الفلك

إشعاع هوكينج

إشعاع هوكينج



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.

عند حافة الثقب الأسود ، تتشكل المادة والمادة المضادة ، بينما تهرب المادة ، تبيد المادة المضادة داخل الثقب الأسود مما يقلل من كتلتها. ولكن بسبب الجاذبية الهائلة ، لماذا يتم أيضًا سحب المادة المتولدة حديثًا إلى الثقب الأسود ، حيث سيكون لها سرعة أقل في الهروب؟


لسبب واحد ، الآلية الكامنة وراء إشعاع هوكينغ غير معروفة حتى الآن. لم يقترح هوكينج ، في صيغته الأصلية ، أبدًا وسيلة يتم من خلالها إنتاج هذا الإشعاع. جاء مفهوم إنتاج زوج الجسيمات المضادة للجسيمات بالقرب من أفق الحدث بمثابة فكرة لاحقة وليس هناك ما يضمن أن هذه هي الطريقة التي يتم بها إنتاج إشعاع هوكينغ بالفعل. هناك تفسيرات أخرى محتملة هناك.

للإجابة على سؤالك الأكثر تحديدًا ، أود أن أشير إلى أن منطقك خاطئ بعض الشيء. في ظل افتراض أن إشعاع هوكينغ يمكن أن يحدث بالفعل ، فإننا نعلم بالضرورة أن الطاقة تبتعد عن الثقوب السوداء مما يعني أن الطاقة / المادة يجب أن تكون بالضرورة قادرة على تحقيق سرعة الهروب $ - $ وإلا فلن تفلت! لذا فإن اقتراح أن الأمر أقل من سرعة الهروب هو أمر غير بداية لأنه فرضية خاطئة.

ومع ذلك ، فإن الإجابة الأكثر مباشرة على سؤالك هي شرح كيف ولماذا يمكن لإشعاع هوكينغ تحقيق سرعة الهروب. ضع في اعتبارك أولاً أن الإشعاع المتسرب يأتي من في الخارج أفق الحدث الذي يمكنك فيه الهروب بسرعة أقل من أو تساوي $ c $. في الأساس ، ما ينجو من إشعاع هوكينغ هو الفوتونات التي تسافر بالطبع بسرعة $ c $ ، وكونها خارج أفق الحدث ، فهي قادرة تمامًا على الهروب من الثقب الأسود.


هذا هو السبب في أننا لن نكتشف أبدًا إشعاع هوكينغ من ثقب أسود حقيقي

لا يؤدي الاضمحلال المحاكي للثقب الأسود إلى انبعاث الإشعاع فحسب ، بل يؤدي أيضًا إلى اضمحلال. [+] الكتلة المدارية المركزية التي تحافظ على استقرار معظم الأجسام. الثقوب السوداء ليست كائنات ثابتة ، بل تتغير بمرور الوقت.

علم التواصل في الاتحاد الأوروبي

في جميع أنحاء مجرتنا ، تدور الملايين من الثقوب السوداء ذات الكتل المتنوعة في مدار ، وتخضع لنفس قواعد الجاذبية مثل أي كتلة أخرى في الكون. فقط ، بدلاً من انبعاث ضوء يعتمد على مساحة سطحها ودرجة حرارتها ، فهي سوداء تمامًا. مهما كان موجودًا في التفرد الذي يكتنفه أفق حدث كل ثقب أسود ، فلا يمكننا رؤيته. من داخل الثقب الأسود ، لا شيء ، ولا حتى الضوء ، يمكنه الهروب.

الضوء الوحيد الذي لاحظناه من ثقب أسود لا يأتي من داخل الثقب الأسود نفسه ، بل يأتي من مادة متسارعة تتفاعل في مكان ما خارج أفق الحدث. ومع ذلك ، هناك نوع خاص جدًا من الضوء يجب أن تبعثه الثقوب السوداء: إشعاع هوكينغ ، الذي يمكن القول إنه أعظم اختراق في مسيرة ستيفن هوكينج العلمية. لسوء الحظ ، من شبه المؤكد أننا لن نكتشفها أبدًا. هذا هو علم لماذا.

يستغرق الأمر 7.9 كم / ثانية للوصول إلى "C" (مدار مستقر) ، بينما تستغرق سرعة 11.2 كم / ثانية. [+] "E" للهروب من جاذبية الأرض. السرعات الأقل من "C" ستنخفض إلى الأرض ، أما السرعات بين "C" و "E" فستظل مرتبطة بالأرض في مدار مستقر. يمكن تطبيق هذا المنطق نفسه ، حتى مع ميكانيكا نيوتن وحدها ، على جسم بأي كتلة أو كثافة أو حجم لتحديد سرعة هروبه.

براين برونديل بموجب ترخيص c.a.-s.a.-3.0

الثقوب السوداء ، على عكس ما قد تتوقعه ، هي فكرة عمرها مئات السنين. بالعودة إلى القرن الثامن عشر ، عندما كانت الفيزياء النيوتونية هي اللعبة الوحيدة في المدينة ، توصل العالم جون ميشيل إلى إدراك رائع بشأن الشمس. إذا افترضت أن الشمس عبارة عن كرة منخفضة الكثافة ولكنك تخيلت أن هناك المزيد منها - مما ينتج عنه جسم أكبر حجمًا ويأخذ حجمًا أكبر - فعندما تتجاوز العتبة الحرجة ، لن يكون الضوء قادرًا على الهروب منها هو - هي.

بحجمها وكتلتها الحاليين ، يجب أن تصل إلى سرعة 618 كم / ثانية للهروب من الشمس من حافتها. الضوء ، الذي ينتقل بسرعة 300000 كم / ثانية ، يمكنه فعل ذلك بسهولة. لكن إذا ألقيت كتلة كافية في هذا الجسم ، فإن سرعة هروبه سترتفع وترتفع. بمجرد أن يتجاوز 300000 كم / ثانية ، فإن الضوء المنبعث من سطحه سوف ينحني مرة أخرى على الجسم نفسه. ستنشئ ما نعرفه الآن بالثقب الأسود.

كتلة الثقب الأسود هي العامل الوحيد المحدد لنصف قطر أفق الحدث ، بالنسبة لـ a. [+] ثقب أسود غير دوار ومعزول. لفترة طويلة ، كان يُعتقد أن الثقوب السوداء كانت أجسامًا ثابتة في الزمكان للكون ، وخصصتها النسبية العامة إنتروبيا تساوي صفرًا. وهذا بالطبع لم يعد هو الحال بمجرد حساب فيزياء الكم.

اكتسبت هذه الفكرة حياة جديدة في القرن العشرين ، بعد أن طرح أينشتاين نظريته النسبية العامة ، والتي حلت محل نظرية نيوتن في الجاذبية. لم تكن الجاذبية ناتجة عن قوة غير مرئية تجذب كل الكتل في الكون إلى بعضها البعض اعتمادًا على المسافة بينهما. بدلاً من ذلك ، كان الكون عبارة عن نسيج حيث كان المكان والزمان كيانين لا ينفصلان - الزمكان - ووجود المادة والطاقة منحني ذلك الزمكان.

