هوكينغ يتفاعل مع المادة التي تسقط في الثقب الأسود. من الواضح أنه يفعل تتفاعل مع الأشياء البعيدة بشكل كافٍ عن الثقب الأسود ، حتى لو كانت تتساقط بحرية تجاهه ، لذا إذا لم تتفاعل مع سطح النجم المنهار ، فأين نقطة القطع ، ولماذا؟

في إجابة أدناه ، يذكر رون ميمون "نقطة مجهرية بالضبط حيث تشكل الثقب الأسود لأول مرة" ، ولكن في هذا الرسم البياني يبدو أنه لن يتم ملاحظة أي إشعاع من تلك النقطة حتى انهيار الثقب. كل ما قرأته عن الثقوب السوداء يشير إلى أن إشعاع هوكينغ يُلاحظ أنه ينبعث من الثقب الأسود بشكل مستمر ، وليس فقط في لحظة الانهيار ، لذلك ما زلت في حيرة من أمري بشأن هذا.

إذا كان الإشعاع هو كل ما ينبعث من هذه النقطة في الزمكان ، يبدو أنه يجب أن يتفاعل بشدة مع المادة المتساقطة:

في هذه الحالة ، لن يكون عبور أفق الحدث تجربة خالية من الأحداث بعد كل شيء ، لأنه سيتضمن الاصطدام بنسبة كبيرة من فوتونات هوكينغ دفعة واحدة. (هل هذا متعلق بفكرة "جدار الحماية" الذي سمعت عنه؟)

أخيرًا ، أدرك أنه من المحتمل أنني أفكر في الأمر بطريقة خاطئة. أعلم أن وجود الفوتونات ليس مستقلاً عن الراصد ، لذلك أعتقد أنه قد يكون مجرد مسألة من أين تنشأ الفوتونات ليست ذات مغزى. لكن حتى في هذه الحالة ، أود حقًا الحصول على صورة مادية أوضح للموقف. إذا كان هناك سبب وجيه لماذا "أين ومتى تنشأ الفوتونات؟" ليس السؤال الصحيح ، سأقدر حقًا الإجابة التي تشرح ذلك. (إجابة pjcamp للإصدار الأصلي من السؤال تتجه نحو هذا الأمر ، لكنها لا تتناول الجانب المرتبط بالوقت للإصدار الحالي ، كما أنها لا تعطي أي فكرة عما إذا كان إشعاع هوكينغ يتفاعل مع المادة المتساقطة ، من وجهة نظر المراقب.)

ملاحظة تحريرية: تم تغيير هذا السؤال قليلاً منذ النسخة التي أجاب عنها pjcamp ورون ميمون. كانت النسخة القديمة مبنية على حجة التناظر الزمني ، وهي صحيحة لثقب شوارتزشيلد الأسود ، ولكن ليس لثقب عابر يتشكل من نجم منهار ثم يتبخر. أعتقد أن العرض من حيث مخططات بنروز أوضح بكثير.


نعم ، كذب ستيفن هوكينج علينا كل شيء عن كيفية تحلل الثقوب السوداء

يقدم الفيزيائي والمؤلف الأكثر مبيعًا ستيفن هوكينغ برنامجًا في سياتل في عام 2012. على الرغم من أنه. [+] قدم بعض المساهمات الهائلة في العلوم ، وقد ساهم تشبيهه بتآكل الثقوب السوداء في تكوين جيل من علماء الفيزياء وطلاب الفيزياء وعشاق الفيزياء المضللين.

أحدثت أعظم فكرة عن مسيرة ستيفن هوكينج العلمية ثورة حقيقية في طريقة تفكيرنا في الثقوب السوداء. إنهم ليسوا من السود تمامًا ، بعد كل شيء ، وكان هوكينغ بالفعل أول من فهم وتوقع الإشعاع الذي يجب أن يصدره: إشعاع هوكينغ. استخلص النتيجة في عام 1974 ، وهي واحدة من أكثر الروابط عمقًا على الإطلاق بين عوالم الكم ونظريتنا في الجاذبية ، النسبية العامة لأينشتاين.

ومع ذلك ، في كتابه التاريخي لعام 1988 ، A Brief History Of Time ، يرسم هوكينغ صورة لهذا الإشعاع - لأزواج جزيئية وجسيمية تم إنشاؤها تلقائيًا حيث يسقط أحد الأعضاء ويهرب الآخر - وهذا غير صحيح بشكل فاضح. لمدة 32 عامًا ، كانت معلومات مضللة عن طلاب الفيزياء والأشخاص العاديين وحتى المحترفين على حد سواء. الثقوب السوداء تتحلل حقًا. لنجعل اليوم اليوم الذي نكتشف فيه كيف يفعلون ذلك بالفعل.

ملامح أفق الحدث نفسه ، ظلية على خلفية انبعاثات الراديو. [+] من خلفه ، تم الكشف عنه بواسطة Event Horizon Telescope في مجرة ​​تبعد حوالي 60 مليون سنة ضوئية. يمثل الخط المنقط حافة كرة الفوتون ، بينما يمثل أفق الحدث نفسه داخليًا حتى. خارج أفق الحدث ، تنبعث كمية صغيرة من الإشعاع باستمرار: إشعاع هوكينغ ، والذي سيكون في النهاية مسؤولاً عن اضمحلال هذا الثقب الأسود.

تعاون Event Horizon Telescope وآخرون.

ما جعلنا هوكينغ نتخيله هو صورة بسيطة نسبيًا. ابدأ بالثقب الأسود: منطقة من الفضاء تتركز فيها كتلة كبيرة في مثل هذا الحجم الصغير الذي ، داخله ، لا يستطيع حتى الضوء الهروب. كل شيء يقترب كثيرًا منه سينجذب حتمًا إلى التفرد المركزي ، مع الحدود بين المناطق التي لا مفر منها والتي لا مفر منها والمعروفة باسم أفق الحدث.

الآن ، دعنا نضيف فيزياء الكم. الفضاء ، على المستوى الأساسي ، لا يمكن أبدًا أن يكون فارغًا تمامًا. بدلاً من ذلك ، هناك كيانات متأصلة في نسيج الكون نفسه - الحقول الكمية - الموجودة دائمًا في كل مكان. ومثل جميع الكيانات الكمومية ، هناك شكوك متأصلة فيها: طاقة كل حقل في أي مكان تتقلب مع مرور الوقت. هذه التقلبات الميدانية حقيقية للغاية ، وتحدث حتى في حالة عدم وجود أي جسيمات.

يوضح تصور QCD كيف تخرج أزواج الجسيمات / الجسيمات المضادة من الفراغ الكمومي. [+] فترات زمنية قصيرة جدًا نتيجة عدم يقين هايزنبرغ. يعد الفراغ الكمومي مثيرًا للاهتمام لأنه يتطلب ألا يكون الفضاء الفارغ بحد ذاته فارغًا ، ولكنه مليء بجميع الجسيمات والجسيمات المضادة والحقول في حالات مختلفة التي تتطلبها نظرية المجال الكمومي التي تصف كوننا. ضع كل هذا معًا ، وستجد أن طاقة الفضاء الفارغ تساوي صفرًا والتي هي في الواقع أكبر من الصفر.

