Харьцангуйн ерөнхий онолын дагуу хар нүх байдаг нь энгийн баримтыг илэрхийлдэг: аливаа объект үйл явдлын тэнгэрийн хаяанаас цааш хар нүхний зүрхэнд унавал буцах зүйл байхгүй. Эдгээр бүс нутгийн таталцлын хүч маш хүчтэй тул орчлон ертөнцийн хамгийн хурдан үзэгдэл болох гэрэл хүртэл таталцлыг даван туулахад шаардлагатай хурдыг хүрч чадахгүй. Үүний үр дүнд хар нүх үүсдэггүй цахилгаан соронзон цацраг. Гэсэн хэдий ч 1974 онд залуу Стивен Хокинг ямар нэгэн цацраг байдаг гэж санал болгов. Парадоксик сонсогдож байна уу? Энэ бүхэн квант механикийн тухай юм.

Хокингийн цацраг

Энэхүү онолын цацрагийг Хокингийн цацраг гэж нэрлэдэг. Ойролцоогоор - маш бүдүүлэг - энэ нь хар нүхний өөрийнх нь масстай урвуу хамааралтай температурын үр дүнд цацраг туяагаар үүсдэг гэж хэлж болно. Хэрэв илрүүлж чадвал хар нүхнүүд маш удаан ч гэсэн сарниж байна гэсэн үг. Гэсэн хэдий ч математикийн тооцооллоор энэ цацрагийг орчин үеийн багажаар илрүүлэхэд хэтэрхий сул байна.

Юу хийж болох вэ? Лабораторид хар нүхний дууриамалыг дахин бүтээхийг хичээ. Санаа зоволтгүй, энэ нь орон зайг сүйрүүлэхэд хүргэхгүй: эрдэмтэд ийм үзэгдлийг шингэн болон дууны долгионтусгай савны дотор, Bose-Einstein конденсатаас эсвэл оптик шилэн доторх гэрлээс. Физикч Ульф Леонхардт сэтгүүлийн хуудсан дээр Физик ертөнц"Хокингийн цацраг нь бидний бодож байснаас хамаагүй түгээмэл байдаг. Энэ нь астрофизик эсвэл оптик материал дахь гэрэл, шингэний долгион, тэр ч байтугай хэт хүйтэн атомуудаас үл хамааран үйл явдлын давхрага үүсэх бүрт тохиолддог."

Хар нүхнүүдийн доторх шиг хүчтэй таталцлыг манай гараг дээр бий болгох боломжгүй нь ойлгомжтой (мөн үүнд баярлалаа). Энэ тохиолдолд математик хэмжилтүүд нь харьцангуйн ерөнхий онолын хар нүхийг дүрсэлсэн математиктай төстэй юм. Финалын хувьд туршилтын аргасудалгааны баг хэдэн жилийн өмнө Леонхардтын боловсруулсан шилэн кабелийн системийг сонгосон.

Хэрхэн ажилладаг

Оптик шилэн дотор нэг төрлийн сувгийн үүрэг гүйцэтгэдэг микроскопийн хэв маяг байдаг. Шилэнд гэрэл ороход бага зэрэг удааширдаг. Үйл явдлын давхрагын аналогийг бий болгохын тулд утаснуудын дагуу өөр өөр өнгийн хоёр маш хурдан лазер импульс илгээдэг. Эхнийх нь хоёрдугаарт саад болж, үйл явдлын давхрагын нөлөөг бий болгож, шилэн хугарлын илтгэгчийн өөрчлөлтийг ажиглана.

Үүнийг хийсний дараа баг нэмэлт гэрлийн цацраг ашигласан бөгөөд энэ нь сөрөг давтамжтай цацрагийн эрчмийг нэмэгдүүлсэн. Энгийнээр хэлбэл, "сөрөг" гэрэл нь үйл явдлын давхрагаас шууд энерги татсан нь Хокингийн цацрагийг амжилттай дуурайж байгааг илтгэнэ.

Энэ нь батлагдсан уу, үгүй ​​юу?

Үр дүн нь амжилттай болсон ч судалгааны эцсийн хэсэг нь өдөөгдсөн цацраг биш харин аяндаа үүссэн Хокингийн цацрагийг ялгаруулах явдал юм. Энэхүү туршилтын нэгэн адил өдөөгдсөн цацраг нь гадны цахилгаан соронзон нөлөөг шаарддаг бол хар нүхнээс гарч буй Хокингийн цацраг нь аяндаа, өөрөөр хэлбэл гадны өдөөлтгүй байх болно.