بينما بالنسبة لنيوتن ، تتحرك الأجسام دائمًا في خطوط مستقيمة ما لم تتسبب قوة خارجية في تسريعها ، أملى أينشتاين أن جميع الكائنات تتبع المسار المنحني المحدد لها بأي شكل من أشكال الزمكان. تسببت المادة والطاقة في انحناء الزمكان ، وهذا الزمكان المنحني يخبر المادة كيف تتحرك. في عام 1915 ، طرح أينشتاين النسخة النهائية من النسبية العامة لأول مرة. بحلول يناير من عام 1916 ، تم العثور على أول حل دقيق.

داخل وخارج أفق الحدث لثقب Schwarzschild الأسود ، يتدفق الفضاء مثل a. [+] ممر متحرك أو شلال ، حسب الطريقة التي تريد أن تتخيلها. في أفق الحدث ، حتى لو ركضت (أو سبحت) بسرعة الضوء ، فلن يكون هناك تجاوز لتدفق الزمكان ، الذي يسحبك إلى التفرد في المركز. خارج أفق الحدث ، على الرغم من ذلك ، يمكن للقوى الأخرى (مثل الكهرومغناطيسية) أن تتغلب في كثير من الأحيان على سحب الجاذبية ، مما يتسبب في هروب حتى المادة المتساقطة.

أندرو هاميلتون / جيلا / جامعة كولورادو

تم إيجاد هذا الحل بواسطة Karl Schwarzschild ، وهو يتوافق مع ما نعرفه الآن على أنه ثقب أسود غير دوار. في البداية ، اعتبر شوارزشيلد نظامًا بسيطًا للغاية: كون تحكمه النسبية العامة ، مع "نقطة" واحدة ضخمة فيه ولا شيء غير ذلك. ومع ذلك ، هناك قدر هائل من الفيزياء العميقة المشفرة في هذا النظام ، ما نسميه الآن حل شوارزشيلد في سياق هذا المجال.

نعم ، بعيدًا عن نقطة الكتلة هذه ، تعمل الجاذبية بشكل مشابه جدًا لتوقعات نيوتن: تتصرف الجاذبية بشكل مماثل تقريبًا لقانون قوة نيوتن للجاذبية العامة.

ولكن بالقرب من الكتلة - حيث تصبح حقول الجاذبية قوية - ينحني الفضاء بشكل أكثر حدة ، وهناك جاذبية "إضافية" تتجاوز ما يتوقعه نيوتن.

وإذا اقتربت أكثر من اللازم ، فستواجه أفق الحدث: منطقة لا يهرب منها أي شيء ، ولا حتى الضوء.

إذا كانت آفاق الحدث حقيقية ، فإن سقوط النجم في ثقب أسود مركزي سوف يلتهم ببساطة. [+] لا تترك وراءها أي أثر للقاء. لا يمكن منع هذه العملية ، من الثقوب السوداء المتنامية لأن المادة تصطدم بآفاق الحدث الخاصة بها.

على مدى العقود اللاحقة ، تم العثور على حلول إضافية تمدد عمل Schwarzschild الأصلي. لا يمكن أن يكون لديك كتلة فقط بل شحنة كهربائية إلى كتلة نقطتك ، مما يؤدي إلى ثقب أسود Reissner-Nordström (بدلاً من Schwarzschild). يمكنك إضافة الزخم الزاوي (أي الدوران) ، مما يؤدي إلى ثقب أسود كير (واقعي). ويمكن أن يكون لديك الثلاثة: الكتلة والشحنة والزخم الزاوي ، مما يؤدي إلى ثقب أسود Kerr-Newman.

كل واحد لا يزال لديه أفق حدث ، حيث يمكن للضوء أن يهرب خارج الأفق ، بينما داخله ، أي شيء يتحرك بسرعة الضوء أو أبطأ لا يمكنه الهروب. خارج أفق الحدث لكل منهما ، يكون الزمكان منحنيًا بدرجة أكبر بكثير مما توقعه نيوتن. ومع ذلك ، لم يكن الأمر كذلك حتى الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، حيث بدأ الناس يدركون شيئًا عميقًا للغاية حول الآثار الكمومية للمناطق القريبة من آفاق الأحداث هذه.

تصور حساب نظرية المجال الكمي يظهر الجسيمات الافتراضية في الفراغ الكمومي. . [+] (على وجه التحديد ، للتفاعلات القوية.) حتى في الفضاء الفارغ ، فإن طاقة الفراغ هذه ليست صفرية ، وما يبدو أنه "الحالة الأرضية" في منطقة واحدة من الفضاء المنحني سيبدو مختلفًا عن منظور المراقب حيث يختلف الانحناء المكاني. طالما أن الحقول الكمومية موجودة ، يجب أن تكون طاقة الفراغ هذه (أو الثابت الكوني) موجودة أيضًا.

ترى ، في نظرية المجال الكمومي ، الفضاء الفارغ ليس فارغًا. ما نفكر فيه على أنه مساحة فارغة - فضاء بدون أي كتل أو جسيمات أو كمية من الطاقة فيه - هو مجرد فراغ بمعنى ما. نعم ، قد لا تكون هناك كمات فردية للكتلة أو الطاقة ، لكن الحقول الكمومية التي تحكم الكون لا تزال موجودة. إنهم فقط في حالتهم الأساسية: أقل حالة طاقة ممكنة.

ما نفكر فيه على أنه جسيمات يتوافق مع إثارة المجالات الكمومية المختلفة ، وبالتالي فقط في حالة عدم الإثارة لا يمكن أن يكون لديك جسيمات على الإطلاق. لكن حتى في هذا السيناريو ، الحقول نفسها لا تزال موجودة. لا يزال لديهم طاقة أساسية لا يشترط أن تكون صفراً ، ولا يزالون يطيعون مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، والذي يخبرنا أنه بالنسبة لأي فترة زمنية محدودة ننظر إليها ، هناك حد لليقين الذي يمكننا من خلاله معرفة طاقة نظام.

رسم توضيحي للطاقة الفراغية للكون على أنها تتكون من رغوة كمومية حيث الكم. [+] التقلبات كبيرة ومتنوعة ومهمة على أصغر المقاييس.

هذا يقودنا ، ربما ، إلى الطريقة الأكثر دقة للتفكير في طاقة نقطة الصفر للفضاء الفارغ نفسه. الفضاء مليء بالحقول الكمومية ، وحتى في حالة عدم وجود كل المادة والطاقة ، فإن هذه الحقول لها تقلبات متأصلة في قيمها في أي وقت معين. إنه مثل محيط مموج رغوي: مسطح من بعيد ، متماوج وغير مستقر عن قرب. مع ذلك ، طالما أنك تطفو فيه ، سيبقى رأسك فوق الماء.

