Horizont događaja crne rupe je sferna ili sferoidna regija iz koje ništa, pa ni svjetlost, ne može pobjeći. Ali izvan horizonta događaja predviđa se da će crna rupa emitirati zračenje. Hawkingov rad iz 1974. bio je prvi koji je to pokazao, i vjerojatno je bilo njegovo najveće znanstveno dostignuće. (NASA; Jörn Wilms (Tübingen) i dr .; ESA)

Kako su najveće otkriće Stephena Hawkinga revolucionirale crne rupe

Prije Hawkinga, crne su rupe bile samo statičke točke u pozadini prostora. Njegova najveća znanstvena ostavština naučila nas je koliko su dinamične.

Godine 1915. Albert Einstein objavio je svoju Opću teoriju relativnosti, zamijenivši naš stari newtonski svjetonazor jedinstvenim pojmom svemira. S jedne strane Einsteinovih jednadžbi, materija i energija u Svemiru govorili su o krivulji; s druge strane, zakrivljena tkanina svemira govorila je materiji i energiji kako se kretati. Složena priroda ovih jednadžbi osigurala je teško pronalaženje točnih rješenja, jer je i sam Einstein pronašao samo dva: jedno za potpuno prazan prostor i jedno za jednu masu u granici slabog polja. Sljedeće godine Karl Schwarzschild pronašao je prvo zanimljivo rješenje, za bodovnu masu u cijelom prostoru. Sada to prepoznajemo kao rješenje za crnu rupu, jedno od rijetkih točnih rješenja poznatih i danas. Dok su u Schwarzschildovoj formulaciji crne rupe bili statični predmeti, Hawking je bio prvi koji je dokazao da nije tako. Crne rupe vremenom zrače i kao takve nisu čak ni potpuno crne.

Masa crne rupe jedini je odlučujući faktor polumjera događaja, za izoliranu crnu rupu koja se ne rotira. Dugo se smatralo da su crne rupe statički objekti u prostornom vremenu Svemira. (SXS tim; Bohn i ostali 2015)

Dugo je poznato da postoji samo nekoliko svojstava koja mogu opisati crnu rupu. U slučaju Schwarzschilda jednostavno mu je dodijelio masu i riješio se zakrivljenosti prostora. I drugi su pokazali da možete dodati naboj (Reissner – Nordströmove crne rupe) ili zavrtanje (Kerr crne rupe), ali to je bilo to. Ono što niste mogli učiniti je dodavanje informacija u crnu rupu: električno neutralan, ne rotacijski čovjek sadržavao je toliko informacija koliko je ekvivalentni oblak plina vodika kad je ušao u crnu rupu. Sa termodinamičkog stajališta, ovo je bila katastrofa. Možete baciti oblak plina vodika s temperaturom apsolutnom nulom, a samim tim i entropijom nule, u crnu rupu, a ona bi imala isti učinak na crnu rupu kao i bacanje ljudskog bića s jednakom energijom. To jednostavno nije imalo smisla.

Kad masa proždire crnu rupu, količina entropije koju stvar ima određuje se prema njenim fizičkim svojstvima. Ali u crnoj rupi su samo svojstva kao što su masa, naboj i moment ugla. To predstavlja veliku zagonetku ako drugi zakon termodinamike mora ostati istinit. Ilustracija: (NASA / CXC / M.Weiss; X-zraka (gore): NASA / CXC / MPE / S.Komossa i dr. (L); Optički: ESO / MPE / S.Komossa (R))

To je značilo da, suprotno drugom zakonu termodinamike, znači da smo odjednom imali način da proizvoljno smanjimo entropiju Univerzuma. Crna rupa bi, klasično, trebala imati entropiju ništice. Ako možete stvari bacati stvarnom, pozitivnom i velikom količinom entropije u crnu rupu, imat ćete način kršiti taj zakon. Entropija se uvijek povećava, koliko znamo, i to je bila jedna od stvari o kojoj je Hawking razmišljao dok je razmišljao o tome što zbunjuje u crnim rupama. Za crne rupe mora postojati neki način da ta vrijednost treba biti i pozitivna i velika. Povećavanje entropije, s vremenom, trebalo bi biti u redu, ali njegovo smanjivanje trebalo bi biti zabranjeno. Jedini način da se to osigura bilo bi prisiljavanje povećanja mase crne rupe da bi entropija porasla za najmanje najveći iznos koji možete zamisliti.