Өөр нэг чухал зүйл бол лабораторийн орчинд үйл явдлын давхрагын ойролцоо нөхцөл байдлыг үнэн зөв сэргээх боломжгүй юм. Жишээлбэл, энэ тохиолдолд туршилтын үр дүнд цацраг үүсээгүй гэдэгт 100% итгэлтэй байх боломжгүй, гэхдээ эрдэмтэд эсрэгээрээ гэдэгт итгэлтэй байна.

Ямар ч байсан баг өөр нэг нууцлаг зүйлтэй байсан - олж авсан үр дүн нь судлаачдын хүлээж байсантай давхцаагүй нь тогтоогджээ. "Цаасан дээр бидний тооцоолол Хокингийн цацраг нь бидний ажиглаж байснаас илүү хүчтэй байх ёстойг харуулж байна" гэж Леонхардт тэмдэглэв.

Эйнштейний харьцангуйн ерөнхий онолд квант механик ямар ч үүрэг гүйцэтгэдэггүй тул хар нүхний тухай Шварцшильдын шийдэл нь зөвхөн сонгодог физик дээр суурилдаг. Гэсэн хэдий ч масс, энерги, энтропийг нэг газраас нөгөөд шилжүүлэх чадвартай фотон, нейтрино, электрон зэрэг бөөмс, цацрагийг зөв авч үзэхийн тулд квант механик. Хар нүхний мөн чанарыг бүрэн дүүрэн ойлгож, тэдгээр нь бодис, цацраг туяатай хэрхэн харьцдагийг ойлгохын тулд Шварцшильд уусмалыг квант мужид нэвтрүүлэх шаардлагатай. Энэ нь амаргүй. Утасны онолын дэвшлийг үл харгалзан (түүнчлэн бидний хөндөөгүй бусад аргууд, тухайлбал, гогцооны квант таталцал, мушгиа, топойн онол) бид квант физик болон таталцлын онолыг хослуулах оролдлогын эхний түвшинд байсаар байна. 1970-аад онд квант механик хэрхэн таталцалд нөлөөлж болохыг ойлгох онолын үндэслэл бүр ч бага байсан.

Гэсэн хэдий ч энэ чиглэлээр ажиллаж, квант талбайн (квант хэсэг) тогтмол боловч муруй орон-цаг хугацааны орчинд (таталцлын хэсэг) тархалтыг авч үзэх замаар квант механик ба харьцангуйн ерөнхий онолын хэсэгчилсэн нэгдмэл байдалд хүрч чадсан физикчид байсан. . 4-р бүлэгт дурьдсанчлан, бүрэн нэгдэл нь наад зах нь орон зайн орон зайн квант хэлбэлзлийг төдийгүй орон зайн цаг хугацааны квант хэлбэлзлийг харгалзан үзэх ёстой. Энгийн байхын тулд эхний бүтээлүүдэд энэ хүндрэлийг анхаарч үзээгүй болно. Хокинг хэсэгчилсэн нэгдлийнхээ давуу талыг ашиглаж, сансар огторгуйн маш онцгой бүс нутагт квант талбарууд хэрхэн ажиллах талаар бодож үзсэн. хар нүх. Түүний нээсэн зүйл физикчдийг цөм цочирдуулав.

Энгийн, хоосон, муруй бус орон-цаг хугацааны квант талбайн сайн мэддэг шинж чанар нь квант хэлбэлзлээс болж электрон ба түүний эсрэг бөөм болох позитрон зэрэг хос бөөмсүүд оргүй хоосоноос шууд гарч ирэх боломжийг олгодогт оршино. хэсэг хугацаанд, дараа нь бие биетэйгээ мөргөлдөж, үр дүнд нь харилцан устгадаг. Энэ үйл явц, хосын квант төрөлт, онолын болон туршилтын аль алиныг нь эрчимтэй судалж, тал бүрээс нь задлан шинжилсэн.

Квант хосын төрөлтийн шинэ шинж чанар нь хэрэв нэг хамтрагч эерэг энергитэй бол энерги хадгалагдах хуулиас үзэхэд нөгөө хамтрагч нь ижил хэмжээний энергитэй байх ёстой гэсэн үг юм. сөрөгэнерги гэдэг нь сонгодог орчлонд ямар ч утгагүй ойлголт юм.Гэхдээ тодорхойгүй байдлын зарчмын ачаар бөөмсүүд нэгэнт үүссэн цагт хүлээн авахдаа хэтрүүлэхгүй бол сөрөг энергитэй байхыг зөвшөөрдөг нэгэн төрлийн цоорхой байдаг. Хэрэв бөөмс түр зуур оршдог бол түүний энергийн шинж тэмдгийг тодорхойлоход зарчмын хувьд ямар ч туршилт хангалттай хугацаа байхгүй гэж квант тодорхойгүй байна. Энэ нь хос бөөмсийг квантын хуулиар хурдан устгадаг гол шалтгаан юм. Иймээс квантын хэлбэлзлийн үед огторгуйд хоосон хэвээр байх квантын тодорхойгүй байдлын зайлшгүй үргэлжилсэн тоглолтын дунд хос бөөмс байнга төрж, устаж, төрж, устаж байдаг.