الآن ، فكر فيما يعنيه هذا بالنسبة للفضاء المسطح ، بعيدًا عن أي كتل أو مصادر لانحناء الزمكان ، مقابل الفضاء المنحني القريب جدًا من أفق الحدث للثقب الأسود. نعم ، أينما كنت ، سوف تطفو على ما يرام وسترى محيطًا مشابهًا أينما كنت. لكن شخصًا ما في محيط الفضاء المنحني يختلف مع شخص ما في محيط الفضاء المسطح فيما يتعلق بكيفية إبقاء رأسك فوق الماء. للانتقال من مكان إلى آخر ، تحتاج إلى تغيير "العمق" الذي يضرب به المثل في المحيط الكوني للفراغ الكمومي.

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. يتم تحديد نصف قطر هذا الموقع من خلال كتلة الثقب الأسود وشحنته وزخمه الزاوي وسرعة الضوء وقوانين النسبية العامة وحدها.

مستخدم Pixabay JohnsonMartin

هذا هو المكان الذي يأتي منه إشعاع هوكينغ. يختلف الراصدون في مناطق من الفضاء بكميات مختلفة من الانحناء المكاني مع بعضهم البعض حول ماهية طاقة النقطة الصفرية للفراغ الكمومي. الاختلاف في قيم الحقول الكمومية عند نقاط مختلفة في الفضاء شديد الانحناء هو ما يؤدي إلى إنتاج الإشعاع ، ويشرح أيضًا سبب إنتاج الإشعاع على حجم كبير يحيط بالثقب الأسود ، وليس فقط في أفق الحدث.

السؤال التالي - وهو المكان الذي قام فيه هوكينج بأروع أعماله في عام 1974 - هو الإجابة على هذه الأسئلة: ما هي درجة الحرارة ، والتدفق ، وطيف الطاقة لإشعاع هوكينغ هذا؟ الجواب ، بشكل رائع للغاية ، بسيط: الطيف دائمًا جسم أسود ، بينما يتم تحديد درجة الحرارة والتدفق إلى حد كبير من خلال الكتلة فقط. ولكن ربما من المفارقات أنه كلما زادت كتلة الثقب الأسود ، قلت درجة الحرارة والتدفق.

رسم فنان لنجمين نيوترونيين مدمجين. يجب أن ينتج عن اندماجات النجوم الثنائية النيوترونية. [+] أقل كتلة ثقوب سوداء في الكون: نزولًا إلى حوالي 2.5 كتلة شمسية. ستصدر هذه الثقوب السوداء الأقل كتلة أكبر كميات من إشعاع هوكينغ.

NSF / LIGO / جامعة ولاية سونوما / أ. سيمونيت

بعبارة أخرى ، تصدر الثقوب السوداء الأثقل إشعاعًا بدرجة حرارة منخفضة وطاقة أقل ، وأقل منها أيضًا. تتناسب درجة الحرارة عكسًا مع الكتلة ، بينما يتناسب التدفق عكسًا مع الكتلة المربعة. ضعهم معًا ، فهذا يعني أن الثقوب السوداء الأكثر ضخامة تعيش لفترة أطول بمعامل كتلتها المكعبة. إذا أردنا أن نعرف إلى أين نذهب للعثور على ألمع مصادر إشعاع هوكينغ ، علينا إيجاد الثقوب السوداء الأقل كتلة على الإطلاق.

لسوء الحظ ، فإن الحد الأدنى من كتلة الثقب الأسود الذي يستطيع كوننا تكوينه هو في مكان ما حوالي 2.5 كتلة شمسية: أثقل حتى من شمسنا. سيكون لها درجة حرارة تبلغ حوالي 25 نانوكلفن ، وهي إشارة من المستحيل تقريبًا فصلها عن الضوضاء التي توفرها الخلفية الكونية الميكروية ، وهي أكثر سخونة بنحو 100 مليون مرة. ما لم توجد ثقوب سوداء ذات كتلة أقل بكثير ، والبيانات لا تؤيد بشدة وجود هذه الثقوب السوداء البدائية ، يجب أن يظل إشعاع هوكينغ غير قابل للكشف.

القيود على المادة المظلمة من الثقوب السوداء البدائية. هناك مجموعة ساحقة من التباين. [+] أدلة تشير إلى عدم وجود عدد كبير من الثقوب السوداء التي نشأت في بدايات الكون والتي تتكون من مادتنا المظلمة. يجب أن يكون الثقب الأسود الأقل كتلة الذي يجب أن يأتيه كوننا من النجوم: حوالي 2.5 كتلة شمسية وليس أقل.

الشكل 1 من فابيو كابيلا ، مكسيم بشيركوف وبيتر تينياكوف (2013) ، عبر http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

أكبر مشكلة في إشعاع هوكينغ المنبعث من الثقوب السوداء في الكون هي الطاقة: يصدر الثقب الأسود الأعلى تدفقًا فقط من 10 إلى 29 واط من الطاقة ، وهي كمية صغيرة بشكل لا يصدق. سيكون عليك التقاط كل الطاقة المنبعثة من إشعاع هوكينغ من أكثر الثقوب السوداء نشاطًا لمدة أربعة أشهر لتعادل الطاقة التي يحملها فوتون نموذجي واحد متبقي ، اليوم ، من الانفجار العظيم. من حيث الإشارة إلى الضوضاء ، هذا ببساطة لا يمكن تحقيقه.

الطريقة الوحيدة التي يمكن تصورها للكشف عن إشعاع هوكينغ هي بناء كرة هائلة فائقة البرودة حول الثقب الأسود: منع كل الإشعاع الخارجي وإصدار طاقة أقل من سطحه (وبالتالي إشعاع بدرجة حرارة منخفضة) من الثقب الأسود تنبعث من نفسها. إنها فكرة جامحة تقفز إلى أبعد من أي تقنية يمكن تخيلها اليوم ، على الرغم من أنها ليست مستحيلة بالضرورة. إذا كنا نأمل يومًا في الكشف المباشر عن إشعاع هوكينج من ثقب أسود حقيقي في كوننا ، فهذه هي العقبات التي سنحتاج إلى التغلب عليها.


تم رصد إشعاع هوكينغ التناظري في المختبر

لقد كانت واحدة من أفضل رؤى ستيفن هوكينج & # 8217s: تنبؤ عام 1974 بأن الثقوب السوداء ليست سوداء تمامًا ، ولكنها تنبعث منها دفقًا ثابتًا من الإشعاع. من المحتمل أن يؤدي التأكيد التجريبي لإشعاع هوكينغ إلى حصول عالم الكونيات البريطاني البالغ من العمر 68 عامًا على جائزة نوبل في الفيزياء. لسوء الحظ ، لم يتمكن أحد من اكتشاف إشارة الثقب الأسود لأنها ستكون باهتة جدًا مقارنة بإشعاع الخلفية في الكون.

