Hoking bugʻlanishi

Qora tuynukning sekin nuri va oxirgi chaqnashi: u qanday tugashi va qanday koʻrinishi

Faraz: fizika qogʻozda bunga yoʻl qoʻyadi, lekin hech kim koʻrmagan. Hammasi bugungi nazariyaga muvofiq.

Qadamma-qadam

Porlayotgan qora tuynuk

Bundan oldin qora tuynuk mukammal yutuvchi edi: yorugʻlik kiradi, hech narsa chiqmaydi, shuning uchun uning harorati umuman yoʻqdek tuyulardi. Yakob Bekenshteyn 1972-yilda uning harorati boʻlishi kerakligini aytdi. Hoking avval shubha qildi, keyin oʻz hisobida tuynuk haqiqatan nurlanishini topdi.

Harorat ħc³ / 8πGMk, yaʼni massa oshgani sari kamayadi. Bitta Quyosh uchun u taxminan 62 nanokelvin, nur esa atigi 9 × 10⁻²⁹ vatt olib yuradi, osmonning fon nurlanishi esa tuynukka yuzlab vatt bilan quyiladi.

Haqiqiy qora tuynukda bu nurni hech kim koʻrmagan. Bu yerda u ochiq koʻk rangda chizilgan, chunki koʻrish uchun juda zaif. Qora soya va uning atrofida egilgan yulduzlar umumiy nisbiylik aytganidek tuynuk geometriyasi orqali kuzatiladi.

Nur qayerdan keladi

Juftlar tasviri qoʻpol, Hoking uni faqat tushuntirish uchun ishlatgan. Uning hisobi qulayotgan yulduzning egri fazosidagi kvant maydonlarini koʻrdi va qulashdan uzoq vaqt keyin uzoqdagi kuzatuvchi zarralar oqib chiqishini, issiq jism nuri namunasida koʻrishini topdi.

Oʻlcham chiroyli qoidaga amal qiladi: nurning eng yorqin toʻlqin uzunligi tuynuk radiusining taxminan 16 baravari, massasi qanday boʻlmasin. Bir necha kilometr kenglikdagi tuynuk oʻnlab kilometr uzunlikdagi radiotoʻlqinlarda porlaydi. Proton kattaligidagi tuynuk gamma nurlarda porlardi.

Energiya tuynukning oʻz massasidan chiqadi: qochgan har bir kvant biroz olib ketadi, shuning uchun tuynuk yengillashadi. Bu yerda oqib chiqayotgan uchqunlar chizilgan, chunki hech bir koʻz ularni koʻrmaydi.

Tuynuk qanday yasaladi

Retsept hech oʻzgarmaydi: bir massani oling va uning hammasini radiusi 2GM/c² boʻlgan shar ichiga joylang. Yerni marvarid kattaligigacha, Quyoshni olti kilometr kenglikkacha siqish kerak. Hech narsa qoʻshilmaydi: uzoqdan tuynuk asl jism kabi tortadi. Faqat juda yaqinda hech narsa chiqa olmaydi.

Yulduzlar buni oʻzlari qiladi. Taxminan yigirma Quyosh yoki undan ogʻir yulduzning yoqilgʻisi tugaganda, uning yadrosi endi oʻzini tutib tura olmaydi va soniyaning bir boʻlagida quladi, bir necha Quyoshdan oʻnlab Quyoshgacha tuynuk qoldiradi. Rasm buni uzoqdagi kuzatuvchi koʻrganidek kuzatadi: sirt gorizontga sudraladi va nuri soniyaning bir necha yuz milliondan bir ulushida soʻnadi (Oppengeymer va Snayder, 1939).

Issiq porlab, bizning umrimizda oʻladigan kichkina tuynuk esa boshqa masala. Nazariya ruxsat beradigan eng kichigi Plank massasiga ega, 2,2 × 10⁻⁸ kilogramm, va uni yasash taxminan 10¹⁶ TeV energiya talab qiladi. Katta adron kollayderi protonlarni 13,6 TeV da toʻqnashtiradi, taxminan million milliard marta kam.

Qoʻshimcha yashirin oʻlchamli baʼzi nazariyalar bu narxni kollayder yetadigan darajaga tushirardi, va uning tajribalari darhol bugʻlanadigan kichkina tuynuklarni qidirdi. Birontasi chiqmadi. Tabiat yasagan boʻlishi mumkin boʻlgan kichkina tuynuklar keyin keladi.

U kichrayadi va isiydi

Qoidalar oddiy. Harorat 1 taqsim massaga, quvvat 1 taqsim massa kvadratiga, umr esa massa kubiga oʻxshab ketadi: ikki barobar ogʻir tuynuk sakkiz barobar uzoq yashaydi. Yoʻqotilgan massani lahza-lahza qoʻshish Hokingning umr formulasini beradi.

Grafik bitta tuynukni butun umri boʻyi kuzatadi. Deyarli butun umr davomida deyarli hech narsa oʻzgarmaydi: yarmida massaning beshdan toʻrt qismi hali bor. Faqat oxirgi lahzalarda massa tushib ketadi va harorat sakraydi.

Bu Hokingning formulasi, uni hech kim haqiqiy qora tuynukda sinamagan. Rasmdagi nur chizilgan.

Uzoq kutish

Kosmik mikrotoʻlqinli fon bugun 2,725 kelvin va fazo choʻzilgani sari soviydi. Faqat taxminan 4,5 × 10²² kilogrammdan yengil, Oy massasining oʻndan oltisi, tuynuk osmondan issiqroq. Yulduz yaratgan har bir tuynuk ancha ogʻir, shuning uchun hammasi hali oʻsadi.