Хокинг хоосон орон зайд биш, харин хар нүхний үйл явдлын тэнгэрийн хаяанд ойрхон квант хэлбэлзлийн хаа сайгүй байдгийг дахин судалжээ. Тэрээр бүх зүйл ердийнх шигээ харагддаг болохыг олж мэдэв. Хос бөөмс нь санамсаргүй байдлаар үүсдэг; бие биенээ хурдан олох; үүний дараа тэдгээрийг устгадаг. Гэхдээ хааяа нэг шинэ зүйл тохиолддог. Хэрэв бөөмс хар нүхний ирмэгт хангалттай ойрхон үүссэн бол тэдгээрийн нэг нь татагдан орж, нөгөө нь сансарт нисч болно. Хар нүх байхгүй үед энэ нь хэзээ ч тохиолддоггүй, учир нь хэрэв бөөмсүүд бие биенээ устгахгүй бол сөрөг энергитэй бөөмс квант тодорхойгүй байдлын хамгаалалтын долгионыг нэвтлэх боломжтой болно. Хокинг хар нүхээр орон зай, цаг хугацааг ингэж эрс мушгиснаар хар нүхний гаднах ажиглагчийн нүдээр сөрөг энергитэй бөөмсүүд нь хар нүхтэй бөөмс болж хувирдаг болохыг ойлгосон. эерэгтүүний доторх азгүй ажиглагчийн энерги. Тиймээс хар нүх нь сөрөг энерги бүхий бөөмсийг хамгаалах аюулгүй газар болж өгдөг тул квант бүрхэвч хийх шаардлагагүй болно. Үүссэн бөөмс нь бие биенээ устгахаас зайлсхийж, бие даасан амьдралаа зарлаж чадна.104

Эерэг энергитэй бөөмсүүд үйл явдлын тэнгэрийн хаяанаас гадагш нисдэг тул алсаас нэг төрлийн цацраг мэт харагддаг. Хокингийн цацраг. Сөрөг энергитэй бөөмсийг хар нүхэнд шингээж авдаг тул шууд ажиглах боломжгүй ч шууд бусаар илрүүлдэг. Эерэг энергитэй бүхнийг иддэг хар нүхний масс нэмэгддэгтэй адил сөрөг энергитэй бүхнийг идвэл багасдаг. Эдгээр хоёр үйл явц нийлж хар нүхийг шатаж буй нүүрс шиг харагдуулдаг: хар нүх нь масс нь багасах тусам гадагшаа цацрагийн урсгалыг тасралтгүй гаргадаг.105 Өөрөөр хэлбэл, хэрэв та квант механикийг нэмбэл хар нүхнүүд бүрэн хар байхаа больсон. . Хокингийн нээлт яг л цэнхэрээс ирсэн боолт шиг байв.

Гэсэн хэдий ч энэ нь ердийн хар нүхийг улаан туяанд халаана гэсэн үг биш юм. Хар нүхнээс бөөмсийн урсгал нисэн оддог тул таталцлын хүчээрээ гайхалтай эсэргүүцлийг даван туулах ёстой. Бөөмүүд нь эрчим хүчээ үүнд зарцуулдаг тул ихээхэн хөргөдөг. Хокинг хар нүхнээс хангалттай хол байгаа ажиглагч ядаргааны цацрагийн үлдэгдэл температур нь хар нүхний масстай урвуу хамааралтай болохыг олж мэднэ гэж тооцоолсон. Манай Галактикийн төвд байдаг шиг асар том хар нүх нь үнэмлэхүй тэгээс дээш триллион градусаас бага температуртай. Нарны масстай хар нүх нь Их тэсрэлтээс үлдсэн 2.7 хэмийн сансрын бичил долгионы фон цацрагийн температураас ч бага хэмийн саяны нэгээс бага температуртай байх болно. Хар нүх нь бүхэл бүтэн гэр бүлд зориулж шарсан мах бэлтгэхэд хангалттай халуун байхын тулд түүний масс нь ойролцоогоор 10 мянга дахин их байх ёстой. илүү массДэлхий, энэ бол сансар огторгуйн хувьд маш бага үнэ цэнэ юм.