ومع ذلك ، فإن فرص Hawking & # 8217s في الحصول على جائزة نوبل قد تكون آخذة في الارتفاع ، وذلك بفضل ورقة سيتم نشرها قريبًا في مجلة Physical Review Letters. في هذا العمل ، يصف الفيزيائيون الإيطاليون ما يعتقد الكثيرون أنه القياس الأول لإشعاع هوكينغ من ثقب أسود & # 8220analogue & # 8221 في المختبر.

أثار البحث جدلًا حول ما الذي يشكل حقًا إشعاع هوكينغ ، وما إذا كانت الأدلة المخبرية يمكن أن تساعد في جعل هوكينغ منافسًا جادًا على جائزة نوبل.

& # 8220 ليس لدينا أي دليل رصد من الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية فيما يتعلق بوجود تأثير هوكينج ، ومن غير المحتمل للغاية أن يكون لدينا مثل هذا الدليل ، لذا فإن أي طريقة للتحقق من تنبؤ هوكينج & # 8217s لها أهمية كبيرة بالنسبة إلى المجتمع العلمي ، & # 8221 يقول مات فيسر ، خبير في نظائر الجاذبية في جامعة فيكتوريا في ويلينجتون ، نيوزيلندا ، والذي لم يشارك في البحث.

أصول في ميكانيكا الكم

نشأت نظرية Hawking & # 8217s من مبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم ، والذي يخبرنا أن أزواجًا من الجسيمات تظهر باستمرار إلى الوجود ، حتى في الفراغ. في معظم الأوقات ، تبيد هذه الجسيمات بعضها البعض بمجرد ولادتها ، لكن هذا لن يكون صحيحًا عند حافة الثقب الأسود ، المعروف باسم أفق الحدث ، حيث تصبح الجاذبية قوية جدًا ولا يمكن حتى للضوء الهروب. إذا ولد زوج من الجسيمات متداخلاً على هذه النقطة ، فسيتعين امتصاص أحد الجسيمات بينما يهرب الآخر - وسيصبح هذا الأخير إشعاع هوكينغ.

نظرًا لأنه من المستحيل حاليًا رصد إشعاع هوكينغ للثقوب السوداء الحقيقية ، فقد بحث الفيزيائيون مؤخرًا عن نظائرها من الثقوب السوداء في المختبر والتي يمكن أن تحاكي سلوك نظرائهم في الفيزياء الفلكية. نوع واحد من التناظرية يستخدم الليزر لمحاكاة أفق الحدث ، لأن الضوء المكثف يمكن أن يغير متوسط ​​معامل الانكسار # 8217s ، الذي يتحكم في سرعة انتشار الضوء. بعبارات بسيطة ، يُنشئ تسليط ليزر قوي عبر الزجاج ذروة مؤشر الانكسار: أي فوتونات أخرى أمام هذه الذروة يمكن أن تنتقل إلى الأمام ، في حين أن أولئك الذين يقفون وراءهم ويحاولون السفر إلى الأمام يتباطأون حتى يتوقفوا - فهم محاصرون ، كما هو الحال في اللون الأسود الحقيقي. الفجوة.

هذا هو نوع النظام المستخدم في آخر عمل قام به دانييل فاكيو وزملاؤه من جامعة إنسوبريا ومؤسسات إيطالية أخرى. وضعوا كاشف الفوتون ومقياس الطيف بزوايا قائمة على اتجاه شعاع الليزر الذي يمر عبر الزجاج لالتقاط أي فوتونات ولدت تلقائيًا في أفق الحدث المحاكي. وسط ضوضاء قادمة من عيوب الفلورسنت في الزجاج ، تمكنت مجموعة Faccio & # 8217 من التقاط إشارة فوتونات ذات أطوال موجية تتراوح بين 850 و 900 نانومتر. يدعي الباحثون أنه نظرًا لعدم وجود انبعاث مضان معروف في هذه النافذة ، يجب أن تكون هذه الفوتونات هي إشعاع هوكينغ.

يتفق البعض ، لكن ليس الجميع

يتفق بعض الباحثين المستقلين بالفعل ، ولا سيما أولف ليونهارت ، الفيزيائي بجامعة سانت أندروز بالمملكة المتحدة ، والذي كان رائدًا في أساس التجربة منذ عامين. لكن آخرين ليسوا متأكدين.

تتمثل إحدى المشكلات في أن مجموعة Faccio & # 8217s لا يمكنها إظهار أن الانبعاث عبارة عن جسم أسود مستمر & # 8220 وطيف # 8221 ، مثل الثقب الأسود الفيزيائي الفلكي & # 8217s - حتى لو كان لديهم جهاز لإجراء مثل هذا القياس الشامل ، فإن نظامهم مشتت للغاية لدرجة أن طيف الجسم الأسود من المحتمل أن يتلف. هناك مشكلة أخرى محتملة تتمثل في أن إشعاع هوكينغ يجب أن ينبعث فقط في اتجاه الليزر وليس عموديًا ، على الرغم من أن هذا قد يكون لأن المظهر الجانبي لمعامل الانكسار القوي ينحني الضوء للخارج. السؤال هو ، هل أوجه القصور مثل هذه تجعل مطالبة & # 8220Hawking للإشعاع & # 8221 لا يمكن الدفاع عنها؟

& # 8220 هذا سؤال دلالي جزئيًا ، & # 8221 يقول Renaud Parentani ، المتخصص في إشعاع هوكينغ في جامعة Paris-Sud 11 ، فرنسا. يعتقد بارنتاني أنه لم يحدد أحد حتى الآن ما الذي يجب أن يشكل إشعاع هوكينغ بشكل صحيح ، وأنه يجب على الباحثين التركيز على تحديد جوانب الظاهرة التي نجحت التجربة في إثباتها. & # 8220 يتعين علينا بطريقة ما إعداد قائمة بالخصائص المحددة التي تميز إشعاع هوكينغ القياسي ، & # 8221 يضيف.

يمكن أن يكون التشابك هو النقطة الفاصلة

قد تكون إحدى طرق إقناع المشككين هي قياس الفوتونات المتولدة على جانبي ذروة معامل الانكسار في وقت واحد. إذا كانوا متشابكين بالمعنى الميكانيكي الكمومي ، فسيكون هذا دليلًا قويًا على أنهم ولدوا معًا في الأفق. أخبر ليوناردت موقع physicsworld.com أنه يتوقع الحصول على نتائج لمثل هذه التجربة في غضون عام أو أقل.

