Czarne dziury z każdym dniem stają się coraz dziwniejsze. Kiedy naukowcy po raz pierwszy potwierdzili istnienie behemotów w latach 70., myśleliśmy, że są to bardzo proste, bezwładne zwłoki. Następnie słynny fizyk Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury nie są całkowicie czarne i faktycznie emitują ciepło. A teraz kilku fizyków zdało sobie sprawę, że ciemne obiekty również wywierają nacisk na swoje otoczenie.
Nasz wniosek, że taki prosty, nieokresowyczarne dziury „Ciśnienie i temperatura są jeszcze bardziej ekscytujące, biorąc pod uwagę, że było to kompletną niespodzianką” – powiedział współautor Xavier Calmette, profesor fizyki na University of Sussex w Anglii.
Związane z: 8 sposobów, dzięki którym wiemy, że czarne dziury rzeczywiście istnieją
Calmette i jego doktorant Volkert Kuipers badali efekty kwantowe w pobliżu horyzontów zdarzeń czarnych dziur, które są niezwykle trudne do określenia. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy wykorzystali technikę upraszczającą obliczenia. Podczas ich pracy w matematyce ich rozwiązania pojawił się dziwny termin. Po miesiącach zamieszania zdali sobie sprawę, co oznacza ten nowo odkryty termin: jest to wyraz ciśnienia wywieranego przez czarną dziurę. Nikt wcześniej nie wiedział, że to możliwe, a to zmienia sposób myślenia naukowców o czarnych dziurach i ich związkach z resztą wszechświata.
Silnik Hawkinga
W latach 70. Hawking stał się jednym z pierwszych fizyków, którzy zastosowali Mechanika kwantowa Próbować zrozumieć, co dzieje się na horyzoncie zdarzeń – obszarze wokół czarnej dziury, poza którą nic, nawet światło, nie może się wydostać. Przed rozpoczęciem tej pracy wszyscy po prostu zakładali, że czarne dziury to proste rzeczy. według ogólna teoria względności, teoria grawitacji, która jako pierwsza zaproponowała istnienie czarnych dziur, nie ma absolutnie nic niezwykłego w horyzoncie zdarzeń. Horyzont zdarzeń jest „granicą” czarnej dziury i określa region, w którym wyjście czerni wymaga podróży szybszej niż światło. Ale to była tylko wyimaginowana linia w przestrzeni – gdybyś ją przekroczył, nawet nie wiedziałbyś, że to zrobiłeś, dopóki nie spróbujesz odwrócić się i odejść.
Związane z: 8 sposobów na zobaczenie teorii względności Einsteina w prawdziwym życiu
Hawking zmienił to wszystko. Zdał sobie sprawę, że piana kwantowa, która odnosi się do morza cząstek stale pojawiających się w próżni czasoprzestrzeni, może wpłynąć na uproszczony widok horyzontu zdarzeń. Czasami pary cząstek pojawiają się spontanicznie z pustej przestrzeni Wolny czas, a następnie unicestwiają się nawzajem w błysku energii, przywracając pustkę do pierwotnego stanu. Ale kiedy dzieje się to w pobliżu czarnej dziury, jedna para może zostać uwięziona za horyzontem zdarzeń, a druga uciec. Czarna dziura trzyma rachunek za energię uciekającej cząstki i dlatego musi stracić swoją masę.
Proces ten jest obecnie znany jako promieniowanie Hawkinga, a dzięki tym obliczeniom odkryliśmy, że czarne dziury nie są całkowicie, w 100% czarne. Trochę się świecą. Ta poświata, znana jako „promieniowanie ciała doskonale czarnego”, oznacza, że mają one również ciepło, entropię (zwaną również „turbulencją”) i wszystkie inne terminy, które zwykle stosujemy do zwykłych rzeczy, takich jak lodówki i silniki samochodowe.
Efektywna technologia
Hawking skupił się na wpływie mechaniki kwantowej na otoczenie czarnej dziury. Ale to nie wszystko. Mechanika kwantowa nie obejmuje siły powaga, a pełny opis tego, co dzieje się na bliskim horyzoncie zdarzeń, powinien zawierać grawitację kwantową lub opis tego, jak silna grawitacja wpływa na bardzo małe skale.