Гэсэн хэдий ч хар нүхний температур өөрөө тийм ч чухал биш юм. Хэдийгээр алс холын астрофизикийн хар нүхнээс ирж буй цацраг нь шөнийн тэнгэрийг гэрэлтүүлэх боломжгүй боловч тэдгээр нь үнэхээрТэдэнд байгаа температуртай байна үнэхээрялгаруулна гэдэг нь хар нүх гэсэн Бекенштейн таамаглалыг үгүйсгэх гэж мэргэжилтнүүд яаравчлав гэсэн үг үнэхээрэнтропи байна. Хокинг энэ ажлыг маш сайн гүйцэтгэсэн. Өгөгдсөн хар нүхний температур, ялгаруулах цацрагийг тодорхойлсон түүний онолын тооцоолол нь термодинамикийн стандарт хуулиудын дагуу хар нүхэнд байх ёстой энтропийн хэмжээг тодорхойлоход шаардлагатай бүх өгөгдлийг гаргаж өгсөн. Хариулт нь Бекенштейн таамаглаж байсанчлан хар нүхний гадаргуутай пропорциональ байв.

Ингээд 1974 оны эцэс гэхэд хоёрдугаар хууль дахин хууль болсон. Бекенштейн, Хокинг нарын нээлтүүд нь зөвхөн энгийн бодис, цацрагийн энтропи төдийгүй хар нүхний дотор байрлах ба тэдгээрийн гадаргуугийн нийт талбайгаар тодорхойлогддогийг харгалзан үзвэл нийт энтропи ямар ч нөхцөлд нэмэгддэг болохыг харуулсан. Хар нүхнүүд энтропийн угаалтуур болж, Хоёрдугаар хуулийг зөрчихийн оронд байнга өсөн нэмэгдэж буй эмх замбараагүй ертөнцөд энэхүү хуулийг хэрэгжүүлэхэд идэвхтэй үүрэг гүйцэтгэдэг.

Энэхүү дүгнэлт нь тайвшралыг авчирсан. Олон физикчдийн хувьд статистикийн маргаангүй мэт санагдах үндэслэл дээр үндэслэсэн Хоёрдугаар хууль нь шинжлэх ухаанд бараг байхгүй ариун нандин зүйл болжээ. Түүний дахин амилсан нь дэлхий дахинд бүх зүйл хэвийн болсон гэсэн үг юм. Гэвч цаг хугацаа өнгөрөхөд энтропийн дэвтэрт хоёр дахь хуулийн хүчинтэй эсэх асуудал тийм ч чухал биш гэдгийг харуулсан жижиг боловч чухал бичилт гарч ирэв. Энэнэр төрийн асуудал руу явсан энтропи хадгалах байршил, бид тодорхойлох үед ач холбогдол нь тодорхой болох даалгавар гүн холболтэнтропи ба хооронд гол сэдэвЭнэ бүлэг - мэдээлэл.

Хокинг ба бичил таталцал (БөөлжихСүүлт од)

Ийм тохиолдолд хар нүхийг үүсгэсэн эсвэл түүнд унасан материалын талаарх бусад бүх мэдээлэл (үүнд "үс"-ийг зүйрлэл болгон ашигладаг) хар нүхний үйл явдлын давхрагаас цааш "алга болж" хадгалагдах боловч тэдгээрт нэвтрэх боломжгүй болно. гадны ажиглагчдад.

1973 онд Хокинг Москвад очиж, Зөвлөлтийн эрдэмтэд Яков Зельдович, Алексей Старобинский нартай уулзав. Тэдэнтэй ажлынхаа талаар ярилцахдаа тодорхойгүй байдлын зарчим нь хар нүхнүүд бөөмс ялгаруулах ёстой гэсэн утгатай болохыг түүнд харуулсан. Энэ нь Хокингийн хар нүхний термодинамикийн хоёр дахь хууль (хар нүх жижигрэх боломжгүй) эргэлзээ төрүүлэв, учир нь тэд эрчим хүчээ алдах тусам массаа алдах ёстой.

Түүгээр ч зогсохгүй Жон Уилерийн их сургуулийн төгсөх ангийн оюутан Жейкоб Бекенштейн хар нүхнүүд хязгаарлагдмал, тэгээс өөр температур, энтропитэй байх ёстой гэсэн онолыг дэмжсэн юм. Энэ бүхэн "үсгүй" гэсэн теоремтой зөрчилдөж байв. Хокинг удалгүй теоремоо шинэчилж, квант механик нөлөөг харгалзан үзэхэд хар нүхнүүд тодорхой температурын дулааны цацраг ялгаруулдаг болохыг харуулсан.