بالنسبة لفرص هوكينج & # 8217s في الحصول على جائزة نوبل ، يبدو أن علماء الفيزياء متفقون تقريبًا على التفكير في أنه من السابق لأوانه معرفة ذلك. ولكن مع شبه استحالة إجراء قياس فيزيائي فلكي لإشعاع هوكينغ ، والشرط الرسمي الذي يحظر الترشيحات بعد وفاته ، هناك فرصة - وإن كانت بعيدة - أن تحكم اللجنة السويدية إثباتًا معمليًا لنظرية هوكينز & # 8217 كافية للزخرفة. بالفعل ، وجدت مجموعة مقرها في كندا دليلاً على ما تدعي أنه إشعاع هوكينغ في نظام كلاسيكي قائم على الماء (انظر arXiv: 1008.1911) ، والعديد من التجارب الأخرى من المرجح أن تدعم الأدلة المعملية خلال الأشهر القادمة.


إشعاع هوكينج

[/شرح]
عندما يتضور البشر جوعًا ، فإنهم ينموون ويموتون في النهاية عندما يجوع الثقب الأسود ، وينمو أيضًا ويموت ... ولكنه يفعل ذلك بشكل مذهل للغاية ، في انفجار إشعاع هوكينغ.

على الأقل هذه الطريقة التي نفهمها بها اليوم (لم يتم ملاحظة وجود ثقب أسود بعيدًا) ، وقد تكون النظرية خاطئة أيضًا.

أظهر عالم الكونيات وعالم الفيزياء الفلكية والفيزيائي ستيفن هوكينج ، في عام 1974 ، أن الثقوب السوداء يجب أن تصدر إشعاعات كهرومغناطيسية مع طيف الجسم الأسود ، وتسمى هذه العملية أيضًا بتبخر الثقب الأسود. باختصار ، تعمل هذه العملية النظرية على النحو التالي: يتم إنتاج أزواج الجسيمات المضادة للجسيمات باستمرار وتختفي سريعًا (من خلال الإبادة) هذه الأزواج عبارة عن أزواج افتراضية ، ووجودها (إذا كان من الممكن القول بوجود شيء افتراضي!) هو نتيجة معينة لـ مبدأ عدم اليقين. في العادة ، لا نرى أبدًا الجسيم أو الجسيم المضاد لهذه الأزواج ، ونعرف فقط وجودها من خلال تأثيرات مثل تأثير كازيمير. ومع ذلك ، إذا ظهر أحد هذه الأزواج الافتراضية إلى الوجود بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود ، فيمكن للمرء أن يعبره بينما يهرب الآخر وبالتالي يفقد الثقب الأسود الكتلة. بعيدًا عن أفق الحدث ، يبدو هذا تمامًا مثل إشعاع الجسم الأسود.

اتضح أنه كلما كانت كتلة الثقب الأسود أصغر ، زادت سرعة فقده للكتلة بسبب إشعاع هوكينغ في النهاية ، ويختفي الثقب الأسود في موجة مكثفة من أشعة جاما (لأن الثقب الأسود & # 8217s ترتفع درجة الحرارة أثناء ذلك يصبح أصغر). لقد ربحنا & # 8217t نرى أيًا من الثقوب السوداء في مجرة ​​درب التبانة ينفجر في أي وقت قريب ... ليس فقط من المحتمل أنها لا تزال تكتسب كتلة (من الخلفية الكونية الميكروية ، على الأقل) ، ولكن ثقبًا أسودًا واحدًا سيستحوذ على أكثر من 10 ^ 67 سنة لتتبخر (الكون عمره 13 مليار سنة فقط)!

هناك العديد من الألغاز المتعلقة بالثقوب السوداء وإشعاع هوكينج ، على سبيل المثال ، يبدو أن تبخر الثقب الأسود عبر إشعاع هوكينج يعني ضياع المعلومات إلى الأبد. السبب الجذري لهذه الألغاز هو أن ميكانيكا الكم والنسبية العامة - النظريتان الأكثر نجاحًا في الفيزياء ، فترة - غير متوافقين ، وليس لدينا تجارب أو ملاحظات لمساعدتنا في إيجاد طريقة لحل هذا التعارض.


إشعاع هوكينغ - علم الفلك

آخر زيارة لستيفن هوكينغ للولايات المتحدة (أبريل 2016)

فيديو لخطاب ما قبل العشاء لستيفن هوكينغ (في منزل آفي لوب ، ليكسينغتون ، MA 4/22/16)

هنا لمعرفة بالضبط ما هو موضح في الصورة). لقد عرفنا أن الثقوب السوداء موجودة منذ عام 2016 عندما تم اكتشاف موجة الجاذبية التي تسببها لأول مرة. الصورة: المرصد الأوروبي الجنوبي. CC BY 4.0.

كان ستيفن هوكينج هو الشخص الذي قدم أكبر مساهمة لنظرية الثقوب السوداء. باستخدام الرياضيات فقط ، بدلاً من الملاحظات ، أظهر هوكينج وزملاؤه أن الثقوب السوداء هي أشياء بسيطة بشكل مدهش: يمكن وصفها فقط من خلال كتلتها ودورانها وشحنتها الكهربائية. لا يهم ما ترميه في الثقب الأسود ، أو كيف تم إنشاؤه - ربما يكون قد تم صنعه من قبل نجم يحتضر ، أو اصطدام ثقبين أسودين ، ويمكن أن يكون قد ابتلع أشخاصًا أو محتويات مكتبات العالم - كل ما يمكنك رؤيته من الخارج هو كتلة الثقب الأسود ودورانه وشحنته. على حد تعبير الفيزيائيين جون ويلر ، "الثقوب السوداء ليس لها شعر".

مع ال لا نظرية الشعركما أصبح معروفًا ، قام هوكينج وزملاؤه بترويض نظرية الثقوب السوداء. ولكن بعد ذلك بقليل ، عام 1974 ، أثبت هوكينج نتيجة أخرى حول الثقوب السوداء ، والتي فتحت علبة جديدة تمامًا من الديدان: لقد أظهر أن الثقوب السوداء ليست كلها سوداء بعد كل شيء. بدلاً من ذلك - تمامًا مثل فنجان الشاي الساخن الذي يترك جالسًا ليبرد - ينبعث منهم إشعاع حراري في بيئتهم.

مثل النتائج السابقة لهوكينج على الثقوب السوداء ، نظريته لما أصبح يسمى إشعاع هوكينغ ليس نتيجة أدلة رصدية ، بل نتيجة رياضيات. بينما كان هوكينغ يفكر في أحجية معينة كانت محيرة للفيزيائيين في ذلك الوقت ، اعتبر هوكينغ كونًا افتراضيًا يتكون من ثقب أسود واحد. تجعل نظرية النسبية العامة لأينشتاين من الممكن دراسة مثل هذه العوالم الخيالية ، لكن هوكينج جلب أيضًا نظرية الفيزياء التي تصف العالم على مستويات صغيرة جدًا: ميكانيكا الكم. عند تطبيق ميكانيكا الكم على مادة خارج الثقب الأسود ، اكتشف هوكينج أن بعض الإشعاع الحراري يجب أن ينبعث من الثقب الأسود ، وأن هذا يجب أن يكون صحيحًا بالنسبة للثقوب السوداء بشكل عام.