في سياق نظرية المجال الكمومي ، فإن أدنى حالة طاقة لحقل كمي تتوافق مع عدم وجود جسيمات. لكن الحالات المثارة ، أو الحالات التي تتوافق مع طاقات أعلى ، تتوافق إما مع الجسيمات أو الجسيمات المضادة. أحد التصورات المستخدمة بشكل شائع هو التفكير في الفضاء الفارغ على أنه فارغ حقًا ، ولكن يسكنه أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة (بسبب قوانين الحفظ) التي تظهر لفترة وجيزة ، فقط لتتلاشى مرة أخرى في فراغ العدم بعد فترة قصيرة.

هنا تظهر صورة هوكينج الشهيرة - صورته غير الصحيحة تمامًا - في اللعب. ويؤكد أنه في جميع أنحاء الفضاء ، تظهر أزواج الجسيمات المضادة للجسيمات وتختفي من الوجود. داخل الثقب الأسود ، كلا العضوين يظلان هناك ، يبيدان ، ولا يحدث شيء. بعيدًا عن الثقب الأسود ، إنها نفس الصفقة. ولكن بالقرب من أفق الحدث ، يمكن أن يسقط أحد الأعضاء بينما يهرب الآخر ، حاملاً طاقة حقيقية بعيدًا. وهذا ، كما يقول ، هو سبب فقدان الثقوب السوداء للكتلة ، والاضمحلال ، ومن أين يأتي إشعاع هوكينغ.

في كتاب هوكينج الأكثر شهرة ، تاريخ موجز للزمن ، قام بعمل تشبيه بأن الفضاء ممتلئ. [+] مع أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة ويمكن لهذا العضو الهروب (يحمل طاقة إيجابية) بينما يسقط الآخر (مع الطاقة السلبية) ، مما يؤدي إلى تسوس الثقب الأسود. يستمر هذا التشبيه الخاطئ في إرباك أجيال من الفيزيائيين والأشخاص العاديين على حدٍ سواء.

أولف ليونهارت / جامعة سانت أندروز

كان هذا هو التفسير الأول الذي سمعته ، وأنا نفسي عالم فيزياء فلكية نظرية ، عن كيفية تحلل الثقوب السوداء. إذا كان هذا التفسير صحيحًا ، فهذا يعني:

  1. يتكون إشعاع هوكينج من مزيج 50/50 من الجسيمات والجسيمات المضادة ، حيث أن أي عضو يسقط وأي منها يفلت سيكون عشوائيًا ،
  2. أن كل إشعاع هوكينغ ، الذي يتسبب في تحلل الثقوب السوداء ، سينبعث من أفق الحدث نفسه ، و
  3. أن كل كمية من الإشعاع المنبعث يجب أن تحتوي على كمية هائلة من الطاقة: كافية للهروب منها تقريبيا، لكن ليس تمامًا ، حيث يبتلعها الثقب الأسود.

بالطبع ، كل هذه النقاط الثلاث ليست صحيحة. يتكون إشعاع هوكينغ بشكل حصري تقريبًا من الفوتونات ، وليس مزيجًا من الجسيمات والجسيمات المضادة. تنبعث من منطقة كبيرة خارج أفق الحدث ، وليس على السطح مباشرة. والكميات المنبعثة منفردة لها طاقات ضئيلة للغاية على مدى واسع.

داخل وخارج أفق الحدث لثقب Schwarzschild الأسود ، يتدفق الفضاء مثل a. [+] ممر متحرك أو شلال ، حسب الطريقة التي تريد أن تتخيلها. ولكن خارج أفق الحدث ، بسبب انحناء الفضاء ، يتولد الإشعاع ، مما يؤدي إلى نقل الطاقة بعيدًا ، مما يؤدي إلى تقلص كتلة الثقب الأسود ببطء بمرور الوقت.

أندرو هاميلتون / جيلا / جامعة كولورادو

الغريب في هذا التفسير أنه ليس التفسير الذي استخدمه في الأوراق العلمية التي كتبها حول هذا الموضوع. كان يعلم أن هذا التشبيه كان معيبًا وسيؤدي إلى تفكير الفيزيائيين بشكل غير صحيح حوله ، لكنه اختار تقديمه إلى عامة الناس كما لو أن الناس غير قادرين على فهم الآلية الحقيقية التي تلعبها. وهذا سيء للغاية ، لأن القصة العلمية الفعلية ليست أكثر تعقيدًا ، لكنها أكثر وضوحًا.

يحتوي الفضاء الفارغ بالفعل على حقول كمية في جميع أنحاءه ، وهذه الحقول لديها بالفعل تقلبات في قيم طاقتها. هناك جرثومة الحقيقة في تشبيه "إنتاج زوج الجسيمات المضادة" ، وهي: في نظرية المجال الكمومي ، يمكنك نمذجة طاقة الفضاء الفارغ عن طريق إضافة الرسوم البيانية التي تتضمن إنتاج هذه الجسيمات. لكنها تقنية حسابية فقط الجسيمات والجسيمات المضادة ليست حقيقية ولكنها افتراضية بدلاً من ذلك. لا يتم إنتاجها فعليًا ، ولا تتفاعل مع الجسيمات الحقيقية ، ولا يمكن اكتشافها بأي وسيلة.

عدد قليل من المصطلحات التي تساهم في طاقة النقطة الصفرية في الديناميكا الكهربية الكمومية. التطور ل . [+] هذه النظرية ، بسبب Feynman و Schwinger و Tomonaga ، أدت إلى حصولهم على جائزة نوبل في عام 1965. قد تظهر هذه الرسوم البيانية الجسيمات والجسيمات المضادة التي ظهرت وتخرج من الوجود ، ولكن هذه ليست سوى أداة حسابية هذه الجسيمات هي غير حقيقى.

ر.ل جاف ، من https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf

بالنسبة لأي مراقب موجود في أي مكان في الكون ، فإن "طاقة الفضاء الفارغ" ، والتي نسميها طاقة نقطة الصفر ، ستبدو وكأنها لها نفس القيمة بغض النظر عن مكان وجودها. ومع ذلك ، فإن إحدى قواعد النسبية هي أن المراقبين المختلفين سوف يرون حقائق مختلفة: المراقبون في حركة نسبية أو في المناطق التي يختلف فيها انحناء الزمكان ، على وجه الخصوص ، سيختلفون مع بعضهم البعض.

