"Zamanın Kısa Tarihi" ne ek olarak, Hawking hakkında bunu bilmelisiniz!
Yazar: Ulusal Astronomik Gözlemevleri, Çin Bilimler Akademisi Mezunu Xiao Guo
Şekil 1 Hawking'in Mayıs 2006'da çekilmiş fotoğrafı
14 Mart'ta ünlü İngiliz fizikçi Stephen William Hawking 76 yaşında evinde öldü.
Hawking söz konusu olduğunda, insanlar genellikle onun ikonik tekerlekli sandalyesini ve en çok satan kitabı "Zamanın Kısa Tarihi" ni düşünür. Ancak bir fizikçi olarak işinden bahsetmişken, profesyonellerin yanı sıra, birçok insanın bilimde ne yaptığını bilmediğinden korkuyorum.
Hawking'in bir defasında kitabında fiziksel kusurları nedeniyle pratik bir konuyla ilgili belirli bilgileri öğrenmek için fazla enerjisi olmadığını, bu nedenle belirli ve karmaşık pratik problemlerin araştırılmasından kaçınmaya çalıştığını söylediğini hatırlıyorum. Kozmoloji, kara delikler ve kuantum yerçekimi üzerine soyut teorik araştırmalar yapıyor.
Peki, Hawkingin önemli bilimsel araştırma başarıları nelerdir? Fiziğin gelişimine nasıl katkı sağladı? Editörü dinleyeyim.
Tekillik teoremi
Şekil 2 Big Bang evren modeli
1922'de Friedmann (Friedmann), evrenin büyük patlama tekilliği (büyük patlama tekilliği) adı verilen bir tekillikten kaynaklandığına dair kozmolojik modeli önerdi, evrenin yoğunluğu sonsuz olacak, aynı zamanda evren olarak da bilinir. Orijinal tekillik.
1931'de gökbilimci Chandrasekhar beyaz cücelerin kütle sınırını ortaya koyduktan sonra, büyük yıldızların sonraki yıllarındaki kaderinin daha fazla spekülasyona ihtiyaç duyduğunu fark etti, ancak başka bir gökbilimci Eddington, kara delikleri kategorik olarak reddetti ( Zaman ve uzay tekilliği) mevcuttur.
1933'te Oppenheimer ve diğerleri, Chandrasek'in çalışmalarını nötron yıldızlarına kadar genişletti. Yeterince büyük kütleye sahip küresel simetrik yıldızların ileri bir aşamaya evrimleştiğine işaret ettiler. Nötron dejenerasyonu kütleçekimsel daralmaya direnemeyeceğinden, kaçınılmaz olarak Sonsuz bir yoğunluğa çökecek şekilde sonsuzca küçülen bir uzay-zaman tekilliği Daha sonra, esasen bir kara deliğin oluşumunu tanımlayan ilk doğru çözümdür.
Ne yazık ki, o zamanlar, Einstein dahil birçok fizikçi, bu uzay-zaman tekilliklerinin gerçek evrenimizde gerçekten var olacağına inanmıyordu. Onlar düşünür: Kara deliğin tekilliğine yıldız modelinin ideal küresel simetri çöküşü neden olurken, evrenin orijinal tekilliği, evren modelinin tekdüzeliği ve izotropisinden kaynaklanır, ancak gerçek yıldız ve evren modeldeki gibi tam simetriye sahip olamaz. Cinsiyet, dolayısıyla zaman ve mekanın tekilliği gerçek dünyada olmayacak.
Bununla birlikte, Hawking ve Penrose (Penrose), 1965'ten 1970'e kadar soyut akıl yürütme yoluyla kanıtladılar. Simetri hipotezi gerekli olmasa bile, büyük yıldızların geç çöküşüyle oluşan kara deliğin ve evrenin orijinal tekilliğinin belirli koşullar altında olduğunu göstermek için benzersiz araştırmalar yaptılar. Aşağı kaçınılmazdır.
Layman'ın terimleriyle, tekillik teoremi, kara deliklerin özellikle güçlü yerçekimi, enerji koşulları ve nedensel koşulların koşullarını karşıladıkları sürece gerçek dünyamızda var olabileceği anlamına gelir.Evren, sadece saf bir idealde değil, tekillikte de doğabilir. model.
Şekil 3 Farklı kütlelerdeki yıldızların evriminin kaderi. Büyük yıldızlar sonunda kara delikler oluşturmak için çökecekler (şeklin sağ alt köşesinde bulunan, birikme diski ve kara deliğin jetleri çizilir)
Son yıllarda çok sayıda astronomik gözlem de birçok kara delik keşfetti.Özellikle yerçekimsel dalgaların başarılı bir şekilde tespit edilmesi, karadeliklerin varlığını şüphesiz destekleyen birçok çift kara delik sinyalini (GW150914 gibi) doğrudan tespit etti; ayrıca birçok astronomik gözlemsel kanıt da var. (Örneğin, kozmik mikrodalga fon radyasyonunun tahmini, kozmik elementlerin bolluğu vb.) Big Bang evren modelinin tahminlerini destekler. Big Bang evren modeli hala kozmolojimizin standart modelidir.