من المسلم به أن درجة حرارة هذا الإشعاع ، التي تسمى الآن درجة حرارة هوكينغ ، ليست قريبة من درجة حرارة فنجان الشاي الساخن: بدلاً من ذلك ، فهي منخفضة بشكل لا يصدق ، فقط جزء صغير فوق الصفر المطلق. سوف نتعرض لضغوط شديدة لملاحظة ذلك. لكن حقيقة أنه يجب أن يكون هناك أي إشعاع على الإطلاق أذهلت مجتمع الفيزياء.

طرحت نتيجة هوكينغ على الفور مفارقة لم يتم حلها بعد - في الواقع ، كان هوكينغ لا يزال يعمل عليها في الأشهر الأخيرة من حياته. يطلق عليه مفارقة المعلومات. اكتشف المزيد هنا.


الدكتور ستيفن هوكينج

ولد ستيفن هوكينج في أكسفورد بإنجلترا في 8 يناير 1942. في سن 17 ، التحق بكلية جامعة أكسفورد. أراد دراسة الرياضيات ، لكنه لجأ إلى دراسة الفيزياء. تابع الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء على الرغم من تشخيص إصابته بالتصلب الجانبي الضموري أثناء وجوده في أكسفورد. هذا المرض تقدمي ويؤثر ببطء على الأعصاب التي تغذي جميع عضلات الجسم. في عام 1985 أصيب بالتهاب رئوي ومنذ ذلك الوقت يحتاج إلى رعاية تمريضية على مدار 24 ساعة. من خلال التصميم المذهل للدكتور هوكينغ وبمساعدة عائلته وشركائه ، عاش 76 عامًا. حتى نهاية حياته في 14 مارس 2018 ، شغل كرسي إسحاق نيوتن كأستاذ للرياضيات في جامعة كامبريدج في إنجلترا.

في عام 1970 ، بدأ الدكتور هوكينغ العمل على خصائص الثقوب السوداء. نتيجة لأبحاثه ، تم التنبؤ بأن الثقوب السوداء تبعث إشعاعًا في الأشعة السينية إلى نطاق أشعة جاما من الطيف. في الثمانينيات ، عاد إلى الاهتمام السابق بأصول الكون وكيف يمكن أن تؤثر ميكانيكا الكم على مصيره. شارك في تأليف العديد من المنشورات مثل "300 عام من الجاذبية" و "الهيكل الواسع النطاق للزمكان-الزمان". كتب الدكتور هوكينج أيضًا كتبًا مثل نبذة عن تاريخ الوقت و الثقوب السوداء وأكوان الأطفال ومقالات أخرى.

سؤال

توقع الدكتور هوكينغ أن الثقوب السوداء تنبعث منها إشعاعات تقع في نطاق الضوء المرئي على الطيف الكهرومغناطيسي.


ستيفن هوكينج: الثقوب السوداء لا تدمر المعلومات ، قم بتخزينها في صورة ثلاثية الأبعاد ثنائية الأبعاد

يوم الثلاثاء ، قدم عالم الفيزياء النظرية الشهير البروفيسور ستيفن هوكينغ أفكاره الأخيرة حول الثقوب السوداء & # 8211 والمرور المحتمل للمعلومات إلى أكوان بديلة & # 8211 في مؤتمر إشعاع هوكينج في ستوكهولم ، السويد.

انطباع الفنان عن ثقب أسود ونجم عادي. رصيد الصورة: L. Calcada / ESO.

من أكثر الأسئلة المحيرة التي تواجه جيلًا من علماء الفيزياء ، ما الذي يحدث للمعلومات المتعلقة بالحالة الفيزيائية للأشياء التي تبتلعها الثقوب السوداء؟

هل تم تدميرها ، كما يتوقع فهمنا للنسبية العامة؟ إذا كان الأمر كذلك ، فإن ذلك ينتهك قوانين ميكانيكا الكم.

وفقًا لفكرة جديدة اقترحها البروفيسور هوكينغ أمس في المعهد الملكي للتكنولوجيا KTH ، فإن الثقوب السوداء لا تبتلع المعلومات المادية وتدمرها. بدلاً من ذلك ، يقومون بتخزينه في صورة ثلاثية الأبعاد ثنائية الأبعاد. تم تقديم العرض في مؤتمر هوكينغ للإشعاع ، الذي شارك في استضافته معهد نورديتا وجامعة نورث كارولينا.

كل شيء في عالمنا مشفر بمعلومات ميكانيكا الكم. ووفقًا لقوانين ميكانيكا الكم ، يجب ألا تختفي هذه المعلومات تمامًا ، بغض النظر عما يحدث لها. حتى لو تم امتصاصه في ثقب أسود.

لكن فكرة هوكينج هي أن المعلومات لا تصل إلى داخل الثقب الأسود على الإطلاق. بدلاً من ذلك ، يتم ترميزه بشكل دائم في صورة ثلاثية الأبعاد ثنائية الأبعاد على سطح أفق حدث الثقب الأسود.

كما نفهمها ، فإن الثقوب السوداء هي مناطق من الزمكان حيث تنهار النجوم تحت تأثير جاذبيتها ، بعد أن استنفدت وقودها ، مما يخلق حفرة بلا قاع تبتلع أي شيء يقترب من قرب. حتى الضوء لا يستطيع الهروب منها ، لأن جاذبيتها قوية للغاية.

قال البروفيسور هوكينج: "لا يتم تخزين المعلومات في داخل الثقب الأسود كما قد يتوقع المرء ، ولكن في حدوده & # 8211 أفق الحدث".

لقد صاغ فكرة أن المعلومات يتم تخزينها في شكل ما يعرف بالترجمات الفائقة.

وأوضح أن "الفكرة هي أن الترجمات الفائقة هي صورة ثلاثية الأبعاد للجسيمات الداخلية".

"وبالتالي فهي تحتوي على جميع المعلومات التي كانت ستضيع لولا ذلك."

تنبعث هذه المعلومات في التقلبات الكمومية التي تنتجها الثقوب السوداء ، وإن كانت في شكل فوضوي وعديم الفائدة. وقال "لقد فقدت المعلومات لجميع الأغراض العملية".

قدم الأستاذ هوكينج أيضًا أفكارًا مقنعة حول المكان الذي يمكن أن تنتهي فيه الأشياء التي تقع في الثقب الأسود.

قال البروفيسور هوكينج: "إن وجود تواريخ بديلة مع الثقوب السوداء يشير إلى أن هذا قد يكون ممكنًا".

"يجب أن يكون الثقب كبيرًا وإذا كان يدور فقد يكون له ممر إلى كون آخر. لكن لا يمكنك العودة إلى كوننا ".