لذلك إذا كنت بعيدًا بشكل لا نهائي عن كل مصدر للكتلة في الكون وكان انحناء الزمكان لديك ضئيلًا ، فستحصل على طاقة نقطة الصفر. إذا كان شخص آخر يقع في أفق حدث للثقب الأسود ، فسيكون لديه طاقة نقطة صفرية معينة وهي نفس القيمة المقاسة بالنسبة له كما كانت بالنسبة لك بعيدًا بلا حدود. ولكن إذا حاولت تعيين طاقة نقطة الصفر الخاصة بك إلى طاقة نقطة الصفر (أو العكس) ، فلن تتفق القيم. من منظور بعضنا البعض ، تتغير طاقة نقطة الصفر بالنسبة لمدى شدة انحناء الفراغين.

رسم توضيحي للزمكان شديد الانحناء للكتلة النقطية ، والذي يتوافق مع الجسم المادي. [+] سيناريو التواجد خارج أفق الحدث للثقب الأسود. عندما تقترب أكثر فأكثر من موقع الكتلة في الزمكان ، يصبح الفضاء منحنيًا بشدة ، مما يؤدي في النهاية إلى موقع لا يمكن للضوء أن يهرب منه: أفق الحدث. سوف يختلف المراقبون في مواقع مختلفة حول ماهية طاقة النقطة الصفرية للفراغ الكمومي.

مستخدم Pixabay JohnsonMartin

هذه هي النقطة الأساسية وراء إشعاع هوكينغ ، وقد عرفها ستيفن هوكينج بنفسه. في عام 1974 ، عندما اشتق إشعاع هوكينغ الشهير لأول مرة ، كانت هذه هي العملية الحسابية التي أجراها: حساب الفرق في طاقة النقطة الصفرية في الحقول الكمية من الفضاء المنحني حول الثقب الأسود إلى الفضاء المسطح البعيد جدًا.

نتائج هذا الحساب هي التي تحدد خصائص الإشعاع المنبعث من الثقب الأسود: ليس من أفق الحدث على وجه الحصر ، ولكن من الفضاء المنحني بأكمله حوله. يخبرنا بدرجة حرارة الإشعاع ، والتي تعتمد على كتلة الثقب الأسود. يخبرنا طيف الإشعاع: جسم أسود مثالي ، يشير إلى توزيع طاقة الفوتونات و- إذا كانت هناك طاقة كافية متاحة عبر E = mc² - الجسيمات الضخمة والجسيمات المضادة أيضًا.

أفق الحدث للثقب الأسود هو منطقة كروية أو كروية لا شيء منها ، ولا حتى. [+] الضوء يمكن أن يهرب. لكن خارج أفق الحدث ، من المتوقع أن يصدر الثقب الأسود إشعاعات. كان عمل هوكينج في عام 1974 أول من أظهر هذا ، ويمكن القول إنه كان أعظم إنجاز علمي له.

ناسا دانا بيري ، SKYWORKS DIGITAL ، INC.

كما أنها تمكننا من حساب تفاصيل مهمة لا يتم تقديرها بشكل عام: من أين ينشأ الإشعاع الذي تنبعث منه الثقوب السوداء. بينما تُظهر معظم الصور والتصورات 100٪ من إشعاع هوكينغ للثقب الأسود ينبعث من أفق الحدث نفسه ، فمن الأكثر دقة تصويره على أنه ينبعث على حجم يمتد على حوالي 10-20 نصف قطر شوارزشيلد (نصف قطر أفق الحدث) ، حيث يتناقص الإشعاع تدريجيًا كلما ابتعدت عنك.

يقودنا هذا إلى استنتاج مذهل: أن جميع الأجسام المنهارة التي تقوس الزمكان يجب أن تنبعث منها إشعاع هوكينغ. قد تكون كمية ضئيلة وغير محسوسة من إشعاع هوكينغ ، غارقة في الإشعاع الحراري بقدر ما يمكننا حساب حتى الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية الميتة منذ زمن طويل. لكنها لا تزال موجودة: إنها قيمة موجبة غير صفرية يمكن حسابها ، وتعتمد فقط على كتلة الجسم ودورانه وحجمه المادي.

عندما تفقد الثقوب السوداء كتلتها بسبب إشعاع هوكينغ ، يزداد معدل التبخر. بعد كفاية. [+] يمر الوقت ، ينبعث وميض رائع من "الضوء الأخير" في تيار من إشعاع الجسم الأسود عالي الطاقة الذي لا يفضل المادة ولا المادة المضادة.

تكمن المشكلة الرئيسية في تفسير هوكينج لنظريته في أنه يأخذ أداة حسابية - فكرة الجسيمات الافتراضية - ويتعامل مع هذه الأداة كما لو كانت مكافئة للواقع المادي. في الواقع ، ما يحدث هو أن الفضاء المنحني حول الثقب الأسود ينبعث منه إشعاع باستمرار بسبب التدرج المنحني حوله ، وأن الطاقة تأتي من الثقب الأسود نفسه ، مما يتسبب في تقلص أفق الحدث ببطء بمرور الوقت.

الثقوب السوداء لا تتحلل لأن هناك جسيمًا افتراضيًا يحمل طاقة سلبية ، وهو خيال آخر ابتكره هوكينج "لإنقاذ" تشبيهه غير الكافي. بدلاً من ذلك ، تتحلل الثقوب السوداء وتفقد كتلتها بمرور الوقت ، لأن الطاقة المنبعثة من إشعاع هوكينغ هذا تقلل ببطء من انحناء الفضاء في تلك المنطقة. بمجرد مرور الوقت الكافي ، وهذه المدة هائلة للثقوب السوداء الواقعية ، ستكون قد تبخرت تمامًا.

لا يؤدي الاضمحلال المحاكي للثقب الأسود إلى انبعاث الإشعاع فحسب ، بل يؤدي أيضًا إلى اضمحلال. [+] الكتلة المدارية المركزية التي تحافظ على استقرار معظم الأجسام. لن تبدأ الثقوب السوداء في الاضمحلال بشكل جدي ، على أي حال ، بمجرد أن يتجاوز معدل الاضمحلال معدل النمو. بالنسبة للثقوب السوداء في كوننا ، لن يحدث ذلك حتى يبلغ عمر الكون حوالي 10 مليارات ضعف عمره الحالي.

لا ينبغي لأي من هذا أن يسلب إنجازات هوكينغ الهائلة على هذه الجبهة. كان هو الذي أدرك الروابط العميقة بين الديناميكا الحرارية للثقب الأسود والنتروبيا ودرجة الحرارة. كان هو الذي وضع علم نظرية المجال الكمي وخلفية الفضاء المنحني بالقرب من الثقب الأسود. وكان هو - بشكل صحيح تمامًا ، ضع في اعتبارك - اكتشف خصائص وطيف الطاقة للإشعاع الذي ستنتجه الثقوب السوداء. إن الطريقة التي تتحلل بها الثقوب السوداء ، عبر إشعاع هوكينغ ، هي أمر ملائم تمامًا.