1974 онд Хокинг судалгааныхаа үр дүнг танилцуулж, хар нүхнүүд цацраг ялгаруулдаг болохыг харуулсан. Энэ нөлөөг "Хокингийн цацраг" гэж нэрлэх болсон бөгөөд эхэндээ маргаантай байсан. Гэвч 70-аад оны сүүлч, цаашдын судалгаанууд хэвлэгдсэний дараа нээлт нь онолын физикийн салбарт томоохон нээлт болсон гэж хүлээн зөвшөөрөгдсөн.

Гэсэн хэдий ч ийм онолын үр дагаврын нэг нь хар нүх аажмаар масс, энергийг алддаг явдал байв. Үүнээс болж жингээ олж авахаасаа илүү их хэмжээгээр алдаж байгаа хар нүхнүүд багасаж, эцэст нь алга болох ёстой бөгөөд энэ нь одоо хар нүхний "ууршилт" гэж нэрлэгддэг үзэгдэл юм.

1981 онд Хокинг хар нүх уурших үед хар нүхний мэдээлэл эргэлт буцалтгүй алдагддаг гэсэн санаа дэвшүүлсэн нь "хар нүхний мэдээллийн парадокс" гэгдэх болсон. Тэрээр физик мэдээлэл нь хар нүхэнд үүрд алга болж, олон тооны мэдээлэл авах боломжийг олгодог гэж тэр нотолсон физик нөхцөлнэгдмэл байдалд ирэх.

Энэ онол нь квант физикийн хоёр үндсэн зарчмыг зөрчсөн тул маргаантай болсон. Квантын физикфизик системийн бүрэн мэдээлэл-түүний материйн төлөв байдал (масс, байрлал, эргэлт, температур гэх мэт) функц задрах хүртэл долгионы функцэд кодлогддог гэж заасан. Энэ нь эргээд хоёр өөр зарчимд хүргэдэг.

Эхний, квант детерминизм нь одоогийн долгионы функцийг харгалзан ирээдүйн өөрчлөлтийг хувьслын оператороор онцгойлон тодорхойлдог гэж заасан байдаг. Хоёр дахь нь - буцах чадвар - хувьслын оператор байна гэж заасан урвуу тал, энэ нь өнгөрсөн долгионы функцууд бас өвөрмөц гэсэн үг юм. Эдгээр зарчмуудын нэгдэл нь материйн квант төлөв байдлын талаарх мэдээллийг үргэлж хадгалах ёстойг харуулж байна.

Хокинг Эрх чөлөөний одонг хүлээн авахаар Цагаан ордонд

Хар нүх ууршсаны дараа мэдээлэл алга болдог гэж Хокинг үндсэн парадокс үүсгэсэн. Хэрэв хар нүх ууршиж, улмаар квант долгионы функцын талаарх бүх мэдээлэл алга болж чадвал мэдээлэл зарчмын хувьд үүрд алга болж магадгүй юм. Энэ асуулт эрдэмтдийн дунд маргааны сэдэв болж, өнөөг хүртэл бараг шийдэгдээгүй хэвээр байна.

Гэсэн хэдий ч 2003 он гэхэд физикчдийн дунд Хокинг хар нүхэнд мэдээлэл алдагдсан талаар буруу байсан гэдэгтэй санал нэгдэж байв. 2004 онд Дублинд лекц уншихдаа тэрээр Калтекийн Жон Прескиллд (1997 онд хийсэн) энэ сэдвээр бооцоо алдсан гэдгээ хүлээн зөвшөөрсөн боловч энэ парадоксыг арилгах өөрийн гэсэн бөгөөд зарим талаар маргаантай шийдлийг тайлбарлав: магадгүй хар нүхэнд илүү их зүйл байж болно. нэгээс илүү топологи.

Тэрээр 2005 онд "Хар нүхнүүд дэх мэдээллийн алдагдал" сэдвээр нийтэлсэн нийтлэлдээ мэдээллийн парадокс нь орчлон ертөнцийн бүх өөр түүхийг судлах замаар тайлбарладаг бөгөөд хар нүхтэй нэг дэх мэдээллийн алдагдлыг нөгөөд нь тэдгүйгээр нөхдөг гэж үздэг. Үүний үр дүнд 2014 оны 1-р сард Хокинг хар нүхний мэдээллийн парадоксыг өөрийн "хамгийн том алдаа" гэж нэрлэжээ.

Хокинг, Питер Хиггс нар том адрон коллайдер дээр

Стивен Хокинг харьцангуйн ерөнхий онол ба квант механикийг ашиглан хар нүх, сансар судлалын талаарх бидний ойлголтыг өргөжүүлэхээс гадна шинжлэх ухааныг илүү өргөн хүрээний хүмүүст хүргэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэсэн. Тэрээр олон жилийн шинжлэх ухааны карьерынхаа туршид олон алдартай ном хэвлүүлж, олон газар аялж, лекц уншиж, телевизийн нэвтрүүлэг, кинонд тоглосон.