& # 8220 رد فعل رجعي لتدفق إشعاع هوكينغ على نجم ينهار جاذبيًا & # 8221

ينبعث النجم الذي ينهار جاذبيًا في ثقب أسود تدفقًا من الإشعاع يُعرف باسم إشعاع هوكينغ. عندما يتم وضع الحالة الأولية للحقل الكمومي على خلفية النجم ، في فراغ Unruh في الماضي البعيد ، فإن إشعاع هوكينغ يقابل تدفق إشعاع الطاقة الموجب الذي ينتقل إلى الخارج إلى اللانهاية المستقبلية. يمكن وصف تبخر النجم المنهار بالتساوي على أنه تدفق طاقة سالب للإشعاع ينتقل شعاعياً إلى الداخل باتجاه مركز النجم. هنا ، نحن مهتمون بتطور النجم أثناء انهياره. Thus we include the backreaction of the negative energy Hawking flux in the interior geometry of the collapsing star and solve the full 4-dimensional Einstein and hydrodynamical equations numerically.
We find that Hawking radiation emitted just before the star passes through its Schwarzschild radius slows down the collapse of the star and substantially reduces its mass thus the star bounces before reaching the horizon. The area radius starts increasing after the bounce.


Hawking Radiation - Astronomy

Physics of the early Universe is at the boundary of astronomy and philosophy since we do not currently have a complete theory that unifies all the fundamental forces of Nature at the moment of Creation. In addition, there is no possibility of linking observation or experimentation of early Universe physics to our theories (i.e. it's not possible to `build' another Universe). Our theories are rejected or accepted based on simplicity and aesthetic grounds, plus their power of prediction to later times, rather than an appeal to empirical results. This is a very difference way of doing science from previous centuries of research.

Our physics can explain most of the evolution of the Universe after the Planck time (approximately 10 -43 seconds after the Big Bang).

Another way of seeing this problem is trying to reproduce the Greek philosophers thinking about matter, as applied to spacetime. For example, if we continue to divide matter we get to atoms, try to divide atoms and you get quantum fields. What does spacetime look like at the quantum level? Probably a quantum chaos.

Events before before the Planck time are undefined in our current science and, in particular, we have no solid understanding of the origin of the Universe (i.e. what started or `caused' the Big Bang). At best, we can describe our efforts to date as probing around the `edges' of our understanding in order to define what we don't understand, much like a blind person would explore the edge of a deep hole, learning its diameter without knowing its depth.

One thing is clear in our framing of questions such as `How did the Universe get started?' is that the Universe was self-creating. This is the key separation point between theism, the philosophy that there is a God, and naturalism, the philosophy that only natural laws and forces operate in the world and that nothing exists beyond the natural world. For theism interprets the Universe having a beginning, a point where it starts to exist, as there must exist a transcendent cause, i.e. God. Naturalism requires that there be no cause, the Universe either exists eternally, or the origin of the Universe takes on a "no boundary" solution (for example, space *and* time start at the Big Bang, there is no *before*).

Extrapolation from the present to the moment of Creation implies an origin of infinite density and infinite temperature (all the Universe's mass and energy pushed to a point of zero volume). Such a point is called the cosmic singularity.

Infinites are unacceptable as physical descriptions, but our hypothetical observers back at the beginning of time are protected by the principle of cosmic censorship. What this means is that singularities exists only mathematically and not as a physical reality that we can observe or measure. Nature's solution to this problem are things like the event horizon around black holes. Barriers built by relativity to prevent observation of a singularity.

While observations beyond the event horizon are impossible, testable science does not stop for we can build models of the behavior inside the event horizon then look for observable predictions from those models. For cosmology, one such model for the cosmic singularity is the Hartle-Hawking no-boundary cosmology. In this model, there is no "before" the Big Bang because the Universe existed in what is called Euclidian or imaginary time. Euclidian time is a concept derived from quantum mechanics and is essential in connecting quantum mechanics with statistical mechanics. Euclidian time can be difficult to visualize. One method is to remember our relativity where space and time are combined into spacetime. And we measure spacetime by using rulers and clocks together. Near masses rulers become shorter and clocks slow down (relative to rulers and clocks in flat spacetime). Euclidian time occurs when we go back to the first moments of the early Universe. Densities and energies are enourmous, and as we look at our ruler and clock we notice a strange thing, the clock begins to act like a ruler.

Euclidian time is a way of looking at the time dimension as if it were a dimension of space: you can move forward and backward along imaginary time, just like you can move right and left in space. Thus, the no-boundary model states that the Universe is infinitely finite: that there was no time before the Big Bang because time did not exist before the formation of spacetime associated with the Big Bang and subsequent expansion of the Universe in space and time.

Hartle-Hawking model says that if we could travel backward in time toward the beginning of the Universe, we would note that quite near what might have otherwise been the beginning, time gives way to space such that at first there is only space and no time. Beginnings are entities that have to do with time because time did not exist before the Big Bang, the concept of a beginning of the Universe is meaningless. According to the Hartle-Hawking proposal, the Universe has no origin as we would understand it: the Universe was a singularity in both space and time, pre-Big Bang. Thus, the Hartle-Hawking state Universe has no beginning, but it is not the steady state Universe it simply has no initial boundaries in time nor space.

The origin of the Universe also involves the question of creatio ex nihilo, creation out of nothing. Parmenides, of course, opposed creatio ex nihilo for "nothing comes out of nothing". Major religions are split on the issue with mainstream Christian faiths supporting the ability of the Creator to create out of nothing (although this begs the question of whether God Himself counts as pre-existing matter). Other faiths believe that the Universe was constructed from pre-existing, primordial matter, such that the pre-Universe was eternal and our "bubble" was created (Gensis 1:6 alludes to a pre-existing water that matter is constructed from).

Modern physics is perfectly happy with creatio ex nihilo meaning that things began as a zero-energy Universe, negative energy will become dark energy and positive energy will becomes matter, the sum equals zero. This is not a statement on a `cause' behind the origin of the Universe, nor is it a statement on a lack of purpose or destiny. It is simply a statement that the Universe was emergent, that the actual of the Universe probably derived from a indeterminate sea of potentiality that we call the quantum vacuum, whose properties may always remain beyond our understanding.

The cosmic singularity, that was the Universe at the beginning of time, is shielded by the lack of any physical observers. But the next level of inquiry is what is the origin of the emergent properties of the Universe, the properties that become the mass of the Universe, its age, its physical constants, etc. The answer appears to be that these properties have their origin as the fluctuations of the quantum vacuum.

The properties of the Universe come from `nothing', where nothing is the quantum vacuum, which is a very different kind of nothing. If we examine a piece of `empty' space we see it is not truly empty, it is filled with spacetime, for example. Spacetime has curvature and structure, and obeys the laws of quantum physics. Thus, it is filled with potential particles, pairs of virtual matter and anti-matter units, and potential properties at the quantum level.