لكن التشبيه الخاطئ الذي طرحه في كتابه الأكثر شهرة ، موجز لتاريخ الزمن ، ليس صحيحًا. إشعاع هوكينغ ليس انبعاث الجسيمات والجسيمات المضادة من أفق الحدث. لا يتضمن زوجًا ساقطًا داخليًا يحمل طاقة سلبية. ولا ينبغي أن يقتصر الأمر على الثقوب السوداء. عرف ستيفن هوكينج كيف تتحلل الثقوب السوداء حقًا ، لكنه أخبر العالم بقصة مختلفة تمامًا ، وحتى غير صحيحة. حان الوقت لأن نعرف جميعًا الحقيقة بدلاً من ذلك.


إمكانيات جديدة للكشف عن إشعاع هوكينغ المنبعث من الثقوب السوداء البدائية

قيد جديد لـ PBH يعتمد على بيانات COMPTEL (الأزرق الداكن) ، وإسقاطات مدى اكتشاف تلسكوبات أشعة جاما MeV المستقبلية (منحنيات ملونة أخرى) والقيود الحالية (مناطق رمادية مظللة). الائتمان: كوجان وآخرون.

بينما تنبأ العديد من الفيزيائيين بوجود المادة المظلمة ، وهي نوع من المادة التي لا تمتص الضوء أو تعكسه أو تصدره ، لم يتمكن أحد حتى الآن من ملاحظتها تجريبياً أو تحديد طبيعتها الأساسية. الثقوب السوداء البدائية الخفيفة (PBHs) ، الثقوب السوداء التي تشكلت في الكون المبكر ، هي من بين أكثر المواد المظلمة المرشحة الواعدة. ومع ذلك ، لم يتم تأكيد وجود هذه الثقوب السوداء.

أجرى باحثون في جامعة أمستردام وجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز مؤخرًا دراسة تهدف إلى تحسين القيود الحالية على مساحة المعلمة المسموح بها لـ PBHs كمادة مظلمة. في ورقتهم المنشورة في رسائل المراجعة البدنيةيقترحون أيضًا طريقة محتملة يمكن استخدامها للكشف المباشر عن إشعاع هوكينغ في مناطق كثيفة المادة المظلمة وربما تمكن من اكتشاف المادة المظلمة PBH.

إشعاع هوكينغ هو الإشعاع الحراري الذي تنبأ ستيفن هوكينغ بأنه ينبعث تلقائيًا من الثقوب السوداء. يُفترض أن هذا الإشعاع ينشأ من تحويل تقلبات الفراغ الكمومي إلى أزواج من الجسيمات ، أحدهما يهرب من الثقب الأسود والآخر محاصر داخل أفق الحدث الخاص به (أي الحدود حول الثقوب السوداء التي لا يمكن للضوء أو الإشعاع الهروب منها).

قال آدم كوجان ، أحد الباحثين الذين أجروا الدراسة ، لموقع Phys.org: "إن الثقوب السوداء التي تحتوي على أكثر من بضعة في المائة من المادة المظلمة تحتاج إلى كتلة تتراوح بين حوالي 10 و 16 جرامًا و 10 35 جرامًا". "في معظم هذا النطاق ، تستبعدهم الملاحظات المختلفة من تكوين 100٪ من المادة المظلمة. ومع ذلك ، هناك فجوة ملحوظة في القيود: الثقوب السوداء ذات الكتل حول الكويكب (

10 17 جرامًا إلى 10 22 جرامًا) يمكن أن تشكل كل المادة المظلمة. "

يمكن أن يكون تحديد طرق تقييد مساحة المعلمة المسموح بها لـ PBHs أو الكشف عن إشعاع Hawking المنبعث منها خطوة مهمة نحو مراقبة أو اكتشاف المادة المظلمة من PBH. وهكذا شرع كوجان ، بالتعاون مع زملائه لوجان موريسون وستيفانو بروفومو ، في دراسة إمكانات تلسكوبات أشعة غاما MeV كأدوات للكشف عن إشعاع PBH هوكينغ.

وأوضح كوجان أن "الفكرة الرئيسية وراء عملنا كانت التفكير في طريقة معينة للبحث عن الكويكبات ذات الكتلة الكبيرة من الكويكبات". "من المتوقع أن تنبعث PBHs الخفيفة إشعاع هوكينغ المكون من مزيج من الفوتونات وجسيمات الضوء الأخرى ، مثل الإلكترونات والبيونات. يمكن للتلسكوبات بعد ذلك البحث عن هذا الإشعاع من خلال مراقبة مجرتنا أو المجرات الأخرى. كان الهدف من ورقتنا البحثية هو فهم كيفية ستكون التلسكوبات القادمة بشكل جيد قادرة على مراقبة هذا الإشعاع وبالتالي مقدار مساحة معلمة PBH لكتلة الكويكب التي يمكن استكشافها ".

أثناء محاولة تقدير كتل PBHs التي يمكن للتلسكوبات الناشئة أن تساعد في تقييدها ، اكتشف كوجان وزملاؤه أن الدراسات السابقة لم تحلل بعد البيانات التي تم جمعها بواسطة تلسكوب COMPTEL ، وهو تلسكوب أشعة غاما أطلقته ناسا على متن مرصد كومبتون لأشعة غاما. (CGRO). ومع ذلك ، يمكن أن تساعد هذه البيانات في تقييد وفرة ثقوب PBH أقل بقليل من فجوة كتلة الكويكب (أي أقل من 10 17 جرامًا). في حين أن القيود موجودة بالفعل في هذا النطاق الكتلي بفضل ملاحظات إشعاع هوكينغ التي جمعتها فوييجر 1 والقمر الصناعي INTErnational gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) ، وُجد أن القيود الجديدة التي أدخلها الباحثون هي الأقوى حتى الآن.

قال كوجان: "المدخل الرئيسي لقيود الحوسبة وعمل الإسقاطات هو حساب طيف إشعاع هوكينغ الناتج عن PBH واحد". "لقد قمنا بتحسين هذا الحساب بالمقارنة مع الأدوات الموجودة في الأدبيات من خلال تحسين كيفية حساب الإشعاع الناتج عن الإلكترونات والبيونات في الطيف. باقي الحسابات نموذجية تمامًا لعمليات البحث عن المادة المظلمة."

Assuming that PBHs of a specific mass make up a given fraction of the total dark matter in space, the calculations carried out by Coogan and his colleagues would allow researchers to compute their contribution to the spectrum of photons emitted by an astrophysical object believed to contain a substantial amount of dark matter, such as the center of the Milky Way. If the spectrum estimated by these calculations was far brighter than the observed spectrum, for instance, one could rule out the possibility that PBHs of that specific mass make up a specific fraction of dark matter.

"Making projections for the performance of future telescopes follows along similar lines, though there is no observed spectrum to compare to," Coogan explained. "In this case, the spectrum of photons emitted by PBHs is compared with a model for the expected astrophysical background of photons."