Ажиллах хугацаандаа Хокинг мөн нэр хүндтэй сурган хүмүүжүүлэгч болсон бөгөөд амжилттай суралцсан 39 оюутныг өөрийн биеэр докторын зэрэг хамгаалжээ. Түүний нэр харь гаригийн оюун ухааныг эрэлхийлэх, робот техник, хиймэл оюун ухааныг хөгжүүлэх түүхэнд үлдэх болно. 2015 оны 7-р сарын 20-нд Стивен Хокинг орчлон ертөнц дэх харь гаригийн амьдралыг хайх санаачлага болох Breakthrough Initiatives-ийг эхлүүлэхэд тусалсан.

Стивен Хокинг бол эргэлзээгүй өнөө цагийн хамгийн алдартай эрдэмтдийн нэг юм. Түүний астрофизик ба квант механикийн чиглэлээр хийсэн ажил нь орон зай, цаг хугацааны талаарх бидний ойлголтод нээлт хийхэд хүргэсэн бөгөөд эрдэмтдийн дунд маш их маргаан үүсгэсэн. Олон нийтийн анхаарлыг шинжлэх ухаанд татахын тулд ийм их зүйл хийсэн амьд эрдэмтэн бараг байхгүй.

Хокингт мунхаглалтай тэмцэж, шинжлэх ухааныг хөгжүүлэхийн тулд бүхий л зүйлийг хийсэн өөр нэг нөлөө бүхий, алдартай эрдэмтэн Альберт Эйнштэйнээс нэг зүйл бий. Гэхдээ хамгийн гайхалтай нь Хокингийн амьдралдаа хийсэн бүх зүйл (тодорхой үеэс эхлэн) дегенератив өвчний эсрэг тууштай тэмцлийн төлөө байсан явдал юм. (Жишээ нь, бүрэн хөдөлгөөнгүй байж уншина уу.)

Хокинг эмч нарын үзэж байгаагаар 2 жилийн дотор амиа алдах ёстой байсан өвчнөөр 52 жил гаруй амьдарсан. Хокинг бидэнтэй хамт байхгүй болох өдөр ирэхэд цаг хугацаа түүнийг Эйнштейн, Ньютон, Галилео, Кюри зэрэг хүмүүстэй зэрэгцүүлэн хүн төрөлхтний түүхэн дэх хамгийн агуу эрдэмтдийн нэг болгох нь дамжиггүй.

Дмитрий Трунин

Редактор

Хокингийн цацраг болон Unruh эффект хоёр юугаараа нийтлэг байдаг вэ?

Хокингийн цацраг нь хар нүхний ирмэг дээр үүсч, аажмаар ууршихад хүргэдэг бөгөөд Unruh эффектийн улмаас жигд хурдасч буй ажиглагч нь инерцийн тоон системд байдаггүй тогтмол температуртай бөөмс үүсэхийг хардаг. Эдгээр нөлөөлөл нь үндсэндээ өөр мэт боловч бодит байдал дээр хоёулаа орон зай-цаг хугацааны учир шалтгааны улмаас салгагдсан хоёр бүсийн хилийн ойролцоо вакуум төлөвийн өөрчлөлттэй холбоотой юм. Энэ блогт бид эдгээр хоёр эффектийг харж, яагаад ийм төстэй байдгийг ойлгохыг хичээх болно.

fs999/flickr.com

Эхлэхийн тулд үүнийг санацгаая Ерөнхий онолХарьцангуй онолын хувьд жигд хурдатгалтай систем нь жигд таталцлын талбарт байрлуулсан системээс ялгагдахгүй (өөрөөр хэлбэл инерцийн болон таталцлын масс ижил байна) гэж нэрлэгддэг эквивалент зарчим байдаг. Өөрөөр хэлбэл, сансрын хөлөг дээр дур зоргоороо физик туршилт хийж чадах мөртлөө гадаад ертөнцтэй ямар ч холбоогүй сансрын хөлгийн зорчигчид хөлөг онгоцоо ямар нэгэн том одны таталцлын талбарт байгаа эсэхийг тодорхой хэлж чадахгүй. тогтмол хурдатгалтай хөдөлдөг. Ялангуяа хөлөг онгоцны хурдатгал нь дэлхийн гадаргуу дээрх таталцлын хурдатгалтай тэнцүү бол g, сансрын нисэгчид эх орондоо ирсэн танилуудтайгаа яг адилхан мэдрэмжийг мэдрэх болно.