Kodirani na površini crne rupe mogu biti bitovi informacija, proporcionalni površini područja horizonta događaja. (T.B. Bakker / Dr. J. P. van der Schaar, Sveučilište u Amsterdamu)

Način na koji su ljudi koji rade na tom problemu - uključujući Hawkinga - odredio odgovor, bio je entropija proporcionalna površini crne rupe. Što više kvantnih bita informacija možete stati na crnu rupu, veća je bila i njena entropija. Ali to je stvorilo novi problem: ako imate entropiju, to znači da imate temperaturu. A ako imate temperaturu, morate zračiti energiju dalje. U početku su se nazivali crnim jer ništa, pa ni svjetlost, ne može pobjeći, sad je postalo jasno da ipak mora nešto emitirati. Odjednom crna rupa više nije statički sustav; ona se mijenja s vremenom.

Simulirano propadanje crne rupe ne rezultira samo emisijom zračenja, već i raspadanjem mase središnje orbite koja održava većinu objekata stabilnom. Crne rupe nisu statički objekti, već se s vremenom mijenjaju. (EU komunicirati znanost)

Dakle, ako crna rupa nije tako crna, i ako zrači, sada postavlja pitanje kako. Kako zrači crna rupa? Shvaćanje odgovora na ovu zagonetku bio je najveći Hawkingov doprinos fizici. Znamo kako izračunati u kvantnoj teoriji polja kako se vakuum praznog prostora ponaša kada je prostor ravan. To jest, možemo vam reći svojstva praznog prostora kad ste vrlo daleko od bilo koje mase, poput crne rupe. Ono što je Hawking pokazao prvi put je kako to učiniti u zakrivljenom prostoru: unutar nekoliko radijusa horizonta događaja. A ono što je otkrio je da je postojala izrazita razlika u ponašanju kvantnog vakuuma kada se masa nalazila u blizini.

Kvantna gravitacija pokušava kombinirati Einsteinovu opću teoriju relativnosti s kvantnom mehanikom. Kvantne korekcije klasične gravitacije prikazuju se kao petljasti dijagrami, kao ona prikazana bijelom bojom. Poluklasicna aproksimacija koju je Hawking koristio ukljucivala je izracunavanje teoretickih ucinka vakuuma u kvantnom polju u pozadini zakrivljenog prostora. (Nacionalni laboratorij za ubrzanje rada)

Kad je prošao kroz matematiku, pronašao je sljedeća svojstva:

  • Kad ste daleko od crne rupe, izgleda da ste dobili toplinsku emisiju zračenja crna tijela.
  • Temperatura emisije ovisi o masi crne rupe: što je masa manja, to je i veća temperatura.
  • Kako crna rupa zrači, ona se smanjuje u masi, u skladu s Einsteinovim E = mc². Što je veća stopa zračenja, to je brži gubitak mase.
  • I kako crna rupa gubi masu, smanjuje se i zrači brže. Vrijeme u kojem crna rupa može živjeti proporcionalno je njenoj kockanoj masi: crna rupa u središtu Mliječne staze živjet će desetak i više puta od crne rupe Sunčeve mase.
Ako vizualizirate prazan prostor kako se pere s parovima čestica / antičestica koji iskaču i izlaze, vidjet ćete zračenje iz crne rupe. Ova vizualizacija nije sasvim ispravna, ali činjenica da je lako vizualizirati ima svoje prednosti. (Ulf Leonhardt sa Sveučilišta St. Andrews)

U početku, Hawking je to vizualizirao kao parove čestica / antičestica koji iskaču u život i izlaze iz njega, anihilirajući dalje radi proizvodnje zračenja. Ta je pojednostavljena slika bila kvalitativno dovoljno dobra da opiše zračenje daleko od crne rupe, ali ispada da je netočno blizu horizonta događaja. Točnije je misliti na promjenu vakuuma i na zračenje koje se emitira tamo gdje je zakrivljenost prostora relativno velika: unutar nekoliko radijusa same crne rupe. Kad jednom stignete daleko, sve se čini kao to toplinsko, zračenje crnih tijela.