Standart tasvirda qorongʻi energiya choʻzilishni abadiy davom ettiradi, fon esa har 17 milliard yilda e barobar soviydi. Bitta Quyoshli tuynuk haroratigacha tushishi uchun taxminan 18 shunday davr kerak, hozirdan taxminan uch yuz milliard yil.

Rasmdagi osmon kutishni koʻrsatish uchun xiralashadi. Bundan ancha oldin yulduzlar oʻchgan boʻladi va boshqa galaktikalar koʻzdan gʻoyib boʻladi. Xiralashish chizilgan.

Kichiklari

Bunday tuynukning radiusi taxminan 2,6 × 10⁻¹⁶ metr, protonnikining uchdan biri, va 7 × 10¹¹ kelvinda porlaydi. Uning umri koinotning yoshiga teng: eng boshida yaralgan boʻlsa, bugun oʻlardi. Yengilroqlari allaqachon yoʻq boʻlgan boʻlardi.

Gʻoya shuki, ilk koinotning oʻrtachadan biroz zichroq hududlari qulagan boʻlishi mumkin, Zeldovich va Novikov 1966-yilda taklif qilganidek, Karr va Hoking 1974-yilda ishlab chiqqanidek. Hech narsa birortasi shunday qilganini koʻrsatmaydi.

Ogʻirroq birlamchi tuynuklar hali ham atrofda boʻlardi, baʼzilari qorongʻi materiya sifatida taklif qilingan. Kuzatuvlar massalarning koʻpini chiqarib tashlaydi, lekin baʼzi boʻshliqlar ochiq qoladi. Burchak oʻlayotgan tuynuk proton yonida qanchalik kichik boʻlishini koʻrsatadi.

Oxirgi soniya

Shunda uning harorati taxminan 5 × 10¹⁷ kelvin, Katta adron kollayderidagi toʻqnashuvlardan ancha issiq. Mavjud har xil zarra oqib chiqardi, balki hali kashf etilmaganlari ham, atigi 7 × 10⁻²² metr kenglikdagi tuynukdan.

Aynan oxirida nima boʻlishi maʼlum emas. Massa Plank massasiga, taxminan 22 mikrogrammga yaqinlashganda, Hoking hisobi ishonchli boʻlmay qoladi va kvant gravitatsiya nazariyasi kerak boʻladi. Teskari sanash bunga taxminan 10⁻³⁹ soniyada yetadi. Baʼzilar kichkina qoldiq qoladi deb oʻylaydi.

Rasm teskari sanashni koʻrsatadi: tuynuk kichrayadi, chizilgan nur esa chaqnash butun koʻrinishni toʻldirguncha yoyiladi va yorqinlashadi. U gamma nurlar va zarralardan iborat boʻlardi, ularni koʻrib boʻlmaydi.

Axborot qayerga ketadi?

Nur ichiga tushgan narsadan iz qoldirmay chiqqandek: bitta kitob va bitta tosh bir xil nur berishi mumkin. Lekin kvant fizikasi axborot hech qachon yoʻq qilinmasligini aytadi. Bu axborot paradoksi hali ham fizikaning eng chuqur topishmoqlaridan biri.

Hoking bu qiyinchilikka 1976-yilda ishora qildi. Butunlay bugʻlanadigan tuynuk faqat issiqlik nurlanishini qoldiradi, issiqlik nurlanishi esa tuynukni nima yaratganidan qatʼi nazar bir xil. Shunday boʻlsa, ichiga tushgan narsa yoʻqoladi, kvant mexanikasi buni taqiqlaydi.

1993-yilda Don Pej axborot saqlansa nurlanish entropiyasi qanday oʻzini tutishi kerakligini koʻrsatdi: tuynukning taxminan yarmi ketguncha oshadi, keyin qaytib tushadi. Hokingning asl hisobi faqat oshadigan egri chiziq beradi. Burchak ikkalasini ham eskiz qiladi.

2019-yilda bir necha guruh tushadigan qismni orollar deb ataladigan qoʻshimcha fazo boʻlaklarini hisoblaydigan hisoblardan oldi. Ular soddalashtirilgan modellarda ishlaydi. Haqiqiy qora tuynuk uchun savol ochiq qolmoqda.

Birortasini koʻrgan kishi bormi?

Yoʻq. Hech bir qora tuynuk porlagani koʻrilmagan, kichkinasining oxirgi chaqnashi ham topilmagan. Lekin 2016-yilda Jeff Steinhauer juda sovuq atomlar bulutidagi tovushli «qora tuynuk» chetida shunga oʻxshash nurni koʻrdi.

Steinhauerning rubidiy atomlari bulutida oqim undagi tovushdan tezroq edi, shuning uchun tovush toʻlqinlari qaytib chiqa olmasdi, yorugʻlik qora tuynukdan chiqa olmagani kabi. Chetda Hoking usuli beradigan namunada tovush kvantlari juftlari paydo boʻldi. Bu matematika ishlashini koʻrsatadi; bu gravitatsiya emas.

Osmonda kichkina tuynuklarning oxirgi chaqnashlarini qidirish birontasini topmadi. Fermi Katta Maydon Teleskopi va HAWC kabi teleskoplar bunday chaqnashlarni yiliga kub parsekka taxminan oʻn mingdan kam bilan cheklab qoʻydi.

Demak, Hoking nurlanishi haqiqiy qora tuynukda hech kim koʻrmagan eng sevimli bashorat. Bu yerdagi hech narsa koʻrilmagan, rasmlardagi nur va chaqnash esa chizilgan.