Нэг жигд хурдасгах системийг дүрслэхийн тулд өнгөрсөн зууны дундуур Вольфганг Риндлерийн нэвтрүүлсэн энгийн хавтгай орон зайн хэмжигдэхүүнийг (Минковски хэмжүүр) санагдуулам хэмжигдэхүүнийг ашиглах нь тохиромжтой. Метрик нь хоёрын хоорондох зайг тооцоолох дүрмийг тодорхойлдог тензор юм оноо өгсөнорон зай-цаг хугацаа. Минковскийн хэмжүүр шиг, Риндлерийн хэмжүүрдиагональ бөгөөд цаг хугацаанаас хамаардаггүй - энгийнээр хэлэхэд хоёр цэгийн хоорондох зайны квадрат нь тэдгээрийн координатын зөрүүний квадратаар бүрэн тодорхойлогддог. Үүний зэрэгцээ ялгаа байдаг: тэнхлэгийн координатын оронд xжигд хурдасч буй ажиглагч хөдөлж байх үед Риндлер хэмжигдэхүүн нь ρ параметрийг ашигладаг. өөрийн хурдатгалажиглагч 1/ρ. Жишээлбэл, сансрын хөлөг, илүү их түлш шатааж, илүү их хурдатгалтай хөдөлдөг, бага координатын утга ρ байна.

Тогтмол хурдатгал нь системийн маш хүчтэй шинж чанар гэдгийг анхаарна уу, учир нь энэ нь түүний хурдыг гэрлийн хурд руу ойртуулж, үүний үр дүнд өөрийн хэмжүүр дэх цаг хугацаа удаан, удаан хөдөлдөг. Жишээлбэл, таталцлын хурдатгалаар хөдөлж буй сансрын хөлөг g, 13 тэрбум гэрлийн жилийн зайг (ажиглах боломжтой Ертөнцийн захад хүрэх болно!) зуу хүрэхгүй жилийн дотор туулах болно, хэрэв бид цаг хугацааг өөрийн жишиг хүрээнд тооцвол. Үүний зэрэгцээ Дэлхий дээр Шинэ он 13 тэрбум удаа үнэнч шударгаар тэмдэглэх болно (үнэндээ бага, учир нь дэлхийн эргэлт аажмаар удааширч, энэ хугацаанд гараг дээрх бүх амьдрал алга болно, магадгүй гараг өөрөө алга болно, гэхдээ энэ нь Одоо гол нь биш).

Минковски хэмжүүрээс Риндлер хэмжигдэхүүн рүү шилжих үеийн орон зай-цаг хугацааны өөрчлөлт

Нэмж дурдахад Риндлер хэмжигдэхүүн нь "ердийн" Минковскигийн орон зайг бүрэн хамарч чадахгүй, учир нь орон зай-цагт тогтмол хурдатгалтай хөдөлж байх үед учир шалтгааны улмаас салангид бүсүүд үүсдэг. Үнэн хэрэгтээ, ажиглагчаас хангалттай хол байгаа O цэгээс ялгарах гэрлийн туяа (зураг харна уу) хэзээ ч гүйцэж чадахгүй - байнгын хурдатгалын улмаас ажиглагчийн хурд аажмаар гэрлийн хурд руу ойртож, ойртох болно. гэрлийн хурд нь хязгааргүйд бүрэн хувирдаг. Өөрөөр хэлбэл, ажиглагчийн харах талбар нь тодорхой гэрлийн конусаар хязгаарлагддаг бөгөөд энэ конусын гаднах цэгүүд нь ажиглагчдад нэвтрэх боломжгүй байдаг тул орон зай-цаг нь учир шалтгааны улмаас салгагдсан хэд хэдэн бүсэд хуваагддаг. Хурдасгагч ажиглагч байрлаж буй бүсийн хилийг дуудна Риндлерийн давхрага. Шинж чанараараа Риндлерийн давхрага нь хар нүхний үйл явдлын давхрагатай төстэй бөгөөд орон зай-цаг хугацааг учир шалтгааны улмаас салангид бүсүүдэд хуваадаг болохыг анхаарна уу.