The recent study by Coogan, Morrison and Profumo set the strongest constraints on low-mass PBHs to date, using data collected as part of an experiment that was completed 20 years ago. In addition, the researchers showed that upcoming telescopes capable of observing MeV-energy gamma rays could help to probe asteroid-mass PBHs, which is a very difficult part of the PBH parameter space to probe.

"The astronomy community has been considering several proposals for such telescopes in recent years and I think our paper provides another solid motivation for constructing them," Coogan added. "Aside from PBHs, we have been studying how upcoming MeV gamma-ray telescopes could probe different models of particle dark matter. We recently finished another paper where we computed the gamma-ray spectra for a few particular such models and are working with other collaborators to refine these calculations."

Coogan, Morrison and Profumo have recently also been collaborating with Alexander Moiseev, a Research Scientist at NASA, who is developing a telescope called the Galactic Explorer with a Coded Aperture Mask Compton Telescope (GECCO). Together with Moiseev, they have been trying to map out ways in which GECCO could aid the search for dark matter.

More information: Direct detection of Hawking radiation from Asteroid-mass primordial black holes. Physical Review Letters(2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.171101.

Precision gamma-ray constraints for Sub-GeV dark matter models. arXiv:2104.06168 [hep-ph]. arxiv.org/abs/2104.06168

Hunting for dark matter and new physics with (a) GECCO. arXiv:2101.10370 [astro-ph.HE]. arxiv.org/abs/2101.10370

Citation: New possibilities for detecting Hawking radiation emitted by primordial black holes (2021, June 21) retrieved 21 June 2021 from https://phys.org/news/2021-06-possibilities-hawking-emitted-primordial-black.html

This document is subject to copyright. Apart from any fair dealing for the purpose of private study or research, no part may be reproduced without the written permission. The content is provided for information purposes only.


Answers and Replies

There is a better way of thinking about it.

Quantum mechanics says that there is some inherent uncertainty about what the location of a particle is or how much energy and momentum it has. It turns out that if you ask "how many particles are in this box" that's also an number that is fuzzy. It's not that there are twenty particles in the box, it's that the exact number of particles in the box is undefined. It's "around 20-ish."

Both the particle and anti-particle have positive mass.

Also the reason that something like Hawking radiation has to exist is that if you had a black hole suck everything, it would turn into an ultimate heat sink, and you could use it to create a perpetual motion machine.

Another problem I have with it, why would such a particle be able to escape anyway?

I mean we're talking at the edge of an event horizon with an escape velocity of slightly below light speed, how does any particle get away from there? Unless its a photon or a neutrino thats not pointing toward the black hole?

Anything else with mass, I have a hard time imagining it having enough momentum to get away from the black hole.

But then again, as far as I understand there has never been any proof of hawking radiation, so it could be a wrong assumption.

The way hawking Radiation works as I understand it, a pair is created on the edge of the event horizon, and as the pair is created, and before it can annihilate, the anti-particle falls into the black hole, and the positive particle is seen by the rest of the universe as if the black hole had just expelled matter.

Now, given how the uncertainty principle will never allow for any particle to have a known position, how can the black hole only absorb the anti-particle? Why isn't the black hole sometime getting the positive particle and therefore gaining weight? While the universe gets the bad end of the deal and gets an anti-particle?

and the link to Steve Carlip's explanation that I give in this post.

sorry to bring an old thread to the top, but i've been confused about the exact same thing as the OP, and luckily i found this thread via a search before unnecessarily starting my own. at any rate, after much thought of how particle-antiparticle pair creation near an event horizon can result in Hawking Radiation (BH evaporation), the most sensible explanation i could comtemplate in my own head was more or less what was stated above. if the gravitational field near the event horizon gives up a certain quantity of mass/energy in order to create the particle-antiparticle pair, then the BH's mass/energy must decrease by that same quantity. but the BH must gain some (but not all) of that mass/energy back when it swallows either one of the two particles previously created. that's the only way i can visualize hawking radiation as the actual decrease in the mass/energy of a BH. now granted, i don't expect anyone to be able to definitively confirm or deny my analysis - after all, we won't really know the specifics of the energy exchange until we start to actually witness Hawking Radiation. but i would like to hear from others on whether they generally agree or disagree with this notion of BH evaporation.

also, this blurb is a bit off-topic, but its somewhat related, so i thought i would postulate it here. i don't know if its possible, but i was wondering if the quantities of energy involved in the minute fluctuations of the BH's gravitational field that create these particle-antiparticle pairs in the first place could be small enough that neither particle of the pair is endowed with enough energy to escape the BH. if this scenario is possible (and i have no idea if it is or isn't), then it would seem that not all particle-antiparticle pair-creating fluctuations in the gravitatonal field result in Hakwing Radiation. that is, if the entire quantity of mass/energy given up by the BH during the creation of a particle-antiparticle pair is swallowed back up by the BH, then its mass/energy is conserved, and no mass/energy is radiated away in the form of Hakwing Radiation.


The origin of Hawking radiation

Let us now explain the mechanism that is responsible for this thermal flux. It is to be found in the redshifting effect of Eq. (2) and the associated tearing apart of the light rays across the horizon of Eq. (). The exponential redshifting applies individually and universally to all light waves irrespectively of their initial frequency (Omega_0 .) A closer examination shows that every wave, in addition of being redshifted, is slightly amplified by this redshift. Moreover, it can be also shown that this amplification is necessarily accompanied by a correspondingly small production of a partner wave of opposite frequency. In classical terms, these two effects have no significant consequences because they are weighted by the amplitude of the partner wave (the coefficient ( eta_omega ) in Eq. (8) below) which is in general extremely small. On the contrary, in quantum mechanical terms this small amplification accompanied by the production of a partner wave is of uppermost importance as it is directly responsible for the Hawking effect. In quantum terms indeed, in the vacuum, the state of minimal energy, لا شيئ would have happened without this amplification, i.e. black holes would have remained black.

Given the importance of this amplification, let us describe it with more precision. When considering the propagation of light in the static spacetime obtained after the collapse, one finds that outgoing wave packets initially localized very near the horizon split into two waves: one with positive frequency that escapes and a partner wave ( phi_ <-omega>) of negative frequency which is trapped inside the horizon: 2

There is a conservation law associated with the splitting that takes the form [ ag <9>vert alpha_omega vert^2 = 1 + vert eta_omega vert^2. ]

This law relates ( alpha_omega ,) the amplification factor of the escaping wave, to ( eta_omega ,) the amplitude of the partner wave which is trapped. Hawking showed that these coefficients obey [ ag <10>left| <eta_omega over alpha_omega > ight|^2 = e^ <- 2pi omega au_kappa >= e^<- hbar omega /k_B T_< m Hawking>>. ]

Recalling that the Boltzmann law of thermal equilibrium takes the form ( e^ <-E/k_BT> ,) and re-using the relation ( E = hbar omega ,) one can read from Eq. (10) the Hawking temperature of Eq. (5).

