Radiazione di Hawking: concetto, caratterizzazione e problemi di teoria

Buchi neri e particelle elementari. La fisica moderna collega i concetti di questi oggetti, i primi dei quali sono descritti nel quadro della teoria della gravità di Einstein, e il secondo nelle costruzioni matematiche della teoria dei campi quantistici. È noto che queste due teorie sperimentali belle e ripetutamente confermate non sono molto "amichevoli" tra loro. Tuttavia, c'è un fenomeno che riflette fenomeni così diversi nella loro interazione. Questa è la radiazione di Hawking o l'evaporazione quantistica dei buchi neri. Cos'è? Come funziona? Può essere rilevato? Ne parleremo nel nostro articolo.

Buchi neri e i loro orizzonti

Immagina una certa regione del continuum spazio-temporale occupata da un corpo fisico, ad esempio una stella. Se quest'area è caratterizzata da un tale rapporto di raggio e massa, in cui la curvatura gravitazionale del continuum non consente a nulla (anche il raggio di luce) di lasciarla, questa zona è chiamata un buco nero. In un certo senso, questo è davvero un buco, un tuffo nel continuum, come spesso viene raffigurato nelle illustrazioni, usando una rappresentazione bidimensionale dello spazio.

Tuttavia, in questo caso saremo interessati non alla profondità spalancata di questa immersione, ma al confine di un buco nero, chiamato l'orizzonte degli eventi. Come parte della considerazione del problema della radiazione di Hawking, una caratteristica importante dell'orizzonte è che l'intersezione di questa superficie separa in modo permanente e completo qualsiasi oggetto fisico dallo spazio esterno.

Informazioni su vuoto e particelle virtuali

Nella comprensione della teoria dei campi quantistici, il vuoto non è affatto un vuoto, ma un mezzo speciale (più precisamente lo stato della materia), cioè un campo, tutti i cui parametri quantistici sono zero. L'energia di un tale campo è minima, ma non bisogna dimenticare il principio di indeterminazione. In piena conformità con esso, il vuoto esibisce attività di fluttuazione spontanea. Si esprime in fluttuazioni di energia, che non violano la legge di conservazione.

Maggiore è il picco della fluttuazione dell'energia del vuoto, minore è la sua durata. Se una tale oscillazione ha un'energia di 2mc ² , sufficiente per la nascita di una coppia di particelle, esse sorgono, ma immediatamente si annichilano, prima che possano volare. In tal modo, placano le fluttuazioni. Tali particelle virtuali nascono a spese dell'energia del vuoto e restituiscono tale energia alla morte. La loro esistenza è stata confermata sperimentalmente, ad esempio, registrando il famoso effetto Casimir, che dimostra la pressione del gas delle particelle virtuali su un macro-oggetto.

Per comprendere le radiazioni di Hawking, è importante che le particelle in un processo simile (siano esse elettroni con positroni o fotoni) siano necessariamente prodotte in coppia, e il loro momento totale è zero.

Armati di fluttuazioni del vuoto sotto forma di coppie virtuali, ci avvicineremo al confine del buco nero e vedremo cosa succede lì.

Ai margini dell'abisso

A causa della presenza dell'orizzonte degli eventi, un buco nero è in grado di intervenire nel processo di oscillazioni del vuoto spontaneo. Le forze di marea sulla superficie del foro sono enormi, il campo gravitazionale è estremamente eterogeneo. Migliora le dinamiche di questo fenomeno. Coppie di particelle devono nascere molto più attivamente che in assenza di forze esterne. Il buco nero espande la sua energia gravitazionale su questo processo.

Nulla impedisce a una delle particelle di "tuffarsi" sotto l'orizzonte degli eventi, se il suo impulso è diretto di conseguenza e la coppia nasce quasi vicino all'orizzonte (il buco spende energia rompendo la coppia). Quindi non ci sarà annichilimento e il partner della particella vivace volerà via dal buco nero. Di conseguenza, l'energia diminuisce, il che significa che la massa del buco è uguale alla massa del fuggitivo. Questa "perdita di peso" è chiamata evaporazione del buco nero.