Одоо Хокингийн цацраг болон Unruh эффектийн хоорондын зүйрлэл бараг тодорхой болж байна. Үнэхээр, чанарын хувьдХокингийн цацраг үүсэхийг дараах байдлаар тайлбарлаж болно. Вакуумын квант хэлбэлзэлд хүргэдэг тодорхойгүй байдлын зарчмын улмаас - тодорхой төрлийн бөөмстэй тохирох талбайн хамгийн бага энергийн төлөв - виртуал бөөмс-эсрэг бөөмсийн хосууд орон зайд байнга үүсдэг. Ийм хос хар нүхний үйл явдлын давхрагын ойролцоо гарч ирэхэд виртуал бөөмсийн нэг нь нүхэнд баригдан гадаад ертөнцөд алга болж, нөгөө нь хязгааргүйд очиж Хокингийн цацрагийн нэг хэсэг болдог. Түүгээр ч зогсохгүй системийн онцлогоос шалтгаалан хязгааргүйд хүрэх бөөмсийн энергийн спектр нь температурын спектртэй төстэй болж хувирдаг, өөрөөр хэлбэл массаас хамааран хар нүхэнд тодорхой температур тогтоож болно. Нөгөөтэйгүүр, ижил процесс нь жигд хурдасч буй ажиглагчийн Риндлерийн давхрагын ойролцоо тохиолдож болох тул энэ системд температурын спектртэй цацраг үүсэх ёстой. Үнэндээ энэ бол Unruh эффект юм.

Мэдээжийн хэрэг, асуудлыг ийм чанарын хувьд авч үзэх нь бүхэлдээ зөв биш юм. Уг нь Хокингийн цацрагт бөөмс болон эсрэг бөөмсийн тоо ижил байх ёстой юм шиг байгаа нь бие биенээ бүрэн устгаж фотон болж хувирах ёстой гэсэн үг юм. Бодит байдал дээр энэ нь бүхэлдээ үнэн биш бөгөөд Хокинг болон Unruh эффектүүд арай өөрөөр үүсдэг. Физикчид ихэвчлэн бөөмийн төрөл бүрийн хөдөлгөөний тэгшитгэлийг бичиж, гадны хүч - таталцал эсвэл тогтмол хурдатгал - тэдгээрийн шийдэлд хэрхэн нөлөөлж байгааг харгалзан үздэг.

Үүний үр дүнд сайтар бодож үзэхэд вакуум төлөв байдал, түүнчлэн бөөмсийн тооны операторууд гарч ирдэг. Н(энэ нь тухайн төлөв дэх бөөмсийн тоог тодорхойлдог) ба энерги-моментийн тензор Тμν (тухайн төлөв дэх бөөмсийн энергийг тодорхойлдог) -ийг дахин тодорхойлох шаардлагатай. Ердийн тохиолдолд эдгээр бүх операторуудын вакуум дундаж нь тэгтэй тэнцүү байна. Гэсэн хэдий ч системд гадны хүчийг нэмэх үед хэт тодорхойлогдсон операторуудыг инерцийн лавлагааны системд сууж буй хязгааргүйд байгаа ажиглагчийн харгалзах хоосон орон зайн вакуум төлөвийн дундажийг тооцох ёстой. Үүнээс үүдэн дундаж утгууд нь тэгээс ялгаатай бөгөөд үүнийг жинхэнэ бөөмс (дундаж) үүссэн гэж тайлбарлаж болно.<Н> ≠ 0) ба температурын спектр (дундаж<Тμν > ~ exp[− Э/Т], Хаана Э- бөөмийн энерги, Т- температур). Үнэндээ эдгээр нь Стивен Хокинг, Уильям Унрух нарын алдартай бүтээлүүдэд томъёолсон мэдэгдлүүд юм.

Тиймээс Хокингийн цацраг болон Unruh эффектийн аль аль нь орон зай-цаг хугацааны учир шалтгааны улмаас салгагдсан хоёр бүсийн хилийн ойролцоох вакуум хэлбэлзэлтэй, эсвэл илүү нарийвчлалтайгаар шинжлэх ухааны үүднээс вакуум гэж нэрлэгддэг талбайн үндсэн төлөвийн өөрчлөлттэй холбоотой юм. дахин хэвийн болгох. Түүгээр ч барахгүй эквивалент зарчмын улмаас Хокингийн цацраг болон Unruh эффект нь үнэн хэрэгтээ ижил үйл явцын илрэл гэж хэлж болно. Харьцангуйн ерөнхий онол ба квант талбайн онол хоёрын аль алиныг нь авч үзэх боломжийн зааг дээр эквивалент зарчмын талаар ярих шаардлагатай байгааг тэмдэглэх нь зүйтэй.

Онолын физикт нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн хандлагыг ашигладаг Unruh эффектийн хялбаршуулсан боловч харьцангуй нарийн гаргалгааг физикч Форд, О'Коннелл нарын нийтлэлд үндэслэн бичсэн Роман Парпалакын "The Unruh Effect" блогоос олж болно. Чанарын тайлбар. Unruh эффектийн тухай онолын физикч Эмил Ахмедовын түүхээс сонсож болох бөгөөд түүний ярилцлагаас Хокингийн цацрагийн талаар уншиж болно.