Tekillik teoremi yoksa, bu modeller sadece sonsuza kadar ideal modeller olabilir ve gerçeklikle bütünleştirilemez.
Şekil 4 Simüle edilmiş kara delik görünümü (şeklin ortasında)
Kara delik termodinamiği
1972'de Hawking ve Bardeen ve Carter kara delik mekaniği üzerine bir makale yazdılar ve bir kara deliğin mekanik özelliklerinin iki fiziksel büyüklükle tanımlanabileceğine işaret ettiler: Kara delik ufkunun alanı ile Ufuk yüzeyindeki yerçekimi (Yüzey yerçekimi), bu iki miktar termodinamiğe benzer entropi ile sıcaklık Yani kara deliğin entropisi ve sıcaklığı da tanımlanabilir. Bu benzerliğe dayanarak, termodinamiğin dört yasasını verdiler. Kara delik mekaniğinin dört yasası , Hawkingin 1971i dahil Kara deliğin azalmayan sınır alanı teoremi (böyle de adlandırılır Hawking Teoremi , Kara deliğin sınırının kara deliğin olay ufku olduğu (ufuk olarak anılır) kara delik mekaniğinin ikinci yasasıdır.
Bir kara deliğin güçlü yerçekimi kuvveti nedeniyle, dışarıdan maddeyi görsel arayüzüne emmeye devam edecek, ancak görsel arayüzdeki madde kaçamaz (daha sonra tanıtılacak olan Hawking radyasyonu hariç), bu nedenle kara delik, yalnızca içeri girip çıkabilen bir parça gibidir. "Yılan yiyen", zaman ilerledikçe kütlesi daha da büyür ve karşılık gelen görsel arayüz alanı da herhangi bir azalma olmaksızın daha da büyür.
Örneğin, en basit küresel simetrik Schwarzschild (Schwarzschild) kara deliği için, ufku bir küredir ve alanı, kara deliğin kütlesinin karesiyle orantılı olan Schwarzschild yarıçapının karesiyle orantılıdır. Bu nedenle, bir kara deliğin kütlesi azalmadan sadece artar ve olay ufku alanı da azalmadan artar. Bu teorem termodinamiğin ikinci yasasına çok benzer - entropi artışı ilkesi. Başka bir örnek olarak, örneğin, iki küçük kara delik birleştirilerek büyük bir kara deliğe dönüştürülebilir ve büyük kara deliğin olay ufku alanı, önceki iki küçük kara deliğin ufuk alanlarının toplamından daha büyük olacaktır, aksine büyük bir kara delik olmayacaktır. Otomatik olarak iki küçük kara delik haline gelir.
Bunun klasik kara delik termodinamiği olduğu, sadece genel göreliliğin kullanıldığı ve şimdilik kuantum teorisine ihtiyaç olmadığı unutulmamalıdır.
Yerçekimi dalgası tespiti, teorik hesaplamalarla uyumlu olan bu tür birçok çift kara delik birleşme olayını da tespit etti.
Şekil 5 Çift kara deliklerin sanatsal hayal gücü (LIGO resmi web sitesinden alınan resim)
Hawking radyasyonu
Hepimizin bildiği gibi, genel görelilik, yerçekiminin varlığını kavisli uzay-zamanla değiştirir. Genel görelilik teorisinin ortaya çıkmasından sonra, insanlar kavisli uzay-zamana dayanan "eğimli uzay-zaman kuantum alan teorisini" geliştirdiler.
1973'te Hawking, kavisli uzay-zamanda kuantum alan teorisi çalışmasında "kara deliklerin siyah olmadığını" keşfetti! Orijinal klasik teoride, "kıldan hiçbiri" olmayan bir kara delik, kara delik kuantum mekaniğindeki belirli bir mekanizma yoluyla kara cisim radyasyonu da yayabilir. Hawking radyasyonu !
Kara delik ufkuna yakın yerçekimi alanının potansiyel bir engel gibi olduğuna dikkat çekti.Kuantum tünelleme etkisine göre, kara deliğin içindeki parçacıkların belirli bir olasılıkla bu potansiyel bariyerden geçerek parçacık emisyonu oluşturmaları olasıdır. Ufka yakın yerçekimi alanı yeterince güçlü olduğunda, kuantum alan teorisindeki vakum polarizasyon etkisi, enerjiyi boşluktan maddeye dönüştürebilir ve bir çift pozitif ve negatif parçacık üretebilir.