Od lat 70. wielu fizyków próbowało szczęścia w opracowaniu teorii grawitacji kwantowej i zastosowaniu tych teorii w fizyce horyzontu zdarzeń. Najnowsza próba pochodzi z nowego badania przeprowadzonego przez Calmeta i Kuipersa, które zostało opublikowane we wrześniu w czasopiśmie. fizyczny przegląd d.
„Chociaż ciśnienie wywierane przez badaną przez nas czarną dziurę jest minimalne, fakt jej istnienia otwiera wiele nowych możliwości, w tym badania astrofizyki, fizyki cząstek elementarnych i fizyki kwantowej”.
Xavier Calmette
„Historyczna intuicja Hawkinga, że czarne dziury nie są czarne, ale mają widmo promieniowania bardzo podobne do czarnego ciała, sprawia, że czarne dziury są idealnym laboratorium do badania interakcji między mechaniką kwantową, grawitacją i termodynamiką” – powiedział Calmette.
Nie mając kompletnej teorii grawitacji kwantowej, duet wykorzystał technikę aproksymacyjną zwaną efektywną teorią pola lub EFT. Teoria ta zakłada, że grawitacja na poziomie kwantowym jest słaba – założenie, które pozwala poczynić pewne postępy w obliczeniach bez rozpadu wszystkiego, co ma miejsce, gdy grawitacja w układzie kwantowym jest zbyt silna. Chociaż te obliczenia nie ujawnią pełnego obrazu horyzontu zdarzeń, mogą zapewnić wgląd w czarną dziurę i jej wnętrze.
Calmette wyjaśnił: „Jeśli rozważymy czarne dziury tylko w ogólnej teorii względności, można wykazać, że mają one osobliwości w swoich centrach, w których prawa fizyki, jakie znamy, powinny zostać zakłócone”. „Mamy nadzieję, że gdy kwantowa teoria pola zostanie włączona do ogólnej teorii względności, być może będziemy w stanie znaleźć nowy opis czarnych dziur”.
Nadchodzi presja
Calmet i Kuipers badali termodynamikę czarnych dziur za pomocą transdukcji elektronów w pobliżu horyzontu zdarzeń, kiedy zauważyli dziwny termin matematyczny pojawiający się w ich równaniach. Początkowo określenie to kompletnie ich zbiło z tropu – nie wiedzieli, co oznacza i jak to interpretować. Ale to się zmieniło podczas rozmowy w Boże Narodzenie 2020 roku.
Zdali sobie sprawę, że termin w równaniach reprezentuje stres. Prawdziwa presja. To samo ciśnienie wywierane przez gorące powietrze wewnątrz unoszącego się balonu lub ciśnienie na tłok w silniku Twojego samochodu.
„Moment, w którym upuściliśmy szpilkę, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że tajemniczy wynik w naszych równaniach mówił nam, że badana przez nas czarna dziura była pod presją – po miesiącach zmagań z nią – był radosny” – wspomina Kuipers.
To ciśnienie jest prawie znikome, to mniej niż 10^54 razy większe od normy Nacisk Na ziemi. Ale jest. Odkryli również, że ciśnienie może być dodatnie lub ujemne, w zależności od konkretnej mieszaniny cząstek kwantowych w pobliżu czarnej dziury. Nadciśnienie to rodzaj, który utrzymuje napompowanie balonu, podczas gdy podciśnienie to napięcie odczuwane w rozciągniętej gumce.
Ich wynik rozszerza ideę czarnych dziur jako jednostek termodynamicznych, które zawierają nie tylko temperaturę i entropię, ale także ciśnienie. Ponieważ ich praca przedstawia jedynie słabą grawitację kwantową i pomija silną grawitację, nie może w pełni wyjaśnić zachowania czarnych dziur, ale jest to ważny krok.
„Nasza praca jest krokiem w tym kierunku i chociaż nacisk wywierany przez badaną przez nas czarną dziurę jest niewielki, fakt, że istnieje, otwiera wiele nowych możliwości, w tym badania astrofizyki, fizyki cząstek elementarnych i fizyki kwantowej”. Calmet zakończył.
Pierwotnie opublikowany na Live Science.
„Introwertyk. Myśliciel. Rozwiązuje problemy. Specjalista od złego piwa. Skłonny do apatii. Ekspert od mediów społecznościowych. Wielokrotnie nagradzany fanatyk jedzenia.”
