Glavni Novice Nenavaden matematični izraz spremeni naš celoten pogled na črne luknje

Nenavaden matematični izraz spremeni naš celoten pogled na črne luknje

Enačbe, ki definirajo črne luknje in črvine, napisane na tabli.

(Zasluge za sliko: Shutterstock)

Črne luknje postajajo iz dneva v dan bolj čudne. Ko so znanstveniki v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja prvič potrdili obstoj velikanov, smo mislili, da gre za precej preprosta, inertna trupla. Nato je slavni fizik Stephen Hawking odkril, da črne luknje niso ravno črne in dejansko oddajajo toploto. In zdaj sta dva fizika ugotovila, da nekakšni temni predmeti pritiskajo tudi na okolico.

Ugotovitev, da tako preprosta, nerotirajoča črne luknje imeti pritisk in temperaturo je še bolj vznemirljivo glede na to, da je bilo popolno presenečenje,' je v izjavi dejal soavtor Xavier Calmet, profesor fizike na Univerzi v Sussexu v Angliji.

Sorodno: 8 načinov, kako vemo, da črne luknje res obstajajo

Calmet in njegov podiplomski študent Folkert Kuipers sta preučevala kvantne učinke blizu dogodkovnih obzorij črnih lukenj, kar je hudičevo težko določiti. Da bi se tega lotili, so raziskovalci uporabili tehniko za poenostavitev svojih izračunov. Med delom se je v matematiki njihove rešitve pojavil nenavaden izraz. Po mesecih zmede so ugotovili, kaj ta na novo odkrit izraz pomeni: bil je izraz pritiska, ki ga proizvaja črna luknja. Nihče prej ni vedel, da je to mogoče, in to spreminja način razmišljanja znanstvenikov o črnih luknjah in njihovih odnosih s preostalim vesoljem.

Računalniška umetnina črne luknje.

(Zasluge za sliko: Science Photo Library - MARK GARLICK prek Getty Images)

(odpre se v novem zavihku)

Hawkingov motor

V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je Hawking postal eden prvih fizikov, ki je to uporabil kvantna mehanika poskušati razumeti, kaj se dogaja na obzorju dogodkov - območju okoli črne luknje, izven katerega ne more uiti nič, niti svetloba. Pred tem delom so vsi samo domnevali, da so črne luknje preprosti predmeti. Po navedbahsplošna relativnost, teorija gravitacije, ki je prva predlagala, da bi lahko obstajale črne luknje, ni nič posebnega glede obzorja dogodkov. Horizont dogodkov je 'meja' črne luknje, ki opredeljuje območje, kjer bi za izstop iz črne barve bilo potrebno potovati hitreje od svetlobe. Toda to je bila samo namišljena črta v vesolju - če bi jo slučajno prečkali, sploh ne bi vedeli, da ste jo, dokler se ne bi poskušali obrniti in oditi.

Sorodno: 8 načinov, kako lahko vidite Einsteinovo teorijo relativnosti v resničnem življenju

Hawking je vse to spremenil. Spoznal je, da lahko kvantna pena, ki se nanaša na morje delcev, ki nenehno pokajo v in iz obstoja v vakuumu prostora-časa, vpliva na ta poenostavljen pogled na obzorje dogodkov. Včasih se pari delcev spontano pojavijo iz praznega vakuuma prostor-čas , nato pa se medsebojno uničijo v blisku energije in vrnejo vakuum v prvotno stanje. Ko pa se to zgodi preblizu črne luknje, lahko eden od dvojic ostane ujet za obzorjem dogodkov, drugi pa pobegne. Črna luknja ostane na računu za energijo za pobegli delec, zato mora izgubiti maso.

Ta proces je zdaj znan kot Hawkingovo sevanje in s temi izračuni smo odkrili, da črne luknje niso povsem, 100 % črne. Malo se svetijo. Ta sij, znan kot 'sevanje črnega telesa', pomeni, da imajo tudi toploto in entropijo (imenovano tudi 'motnja') in vse druge izraze, ki jih običajno uporabljamo za veliko bolj vsakdanje predmete, kot so hladilniki in avtomobilski motorji.