Hawking hesaplamaları, bu pozitif ve negatif partikül çiftinin nihai kaderinin, muhtemelen karşıt partiküllerin kara deliğe düşmesi ve pozitif partiküllerin dışarı çıkması olduğunu gösteriyor Vakum dalgalanmasının toplam sonucu, kara deliğin sürekli olarak pozitif partiküller yayması ve bu partiküllerin enerjisinin kara deliğin kütlesinden gelmesidir. Azaltmak. Tabii ki, kütlenin azalması, kara deliğin ufuk alanının da azalmasına yol açacak ve bu da kara delik sınırı alanında azalma olmaması teoremini ihlal edecek, ancak bir bütün olarak, bu yayılan parçacıklar aynı zamanda karadelik entropisindeki azalmayı telafi edecek entropi de taşıyor. Entropi artışı ilkesi ihlal edilmez.
Şekil 6 Kara delik ufkunun yakınındaki pozitif ve negatif parçacık çiftleri
Bunların arasında, Hawking radyasyonunun eşdeğer kara cisim sıcaklığı, daha önce kara delik termodinamiğinde tanımlanmış bir kara deliğin sıcaklığıdır veya en basit Schwarzschild kara deliği örnek alınırsa, sıcaklığı kütlesiyle ters orantılıdır. Bu nedenle, kara deliğin kütlesi ne kadar düşükse, sıcaklık o kadar yüksek ve radyasyon o kadar güçlüdür. Bu nedenle, küçük kütleli kara deliklerin küçük kütleleri ve güçlü Hawking radyasyonu vardır ve yakında buharlaşacaklardır. 1015 gramlık bir kara deliğin (bir dağın kütlesine eşdeğer) buharlaşması için gereken süre, evrenin yaşına benzer.
Hawking radyasyonu henüz net bir şekilde gözlemlenmedi. Yazar, güneş kütlesinin 3 katından daha büyük olan büyük kara delik kütlesinden dolayı (bir güneş kütlesi yaklaşık 2 × 1033 gramdır), Hawking radyasyonunun çok zayıf olduğuna (parlaklığının kütle karesiyle ters orantılı olduğuna) inanmaktadır, bu da klasik kara delik termodinamiğinden farklı değildir. Büyük boyutundan dolayı tespit edilmesi zordur.Küçük kütleli kara delikler kuvvetli radyasyona sahip olsalar da kolayca buharlaşırlar ve kısa bir varlıkları vardır, Hawking radyasyonunun gözlenmesinin zor olmasının nedeni bu olabilir.
İlk kara delik
Yazar, çalışmanın ihtiyaçları nedeniyle, Hawking'in orijinal kara delik hakkındaki makalesini de okudu ve ben buna aşinayım ve Hawking'in fikirlerinin de bize çok ilham verdiğini hissediyorum.
Hawking, öğrencisi Carr ile birlikte 1971 ve 1974 yıllarındaki makalelerinde şu noktaya değindi: Bugün galaksilerin varlığı (ve hatta galaksiler bile kümelenmiş bir yapıya sahiptir), erken evrenin kesinlikle tek tip, büyük ölçekli evren olmayacağını ima eder. Yukarıdakiler tekdüze ve izotropiktir.Erken evrendeki orijinal kuantum dalgalanmalarından dolayı, çok az homojenlik yoktur (bu homojen olmama, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu ile test edilmiştir) ve yoğunluk, yerçekiminin çekiciliği nedeniyle yüksektir. Yoğunluğun seyrek olduğu yerlerde daha fazla madde toplanacak ve seyrek yoğunluğa sahip yerler daha seyrekleşecek ve bu eşitsizlik, evren genişledikçe büyümeye devam edecek ve bazı alanlar artık çökmeyecek kadar yoğun hale gelebilir. Galaksiler, galaksi kümeleri vb. Gibi ışıklı yıldız sistemleri oluşur, ancak bunlar doğrudan yerçekimi tarafından çekilir ve kara delikler oluşturmak için çökerler. Bu kara deliklerin büyük kütleli yıldızların son aşamalarına evrilmesine gerek yoktur ve aynı zamanda İlk kara delik . Hawking'in buharlaşması (veya Hawking radyasyonu) nedeniyle Hawking, yalnızca 1015 gramdan fazla kütleye sahip ilkel kara deliklerin erken evrenden günümüze korunabileceğini tahmin etti.
Hangisinin orijinal kara delik olduğunu açıkça doğrulamamış olsak da, var olma olasılığını göz ardı edemeyiz. Tespit ettiğimiz çift kara deliğin yerçekimi dalgası kaynağının kaynağı olabilir veya "Lushan'ın gerçek yüzünü bilmediğimiz" gizemli "karanlık madde" nin bileşenlerinden biri olabilir.