It now remains to understand what happens to the vacuum state when the amplification factor ( vert alpha_omega vert^2 > 1 ,) i.e. when ( eta_omega ) does not vanish. To this end, one must recall that the field describing quantum light does not strictly vanish in the vacuum. In fact, the field steadily fluctuates around a vanishing mean value. 3 In usual circumstances, these vacuum fluctuations remain unchanged, thereby expressing the stability of the vacuum state. However, when they are excited by some external agent, there can be a quantum transition which is accompanied by the emission of a photon, i.e. an excitation of the quantum field of light. For instance, when the light field is coupled to an excited atom, this causes the spontaneous decay of the atom and the emission of a photon. Similarly here, the redshifting effect of Eq. (2) excites some vacuum fluctuations and this leads to the steady production of photons. As for the spontaneous decay of atoms, the moments when the production occurs are randomly distributed. Indeed quantum mechanics only fixes the mean rate of their occurrence. A detailed calculation shows that this production rate is constant and fixed by ( vert eta_omegavert^2 ,) the squared norm of the partner wave coefficient that appears in Eqs. (8,9,10). For more details on this correspondence we refer to the review article [5].

Two important differences between atomic transitions and black hole radiation should be underlined. The first difference between coupling light to atoms and to the gravitational black hole field is that the latter necessarily leads to the production of أزواج of photons. It can also be shown that in each pair, one photon escapes to spatial infinity and carries a positive energy ( hbar omega ,) whereas its partner carries a negative energy ( - hbar omega ,) and remains trapped inside the horizon. Moreover, in each pair, the two photons are "entangled", i.e. correlated with each other. Their entangled character can be revealed by studying non-local correlations across the black hole horizon. Doing so one obtains a spacetime pattern which is similar to that associated with the splitting of Eq. (8), see Figure 2. A second difference is that these pairs are steadily produced, one after the other, at the expense of the black hole mass. The black hole effectively behaves as an extremely excited atom that would have stored a huge amount of energy and would release it extremely slowly, as can be seen from Eq. (7) which gives the enormous lifetime of black holes. Taken together the escaping members of these pairs form a thermal flux at the Hawking temperature.


How Stephen Hawking's Greatest Discovery Revolutionized Black Holes

The event horizon of a black hole is a spherical or spheroidal region from which nothing, not even . [+] light, can escape. But outside the event horizon, the black hole is predicted to emit radiation. Hawking's 1974 work was the first to demonstrate this, and it was arguably his greatest scientific achievement.

NASA DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.

In 1915, Albert Einstein published his General theory of Relativity, replacing our old Newtonian worldview with a unified concept of spacetime. On one side of Einstein's equations, the matter and energy in the Universe told spacetime how to curve on the other side, the curved fabric of spacetime told matter and energy how to move. The complicated nature of these equations ensured that exact solutions would be hard to find, as Einstein himself only ever found two: one for completely empty space and one for a single mass in the weak-field limit. The next year, Karl Schwarzschild found the first interesting solution, for a point mass over all of space. We now recognize this as the solution for a black hole, one of the few exact solutions known even today. While in Schwarzschild's formulation, black holes were static objects, Hawking was the first to prove that it isn't so. Black holes radiate over time, and as such, aren't even completely black.

The mass of a black hole is the sole determining factor of the radius of the event horizon, for a . [+] non-rotating, isolated black hole. For a long time, it was thought that black holes were static objects in the spacetime of the Universe.

It's been known for a long time that there are only a few properties that can describe a black hole. In Schwarzschild's case, he simply assigned it mass, and solved for the curvature of spacetime. It was shown by others that you could add a charge (Reissner–Nordström black holes) or a spin (Kerr black holes), but that was it. What you couldn't do was add information into a black hole: an electrically neutral, non-rotating human being contained as much information as an equivalent cloud of hydrogen gas once it entered a black hole. From a thermodynamic point-of-view, this was a disaster. You could throw a cloud of hydrogen gas with a temperature of absolute zero, and hence an entropy of zero, into the black hole, and it would have the same effect on the black hole as throwing an equivalent-energy human being in there. This simply didn't make sense.

When a mass gets devoured by a black hole, the amount of entropy the matter has is determined by its . [+] physical properties. But inside a black hole, only properties like mass, charge, and angular momentum matter. This poses a big conundrum if the second law of thermodynamics must remain true.

Illustration: NASA/CXC/M.Weiss X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L) Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)

It meant that, contrary to the second law of thermodynamics, it meant we suddenly had a way to arbitrarily decrease the entropy of the Universe. A black hole, classically, should have an entropy of zero. If you could throw objects with real, positive, and large amounts of entropy into a black hole, you'd have a way to violate that law. Entropy always increases, as far as we know, and this was one of the things Hawking was thinking about when he was considering what was puzzling about black holes. There must be some way to define it for black holes, and that value ought to be both positive and large. Increasing entropy, over time, should be okay, but decreasing it should be forbidden. The only way to ensure that would be by forcing an increase in the black hole's mass to cause entropy to go up by at least the largest amount you can imagine.

Encoded on the surface of the black hole can be bits of information, proportional to the event . [+] horizon's surface area.

T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam

The way that people working on that problem – including Hawking – assigned an answer was to make entropy proportional to the surface area of a black hole. The more quantum bits of information you can fit on a black hole, the greater its entropy was. But that brought up a new problem: if you have entropy, then that means you have a temperature. And if you have a temperature, you have to radiate energy away. Originally called "black" because nothing, not even light, can escape, now it became clear it had to emit something after all. All of a sudden, a black hole isn't a static system anymore it's one that changes over time.

The simulated decay of a black hole not only results in the emission of radiation, but the decay of . [+] the central orbiting mass that keeps most objects stable. Black holes are not static objects, but rather change over time.

So if a black hole isn't so black, and if it's radiating, the big question now becomes كيف. How does a black hole radiate? Figuring out the answer to this conundrum was Hawking's biggest contribution to physics. We know how to calculate, in quantum field theory, how the vacuum of empty space behaves when space is flat. That is, we can tell you properties of empty space when you're very far away from any masses, like a black hole. What Hawking showed, for the first time, is how to do this in curved space: within a few radii of the event horizon. And what he found was that there was a marked difference in the behavior of the quantum vacuum when a mass was near.

Quantum gravity tries to combine Einstein’s general theory of relativity with quantum mechanics. . [+] Quantum corrections to classical gravity are visualized as loop diagrams, as the one shown here in white. The semiclassical approximation that Hawking used involved calculating the quantum field theoretic effects of the vacuum in the background of curved space.