The creation of virtual pairs of particles does not violate the law of conservation of mass/energy because they only exist for times much less than the Planck time. There is a temporary violation of the law of conservation of mass/energy, but this violation occurs within the timescale of the uncertainty principle and, thus, has no impact on macroscopic laws.

The quantum vacuum is the ground state of energy for the Universe, the lowest possible level. Attempts to perceive the vacuum directly only lead to a confrontation with a void, a background that appears to be empty. But, in fact, the quantum vacuum is the source of all potentiality. For example, quantum entities have both wave and particle characteristics. It is the quantum vacuum that such characteristics emerge from, particles `stand-out' from the vacuum, waves `undulate' on the underlying vacuum, and leave their signature on objects in the real Universe.

In this sense, the Universe is not filled by the quantum vacuum, rather it is `written on' it, the substratum of all existence.

With respect to the origin of the Universe, the quantum vacuum must have been the source of the laws of Nature and the properties that we observe today. How those laws and properties emerge is unknown at this time.

The fact that the Universe exists should not be a surprise in the context of what we know about quantum physics. The uncertainty and unpredictability of the quantum world is manifested in the fact that whatever can happen, does happen (this is often called the principle of totalitarianism, that if a quantum mechanical process is not strictly forbidden, then it must occur).

For example, radioactive decay occurs when two protons and two neutrons (an alpha particle) leap out of an atomic nuclei. Since the positions of the protons and neutrons is governed by the wave function, there is a small, but finite, probability that all four will quantum tunnel outside the nucleus, and therefore escape. The probability of this happening is small, but given enough time (tens of years) it إرادة happen.

The same principles were probably in effect at the time of the Big Bang (although we can not test this hypothesis within our current framework of physics). But as such, the fluctuations in the quantum vacuum effectively guarantee that the Universe would come into existence.

The earliest moments of Creation are where our modern physics breakdown, where `breakdown' means that our theories and laws have no ability to describe or predict the behavior of the early Universe. Our everyday notions of space and time cease to be valid.

Although we have little knowledge of the Universe before the Planck time, only speculation, we can calculate when this era ends and when our physics begins. The hot Big Bang model, together with the ideas of modern particle physics, provides a sound framework for sensible speculation back to the Planck era. This occurs when the Universe is at the Planck scale in its expansion.

Remember, there is no `outside' to the Universe. So one can only measure the size of the Universe much like you measure the radius of the Earth. You don't dig a hole in the Earth and lower a tape measure, you measure the circumference (take an airplane ride) of the Earth and divide by 2&pi (i.e. C = 2 &pi radius).

The Universe expands from the moment of the Big Bang, but until the Universe reaches the size of the Planck scale, there is no time or space. Time remains undefined, space is compactified. String theory maintains that the Universe had 10 dimensions during the Planck era, which collapses into 4 at the end of the Planck era (think of those extra 6 dimensions as being very, very small hyperspheres inbetween the space between elementary particles, 4 big dimensions and 6 little tiny ones).

During the Planck era, the Universe can be best described as a quantum foam of 10 dimensions containing Planck length sized black holes continuously being created and annihilated with no cause or effect. In other words, try not to think about this era in normal terms.

One of the reasons our physics is incomplete during the Planck era is a lack of understanding of the unification of the forces of Nature during this time. At high energies and temperatures, the forces of Nature become symmetric. This means the forces resemble each other and become similar in strength, i.e. they unify.

An example of unification is to consider the interaction of the weak and electromagnetic forces. At low energy, photons and W,Z particles are the force carriers for the electromagnetic and weak forces. The W and Z particles are very massive and, thus, require alot of energy (E=mc 2 ). At high energies, photons take on similar energies to W and Z particles, and the forces become unified into the electroweak force.

There is the expectation that all the nuclear forces of matter (strong, weak and electromagnetic) unify at extremely high temperatures under a principle known as Grand Unified Theory, an extension of quantum physics using as yet undiscovered relationships between the strong and electroweak forces.

The final unification resolves the relationship between quantum forces and gravity (supergravity).

In the early Universe, the physics to predict the behavior of matter is determined by which forces are unified and the form that they take. The interactions just at the edge of the Planck era are ruled by supergravity, the quantum effects of mini-black holes. After the separation of gravity and nuclear forces, the spacetime of the Universe is distinct from matter and radiation.

The first moments after the Planck era are dominated by conditions were spacetime itself is twisted and distorted by the pressures of the extremely small and dense Universe.

Most of these black holes and wormholes are leftover from the Planck era, remnants of the event horizon that protected the cosmic singularity. These conditions are hostile to any organization or structure not protected by an event horizon. Thus, at this early time, black holes are the only units that can survive intact under these conditions, and serve as the first building blocks of structure in the Universe, the first `things' that have individuality.

Based on computer simulations of these early moments of the Universe, there is the prediction that many small, primordial black holes were created at this time with no large black holes (the Universe was too small for them to exist). However, due to Hawking radiation, the primordial black holes from this epoch have all decayed and disappeared by the present-day.

Matter arises at the end of the spacetime foam epoch as the result of strings, or loops in spacetime. The transformation is from ripping spacetime foam into black holes, which then transmute into elementary particles. Thus, there is a difference between something of matter and nothing of spacetime, but it is purely geometrical and there is nothing behind the geometry. Matter during this era is often called GUT matter to symbolize its difference from quarks and leptons and its existence under GUT forces.

Hawking, an English theoretical physicist, was one of the first to consider the details of the behavior of a black hole whose Schwarzschild radius was on the level of an atom. These black holes are not necessarily low mass, for example, it requires 1 billion tons of matter to make a black hole the size of a proton. But their small size means that their behavior is a mix of quantum mechanics rather than relativity.

Before black holes were discovered it was know that the collision of two photons can cause pair production. This a direct example of converting energy into mass (unlike fission or fusion which turn mass into energy). Pair production is one of the primary methods of forming matter in the early Universe.

Note that pair production is symmetric in that a matter and antimatter particle are produced (an electron and an anti-electron (positron) in the above example).

Hawking showed that the strong gravitational gradients (tides) near black holes can also lead to pair production. In this case, the gravitational energy of the black hole is converted into particles.

If the matter/anti-matter particle pair is produced below the event horizon, then particles remain trapped within the black hole. But, if the pair is produced above the event horizon, it is possible for one member to fall back into the black hole, the other to escape into space. Thus, the black hole can lose mass by a quantum mechanical process of pair production outside of the event horizon.

The rate of pair production is stronger when the curvature of spacetime is high. Small black holes have high curvature, so the rate of pair production is inversely proportional to the mass of the black hole (this means its faster for smaller black holes). Thus, Hawking was able to show that the mini or primordial black holes expected to form in the early Universe have since disintegrated, resolving the dilemma of where all such mini-black holes are today.


شاهد الفيديو: ماذا يوجد داخل الثقب الاسود (أغسطس 2022).