Şekil 7 MWAP uydusu tarafından elde edilen kozmik mikrodalga arka plan radyasyon verilerinin yansıttığı erken evrendeki küçük homojen olmayanlıklar
Ayrıca Hawking, çarpışan kara deliğin yerçekimsel radyasyonunun enerjisinin üst sınırını vermek (1971), sınırsız bir evren modeli önermek (1983), kara deliklerdeki bilgi kaybını tartışmak (2005) vb. Gibi birçok teorik çalışma da yapmıştır. Uzunluk açısından tek tek ayrıntılara girmeyeceğim.
Bilim, özellikle de temel bilim asla bir gecede yapılmaz. Faydacı, pratik veya sözde "doğru" şeylerin peşine düşmeyin. Gerçek disiplin geliştirme yasası ilerici olmalıdır ve herkes öncekileri temel alır. Bir adım ileri, bu adım yanlış olsa bile, ancak yanlış adımı bile atmazsanız, gelecek nesillerin neyin yanlış olduğunu bilmesi zor olacaktır.
Mevcut insan biliş seviyesi ve teknik sınırlamalarla sınırlı olduğundan, teorinin doğru olup olmadığı konusunda çok erken mücadele etmemize gerek yok. İnanıyorum ki, insan bilişinin genişlemesi ve teknolojinin ilerlemesiyle gelecekte bir gün gerçeğin ortaya çıkacak. Tıpkı yerçekimi dalgalarının tespiti gibi, birçok insan yerçekimi dalgalarının gerçekte tespit edilmeden önce var olduğuna inanmıyordu, var olsalar bile gerçekten tespit edilemiyorlardı, ama sonra bunu yaptılar ve söylentiler onlara saldırmadı. kırık.
Önceden bir Newton mekaniği yoksa, görelilik çağına girmemiz de zordur. Newton mekaniğinin sınırlamaları Newton'un büyüklüğünü inkar edemez. Hawking ile ilgili harika olan şey, insanüstü azim ve iyimser ruhla, fizik ve astronomi teorilerinin ön saflarında her zaman çok çalışmış, sürekli olarak yeni fikirler ve yeni düşünceyi temel bilime enjekte etmiş ve temel disiplinleri getirmiştir. Yeni canlılık gel. Bu, bilgi zenginliğine ek olarak Hawking'in bize bıraktığı en değerli manevi zenginlik olabilir.
Ek: Kara delik nedir?
Halkın deyimiyle, bir kara delik, merkezinde sonsuz bir yoğunluğa ve çok güçlü bir yerçekimine sahip bir gök cisimine sahip bir uzay-zaman tekilliğidir.Kütleçekimi o kadar güçlüdür ki, nesne ufkuna düştüğü sürece ışık bile yerçekimsel kısıtlamasından kaçamaz. Işık hızının hareket eden tüm nesnelerin sınır hızı olduğunu biliyoruz.Işık bile kaçamazsa, diğer nesnelerin kara delikten kaçma olasılığı daha da düşüktür. Işık, kara deliklerin yakalanmasından kaçamayacağı için, klasik kara delik teorisi kara deliklerin elektromanyetik radyasyona sahip olmadığına inanır.Elbette Hawking radyasyonu kuantum etkileri içerir.
Schwarzschild kara deliği en basit küresel simetrik kara deliktir (yüksüz ve dönmeyen) Olay ufku yarıçapı (Schwarzschild yarıçapı) r = 2GM / c2, M kara deliğin kütlesi ve G yerçekimi sabitidir. c ışık hızıdır ve ufku, kara deliğin tekilliğine ve yarıçap olarak Schwarzschild yarıçapına odaklanan bir küredir.
Referanslar:
Liang Canbin, Zhou Bin. Diferansiyel Geometri ve Genel Göreliliğe Giriş (Cilt I, II ve II) Pekin: Science Press. 2009
Xiang Shouping. Astrofiziğe Giriş. Hefei: University of Science and Technology of China Press. 2008
Hawking S W. ÇOK DÜŞÜK KİTLEDEKİ ÇOK DÜŞÜK KİTLEDEKİ NESNELERİ ÇIKARTMIŞTIR .. Royal Astronomical Society'nin Aylık Bildirileri, 1971, 152 (1): 75-78.
Carr B J, Hawking S W. Black Holes in the Early Universe.Royal Astronomical Society'nin Aylık Bildirimleri, 1974, 168 (2): 399-415.
Hawking S W, Penrose R. Kütleçekimsel çöküşün ve kozmolojinin tekillikleri Londra Kraliyet Cemiyeti Bildirileri, 1970, 314 (1519): 529-548.
Kozmik mikrodalga arka plan-Wikipedia
Stephen Hawking-Wikipedia
Big Bang-Wikipedia
Hawking radyasyonu-Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation
Editör: loulou
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