Quando descriveva la radiazione dei buchi neri, Hawking operava con particelle virtuali. Questo è ciò che distingue la sua teoria dal punto di vista di Gribov, Zeldovich e Starobinsky, espresso nel 1973. I fisici sovietici hanno quindi indicato la possibilità di un tunnel quantistico di particelle reali attraverso l'orizzonte degli eventi, in conseguenza del quale il buco nero deve avere radiazioni.

Qual è la radiazione di Hawking?

I buchi neri, secondo la teoria dello scienziato, non emettono nulla. Tuttavia, i fotoni che lasciano il buco nero hanno uno spettro termico. Per un osservatore, questo "risultato" delle particelle dovrebbe apparire come un buco, come qualsiasi corpo riscaldato, emette qualche radiazione, naturalmente perdendo energia. Puoi anche calcolare la temperatura associata alla radiazione di Hawking usando la formula T _BH = (h ∙ c ³ ) / (16 ^{2 2} ∙ k ∙ G ∙ M), dove h è la costante di Planck (non ridotta!), C è la velocità della luce, k - Costante di Boltzmann, G - costante gravitazionale, M - massa del buco nero. Approssimativamente questa temperatura sarà pari a 6.169 10 ^-8 K ∙ (M ₀ / M), dove M ₀ è la massa del Sole. Risulta che più il buco nero è massiccio, minore è la temperatura corrispondente alla radiazione.

Ma un buco nero non è una stella. Perdere energia, non si raffredda. Al contrario! Con una diminuzione della massa, il buco diventa "più caldo". La perdita di peso significa anche una diminuzione del raggio. Di conseguenza, l'evaporazione arriva con intensità crescente. Ne consegue che i piccoli fori devono completare la loro evaporazione da un'esplosione. È vero, l'esistenza stessa di tali microfori rimane ipotetica.

Esiste una descrizione alternativa del processo Hawking, basato sull'effetto Unruh (anche ipotetico), che prevede la registrazione della radiazione termica da parte di un osservatore in accelerazione. Se è collegato a un sistema di riferimento inerziale, non rileva alcuna radiazione. Anche il vuoto attorno all'oggetto accelerato che collassa per l'osservatore sarà riempito di radiazioni con caratteristiche termiche.

Informazioni sui problemi

I problemi creati dalla teoria delle radiazioni di Hawking sono legati al cosiddetto "teorema senza capelli" di un buco nero. La sua essenza è brevemente come segue: il buco è completamente indifferente a quali caratteristiche aveva l'oggetto, che cadeva oltre l'orizzonte degli eventi. È importante solo la massa per la quale il foro è aumentato. Le informazioni sui parametri del corpo che è caduto in esso sono memorizzate all'interno, sebbene non siano disponibili per l'osservatore. E la teoria di Hawking ci dice che i buchi neri, a quanto pare, non sono eterni. Si scopre che le informazioni che sarebbero state memorizzate in esse, insieme ai buchi, scompaiono. Per i fisici, questa non è una buona situazione, perché conduce a probabilità completamente prive di significato dei singoli processi.

Recentemente, ci sono stati sviluppi positivi nel risolvere questo paradosso, inclusa la partecipazione dello stesso Hawking. Nel 2015, è stato affermato che a causa delle proprietà speciali del vuoto, è possibile rivelare un numero infinito di parametri per la radiazione di un foro, cioè per "estrarre" le informazioni da esso.

Problema di registrazione

La difficoltà di risolvere tali paradossi è esacerbata dal fatto che la radiazione di Hawking non è possibile registrare. Dai un'altra occhiata alla formula qui sopra. Mostra quanto sono freddi i buchi neri: le cento milionesime parti di Kelvin per i buchi della massa solare e un raggio di tre chilometri! La loro esistenza è molto dubbia.

C'è, tuttavia, la speranza per i buchi neri microscopici (caldi, reliquia). Ma finora nessuno ha osservato questi testimoni teoricamente previsti delle prime ere dell'universo.

Alla fine, devi fare un po 'di ottimismo. Nel 2016 è apparso un messaggio sulla scoperta di un analogo della radiazione quantistica di Hawking su un modello acustico dell'orizzonte degli eventi. L'analogia si basa anche sull'effetto Unruh. Sebbene abbia un ambito di applicazione limitato, ad esempio, non consente di studiare la scomparsa delle informazioni, tuttavia, si spera che tali studi aiuteranno a creare una nuova teoria dei buchi neri che tenga conto dei fenomeni quantistici.