SLAC National Accelerator Lab

When he ran through the math, he found the following properties:

  • When you're far from the black hole, it looks like you get the thermal emission of blackbody radiation.
  • The temperature of the emission is dependent on the black hole's mass: the lower the mass, the higher the temperature.
  • As the black hole emits radiation, it decreases in mass, in exact accord with Einstein's E = mc 2 . The higher the rate of radiation, the faster the mass loss.
  • And as the black hole loses mass, it shrinks and radiates faster. The time a black hole can live is proportional to its mass cubed: the black hole at the Milky Way's center will live some 10 20 times longer than a black hole of the Sun's mass.

If you visualize empty space as frothing with particle/antiparticle pairs that pop in-and-out of . [+] existence, you'll see radiation coming from the black hole. This visualization is not quite correct, but the fact that it's easy to visualize has its benefits.

Ulf Leonhardt of the University of St. Andrews

Originally, Hawking visualized this as particle/antiparticle pairs popping in-and-out of existence, annihilating away to produce radiation. That oversimplified picture was qualitatively good enough to describe the radiation far from the black hole, but it turns out to be incorrect close to the event horizon. It's more accurate to think of the vacuum changing, and of the radiation as being emitted from wherever the curvature of space is relatively large: within a few radii of the black hole itself. Once you get far away, though, everything just appears to be this thermal, blackbody radiation.

Hawking radiation is what inevitably results from the predictions of quantum physics in the curved . [+] spacetime surrounding a black hole's event horizon. This visualization is more accurate than the above, since it shows photons as the primary source of radiation rather than particles. However, the emission is due to the curvature of space, not the individual particles, and doesn't all trace back to the event horizon itself.

All at once, there was a revolution in black holes, and in understanding how quantum fields behave in highly curved space. It opened up the black hole information paradox, as we're now asking where the information encoded on the black hole's event horizon goes when a black hole evaporates? It opens up the (related) problem of black hole firewalls, asking why don't objects get fried by radiation as they cross the event horizon, or whether they in fact do? It tells us there's a relationship between what happens within a volume (in the space enclosed by the event horizon) and the surface encapsulating it (the event horizon itself), which is a potential example of the holographic principle in real life. And it opens the door to additional subtleties that may allow us, for the first time, to probe the effects of quantum gravity if there are any departures from the predictions of General Relativity.

Against a seemingly eternal backdrop of everlasting darkness, a single flash of light will emerge: . [+] the evaporation of the final black hole in the Universe.

The paper that led to all this was simply titled Black Hole Explosions? and was published in Nature back in 1974. It would have been the crowning achievement of a lifetime of research, and Hawking published it when he was merely 32 years old. He had been researching singularities, black holes, baby universes, and the Big Bang for many years, having collaborated with titans like Gary Gibbons, George Ellis, Dennis Sciama, Jim Bardeen, Roger Penrose, Bernard Carr, and Brandon Carter, to name a few. His brilliant work didn't come out of nowhere, but arose out of a combination of a brilliant mind thriving in a fertile academic environment. It's a lesson to us all in how important it is, if we want to have these titanic theoretical advances, to create (and fund) these quality environments where research like this can come to life.

Outside the event horizon of a black hole, General Relativity and quantum field theory are . [+] completely sufficient for understanding the physics of what occurs that is what Hawking radiation is.

Nearly half a century later, the world mourns his passing, but the legacy of his research lives on. Perhaps this will be the century where there paradoxes are resolved, and the next titanic leaps forward in physics are taken. Regardless of what the future holds, Hawking's legacy is secure, and the most any theorist can hope for is that their theories will be improved in time. As Hawking himself stated:

Any physical theory is always provisional, in the sense that it is only a hypothesis: you can never prove it. No matter how many times the results of experiments agree with some theory, you can never be sure that the next time the result will not contradict the theory.

While the world may have lost one of its great scientific luminaries with Hawking's demise, his impact on our knowledge, understanding, and curiosity will echo throughout the ages.


STEPHEN HAWKING

Stephen Hawking is a world-renowned British theoretical physicist, known for his contributions to the fields of cosmology, general relativity and quantum gravity, especially in the context of black holes. In the 1960s and 1970s, he worked on ground-breaking theorems regarding singularities within the framework of general relativity, and made the theoretical prediction that black holes should emit radiation (known today as Hawking radiation). He has also published several works of popular science in which he discusses his own theories and cosmology in general, including the runaway bestseller “A Brief History of Time”, and has come to be thought of as one of the greatest minds in physics since Albert Einstein. In his own words: “My goal is simple. It is complete understanding of the universe, why it is as it is and why it exists at all”.

Stephen William Hawking was born on 8 January 1942 in Oxford, England, in the middle of World War II. After his birth in the relative safety of Oxford, the family moved back to London, where his father headed the division of parasitology at the National Institute for Medical Research, despite the continued risk of bombing from the German air forces. In 1950, Hawking moved with his family to St. Albans, where he attended St. Albans High School for Girls from 1950 to 1953 (boys could attend until the age of 10), and from the age of 11, he attended St. Albans School, where he was a good, but not an exceptional, student.

In 1959, he won a scholarship to University College, Oxford, his father's old college, where he studied physics under Robert Berman (mainly because his own preference, mathematics, was not offered there), where he pursued his particular interests in thermodynamics, relativity, and quantum mechanics. Despite his sometimes lax study habits and his boredom with university life, he graduated in 1962 with a First Class BA degree.

After graduating from Oxford, he spent a short time studying sunspots at Oxford University’s observatory. However, he soon realized that he was more interested in theory than in observation, and left Oxford for Trinity Hall, Cambridge, where he studied for a time under Fred Hoyle, the most distinguished English astronomer of the time.

Soon after arriving at Cambridge, at the age of 21, Hawking started to develop the first symptoms of amyotrophic lateral sclerosis (ALS or “Lou Gehrig's disease”), a type of motor neurone disease which would eventually cost him almost all neuromuscular control. Although doctors predicted (incorrectly, as it turned out) that Hawking would not survive more than two or three years, he did gradually lose the use of his arms, legs and voice, until he was almost completely paralysed and quadriplegic.

Crucially, in 1965, he attended a lecture by the English mathematician Roger Penrose, who had recently produced a ground-breaking paper on space-time singularities (events in which the laws of physics seem to break down). Hawking became re-energized and engaged with renewed vigour in the study of theoretical astronomy and cosmology, particularly in the area of black holes and singularities. He would later collaborate with Penrose on several important papers on these subjects.

Another turning point in his life also occurred in 1965, with his marriage to a language student, Jane Wilde. With her help, and that of his doctoral tutor, Dennis Sciama, Hawking went on to complete his PhD and to become a Research Fellow and, later, a Professorial Fellow at Gonville and Caius College, Cambridge.

In 1968, he joined the staff of the Institute of Astronomy in Cambridge, where he remained until 1973, and began to apply the laws of thermodynamics to black holes by means of very complicated mathematics. In the late 1960s, he and his Cambridge friend and colleague, Roger Penrose, applied a new, complex mathematical model they had created from Albert Einstein's General Theory of Relativity which led, in 1970, to Hawking proving the first of many singularity theorems. This theorem provided a set of sufficient conditions for the existence of a singularity in space-time, and also implied that space and time would indeed have had a beginning in a Big Bang event, and would end in black holes. In effect, he had reversed Penrose's idea that the creation of a black hole would necessarily lead to a singularity, proving that it was a singularity that led to the creation of the universe itself.