Hawkingovo zračenje je ono što neizbježno proizlazi iz predviđanja kvantne fizike u zakrivljenom svemirskom vremenu koje okružuje horizont događaja crne rupe. Ova je vizualizacija točnija od gore navedene, jer prikazuje fotone kao primarni izvor zračenja, a ne čestice. Međutim, emisija je zbog zakrivljenosti prostora, a ne pojedinačnih čestica, i ne ide sve na sam horizont događaja. (E. Siegel)

Odjednom je došlo do revolucije u crnim rupama i razumijevanja kako se kvantna polja ponašaju u visoko zakrivljenom prostoru. Otvorio je paradoks informacija o crnoj rupi, a mi sada pitamo kamo idu informacije kodirane na horizont događaja crne rupe kad crna rupa isparava? Otvara se (povezani) problem vatrozida crnih rupa, postavljajući pitanje zašto se predmeti ne prže radijacijom dok prelaze horizont događaja, ili zapravo jesu? To nam govori da postoji odnos između onoga što se događa unutar volumena (u prostoru ograđenom horizontom događaja) i površine koja ga zaokružuje (sam horizont događaja), što je potencijalni primjer holografskog principa u stvarnom životu. To otvara vrata dodatnim suptilnostima koje će nam možda omogućiti prvi put da istražimo učinke kvantne gravitacije ako postoje odstupanja od predviđanja Opće relativnosti.

Naoko vječna pozadina vječne tame, pojavit će se jedan jedini bljesak svjetlosti: isparavanje konačne crne rupe u Svemiru. (ortega-slike / pixabay)

Papir koji je doveo do svega toga bio je jednostavno naslovljen Eksplozije crne rupe? a objavljeno je u časopisu Nature 1974. godine. To bi bilo vrhunsko dostignuće u istraživanju, a Hawking ga je objavio kad je imao samo 32 godine. Dugi niz godina istraživao je neobičnosti, crne rupe, dječje svemire i Veliki prasak, surađujući s Titanima poput Garyja Gibbonsa, Georgea Ellisa, Dennisa Sciame, Jima Bardeena, Rogera Penrosea, Bernarda Carra i Brandona Cartera, kako bi imenovao ime nekoliko. Njegov sjajan rad nije niotkuda, ali nastao je iz kombinacije briljantnog uma koji je uspio u plodnom akademskom okruženju. To je svima nama lekcija o tome koliko je važno, ako želimo imati ovaj titanski teoretski napredak, stvoriti (i financirati) ta kvalitetna okruženja u kojima bi mogla zaživjeti takva istraživanja.

Izvan horizonta crne rupe događaja, Opća relativnost i teorija kvantnog polja potpuno su dovoljni za razumijevanje fizike onoga što se događa; to je Hawkingovo zračenje. (NASA)

Gotovo pola stoljeća kasnije svijet oplakuje njegovo prolazak, ali nasljeđe njegovih istraživanja živi dalje. Možda će ovo biti stoljeće u kojem se paradoksi rješavaju, a idući Titanic iskoči naprijed u fizici. Bez obzira na budućnost, Hawkingova je ostavština sigurna, a čemu se svaki teoretičar može nadati je da će se njihove teorije vremenom poboljšati. Kako je i sam Hawking izjavio:

Bilo koja fizička teorija uvijek je privremena, u smislu da je to samo hipoteza: to nikada ne možete dokazati. Bez obzira koliko se puta eksperimenata slažu s nekom teorijom, nikad ne možete biti sigurni da sljedeći put rezultat neće biti u suprotnosti s teorijom.

Iako je svijet možda izgubio Hawkingovo jedno od sjajnih znanstvenih svjetala, njegov utjecaj na naše znanje, razumijevanje i znatiželju odjeknut će kroz stoljeća.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.