Učinkovita tehnika

Hawking se je osredotočil na to, kako je kvantna mehanika vplivala na bližino črne luknje. Vendar to še ni vsa zgodba. Kvantna mehanika ne vključuje silegravitacija, in popoln opis dogajanja v bližini obzorij dogodkov bo moral vključevati kvantno gravitacijo ali opis, kako močna gravitacija deluje na majhnih lestvicah.

Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja so različni fiziki poskušali svojo srečo tako pri razvoju teorije kvantne gravitacije kot pri uporabi teh teorij v fiziki obzorja dogodkov. Zadnji poskus izhaja iz te nove študije Calmeta in Kuipersa, objavljene septembra v reviji Fizični pregled D .

'Čeprav je pritisk, ki ga izvaja črna luknja, ki smo jo preučevali, majhen, dejstvo, da je prisotna, odpira številne nove možnosti, ki obsegajo študij astrofizike, fizike delcev in kvantne fizike.'

Xavier Calmet

'Hawkingova znamenita intuicija, da črne luknje niso črne, ampak imajo spekter sevanja, ki je zelo podoben spektru sevanja črnega telesa, naredi črne luknje idealen laboratorij za raziskovanje medsebojnega delovanja kvantne mehanike, gravitacije in termodinamike,' je dejal Calmet.

Brez popolne teorije kvantne gravitacije je dvojec uporabil tehniko približevanja, imenovano teorija učinkovitega polja ali EFT. Ta teorija predpostavlja, da je gravitacija na kvantni ravni šibka - predpostavka, ki vam omogoča, da naredite nekaj napredka v izračunih, ne da bi vse razpadlo, kot se zgodi, ko je gravitacija v kvantnem režimu modelirana kot izjemno močna. Čeprav ti izračuni ne bodo razkrili celotne slike obzorja dogodkov, lahko prinesejo vpogled okoli in znotraj črne luknje.

'Če upoštevate črne luknje samo v splošni relativnosti, lahko pokažete, da imajo singularnost v svojih središčih, kjer se morajo zakoni fizike, kot jih poznamo, zlomiti,' je pojasnil Calmet. 'Upamo, da bomo, ko bo kvantna teorija polja vključena v splošno teorijo relativnosti, morda lahko našli nov opis črnih lukenj.'

Tukaj prihaja pritisk

Calmet in Kuipers sta raziskovala termodinamiko črnih lukenj z uporabo EFT v bližini obzorja dogodkov, ko sta opazila, da se je v njunih enačbah pojavil čuden matematični izraz. Sprva jih je ta izraz popolnoma osramotil – niso vedeli, kaj pomeni in kako si ga razlagati. Toda to se je spremenilo med pogovorom na božični dan 2020.

Ugotovili so, da člen v enačbah predstavlja pritisk. Dejanski, pravi pritisk. Enak pritisk, kot ga povzroča vroč zrak v dvigajočem se balonu, ali pritisk na bat v motorju vašega avtomobila.

'Trenutek padca, ko smo spoznali, da nam skrivnostni rezultat v naših enačbah pove, da ima črna luknja, ki smo jo preučevali, pritisk – po mesecih spopadanja z njim – je bil vznemirljiv,' se je spominjal Kuipers.

Ta pritisk je skoraj absurdno majhen, manj kot 10^54-krat manjši od standardnegazračni tlakna Zemlji. Ampak tam je. Ugotovili so tudi, da je tlak lahko pozitiven ali negativen, odvisno od določene mešanice kvantnih delcev v bližini črne luknje. Pozitiven tlak je tisti, ki ohranja balon napihnjen, medtem ko je negativni tlak napetost, ki jo čutite v raztegnjenem gumijastem traku.

Njihov rezultat razširja idejo o črnih luknjah kot termodinamičnih entitetah, ki nimajo samo temperature in entropije, ampak tudi pritisk. Ker njihovo delo modelira samo šibko kvantno gravitacijo in zanemarja močno gravitacijo, ne more popolnoma razložiti obnašanja črnih lukenj, vendar je pomemben korak.

'Naše delo je korak v tej smeri, in čeprav je pritisk, ki ga izvaja črna luknja, ki smo jo preučevali, majhen, dejstvo, da je prisotna, odpira številne nove možnosti, ki obsegajo študij astrofizike, fizike delcev in kvantne fizike, « je zaključil Calmet.

Prvotno objavljeno na Live Science .

Zanimivi Članki