In collaboration with Brandon Carter, Werner Israel and David Robinson, he provided a mathematical proof of John Wheeler's so-called "No-Hair Theorem", that any black hole is fully described by the three properties of mass, angular momentum and electric charge, and proposed the four laws of black hole mechanics, similar to the four classical Laws of Thermodynamics. From analysis of gamma ray emissions, he also suggested that primordial or “mini black holes” would have been formed after the Big Bang.

In 1974, Hawking and Jacob Bekenstein showed that black holes are not actually completely black, but that they should thermally create and emit sub-atomic particles, known today as Hawking radiation, until they eventually exhaust their energy and evaporate. This also resulted in the so-called “Information Paradox” or “Hawking Paradox”, whereby physical information (which roughly means the distinct identity and properties of particles) appears to be completely lost to the universe, in contravention of the accepted laws of physics. Hawking defended this paradox against the arguments of Leonard Susskind and others for thirty years, until famously retracting his claim in 2004.

These cutting edge achievements were made despite the increasing paralysis caused by Hawking's ALS. By 1974, he was unable to feed himself or get out of bed, and his speech became so slurred that he could only be understood by people who knew him well. In 1985, he caught pneumonia and had to have a tracheotomy, which left him unable to speak at all, although although a variety of friends and well-wishers collaborated in building him a device that enabled him to write onto a computer with small movements of his body, and then to speak what he had written using a voice synthesizer.

In 1973, he left the Institute of Astronomy for the Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics and, in 1979, he was appointed Lucasian Professor of Mathematics at Cambridge University, a post he was to retain for 30 years until his retirement in 2009. He had three children with Jane Wilde: Robert (1967), Lucy (1969) and Timothy (1979), but the couple finally separated in 1991, reportedly due to the pressures of Hawking’s fame and his increasing disability.

Hawking’s ground-breaking research resulted in considerable fame and celebrity. In 1974, at the age of 32, he was elected as one of the youngest ever Fellows of the Royal Society. He was created a Commander of the Order of the British Empire (CBE) in 1982, and became a Companion of Honour in 1989. He has accumulated twelve honorary degrees, as well as many other awards, medals and prizes, including the Albert Einstein Award, the most prestigious in theoretical physics. He also became well-known among a wider audience, especially after his 1988 international bestselling book “A Brief History of Time”, and its follow ups “The Universe in a Nutshell” (2001) and “A Briefer History of Time” (2005).

He continued lines of research into exploding black holes, string theory, and the birth of black holes in our own galaxy. His work also increasingly indicated the necessity of unifying general relativity and quantum theory in an all-encompassing theory of quantum gravity, a so-called "theory of everything", particularly if we are explain what really happened at the moment of the Big Bang. As early as 1974, his theory of the emission of Hawking radiation from black holes was perhaps one of the first ever examples of a theory which synthesized, at least to some extent, quantum mechanics and general relativity

Among the myriad other scientific investigations pursued by Hawking over the years are the study of quantum cosmology, cosmic inflation, helium production in anisotropic Big Bang universes, "large N" cosmology, the density matrix of the universe, the topology and structure of the universe, baby universes, Yang-Mills instantons and the S matrix, anti-de Sitter space, quantum entanglement and entropy, the nature of space and time and the arrow of time, spacetime foam, string theory, supergravity, Euclidean quantum gravity, the gravitational Hamiltonian, the Brans-Dicke and Hoyle-Narlikar theories of gravitation, gravitational radiation, holography, time symmetry and wormholes.

Never afraid to court controversy, he even began to question the Big Bang theory itself in the 1980s, suggesting that perhaps there never was a start and would be no end, but just change, a constant transition of one "universe" giving way to another through glitches in space-time. He developed his "No Boundary Proposal" in collaboration with the Amercian physicist Jim Hartle. Under classical general relativity, the universe either has to be infinitely old or had to have started at a singularity, but Hawking and Hartle’s proposal raises a third possibility: that the universe is finite but had no initial singularity to produce a boundary. The history of this no-boundary universe in "imaginary time" can perhaps be best envisaged using the analogy of the surface of Earth, with the Big Bang equivalent to Earth’s North Pole, and the size of the universe increasing with imaginary time as you head south toward the equator.

In 1995, Hawking married his nurse, Elaine Mason, although they divorced in 2006 amid unconfirmed rumours of physical abuse, and he has since made up his differences with his first wife, Jane. In 2003, Hawking became dangerously ill with pneumonia, before confounding his doctors once again by recovering and throwing himself ever more emphatically into his work.

In 2004, he dramatically reversed one of his earlier controversial claims about black holes (that they destroy everything that falls into them and that no information is ever retrieveable from a black hole), claiming new findings that could help solve the so-called “black hole information paradox”. In his new definition of black holes, the event horizon is not so well-delineated and may not completely hide everything within it from the outside, and he has embraced the concept of the multiverse to help explain the conservation of information in black holes.

Hawking's views on the existence of God have been the subject of much debate, especially since his 1988 "A Brief History of Time" in which he mused that the discovery of an overarching theory of everything would allow us to "know the mind of God", which some people have interpreted as literal and some as literary. However, in his 2010 book "The Grand Design" he states unequivocally that "spontaneous creation is the reason there is something rather than nothing, why the universe exists, why we exist. It is not necessary to invoke God. to set the universe going".

Hawking retired from his position as Lucasian Professor of Mathematics at Cambridge in 2009, in accordance with the University's retirement policy, and accepted a Distinguished Research Chair at the Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada. In the same year, he was awarded the Presidential Medal of Freedom, the highest civilian award in the United States.

Stephen Hawking died at age 76 on March 13, 2018.


Confused about Hawking Radiation

Hawking Radiation says that an antiparticle and particle spontaneously appear and annihilate each other everywhere, but at the horizon, if the antiparticle appearing inside the horizon and the particle appears outside, then the antiparticle is sucked in and the particle is emitted outward. Hawking radiation would be the particles being emitted away. The antiparticles are sucked in and, if the black hole is small enough, all the antiparticles will eventually completely annihilate the black hole.

What I am confused about is why would the black hole lose any mass at all. This relies on the premise that more often than not, the antiparticle will be the particle that appears on the inside of the horizon while the (regular) particle will be the particle to appear on the outside.
Intuitively, it would seem to me that 50% of the time, the antiparticle would appear on the inside while the other 50% of the time the (regular) particle would be the one to appear on the inside.
Why is it that the antiparticle is assumed to be the one appearing inside the horizon more than the (regular) particle?


شاهد الفيديو: Premještanje opasnog radioaktivnog otpada u Srbiji (أغسطس 2022).