Wie Hawking-Strahlung Löcher in die größten Schwarzen Löcher sticht

Wir haben alle gehört, dass die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann.

Dies führt unweigerlich zu dem Eindruck, dass die Grenze eines Schwarzen Lochs die metaphorische Einwegreise in den Abgrund ist und dass ein Schwarzes Loch einfach ewig größer wird, während es immer mehr von dem Universum um sich herum verschlingt.

Im Allgemeinen ist das wahr, aber auf fast märchenhafte Weise wird angenommen, dass eines der kleinsten Phänomene, die der Physik bekannt sind, in der Lage ist, ein Schwarzes Loch langsam, aber stetig Stück für Stück zu zertrümmern, bis nichts mehr übrig ist und es istals ob das Schwarze Loch nie existiert hätte.

Dieses als Hawking-Strahlung bekannte Phänomen ist eine der unwahrscheinlichsten Eigenheiten der Quantenmechanik, aber es zeigt, wie nichts, nicht einmal schwarze Löcher, die Energieerhaltungssatz.

Was ist der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs?

um zu verstehen, wie a Schwarzes Loch kann einfach verschwinden, wir müssen buchstäblich etwas von der Physik rund um Schwarze Löcher auffrischen.

Wenn einem Stern von ausreichender Größe, der etwa neun bis zehn Sonnenmassen beginnt und bis zu 100 Sonnenmassen erreicht, der Brennstoff zum Verbrennen ausgeht, reicht die nach außen gerichtete Kraft seines Kernofens nicht mehr aus, um die Kraft seiner selbst zurückzuhalteneigene Schwerkraft.

Wenn dies geschieht, kommt es zu einem spektakulären Kollaps mit Geschwindigkeiten von fast 229,6588 ft/s, der je nach Masse und Zusammensetzung des Sterns eine Supernova hervorrufen kann oder nicht.

In einigen Fällen ist die Schwerkraft bei diesem Kollaps so stark, dass nichts einen Kollaps in Richtung Nullvolumen und unendlicher Dichte verhindern kann. Dann bildet sich an einem einzigen Punkt im Raum eine Singularität mit der gesamten Masse des kollabierten Sterns, dieerzeugt ein bemerkenswertes Phänomen.

Alle massiven Körper im Universum haben eine Fluchtgeschwindigkeit, das ist die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um die Anziehungskraft des Körpers zu überwinden, und die erforderliche Geschwindigkeit steigt, wenn Sie sich dem Schwerpunkt eines Objekts nähern.

Bei Schwarzen Löchern gibt es einen Abstand vom Zentrum, unterhalb dessen die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet, die die schnellste ist, die sich im Universum bewegen kann. Infolgedessen bildet sich der Ereignishorizont in diesem Radius um die Singularität,bekannt als der Schwarzschild-Radius, jenseits dessen nichts entweichen kann, nicht einmal die winzigsten, kleinsten Teilchen.

Was ist Hawking-Strahlung?

Es gibt eine seltsame Marotte der Quantenfeldtheorie, die besagt, dass jede quadratische Volumeneinheit im Universum voll von Quantenfluktuationen ist, die von sogenannten virtuellen Teilchen erzeugt werden.

Virtuelle Teilchen sind die spontane und vorübergehende Entstehung und augenblickliche Zerstörung von Teilchen und Antiteilchen im Vakuum. Normalerweise hätten diese Schwankungen keinen Einfluss auf das größere Universum, da die virtuellen Teilchen keine Zeit habenetwas anderes zu tun, als sich gegenseitig zu vernichten.

Diese Quantenfluktuationseffekte treten ständig überall um uns herum auf und sind ansonsten nicht besonders bemerkenswert – außer am Rand eines Ereignishorizonts.

Obwohl diese Teilchen im Quantenmaßstab existieren, nehmen sie realen Raum ein, und manchmal erscheinen Teilchen am Rand des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs.

Wenn dies passiert, haben die beiden Teilchen keine Zeit, sich gegenseitig zu vernichten, bevor eine Hälfte des Paares in das Schwarze Loch gesaugt wird, während die andere in den Weltraum schießen und als eine Form von Schwarzkörperthermik entkommen kannStrahlung, die als Hawking-Strahlung bekannt ist.

Können Schwarze Löcher wirklich einfach verdampfen?

Hawking-Strahlung ist jedoch ein großes Tabu, da es im Universum keine freie Energie gibt. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, es kann nur in verschiedene Energiearten umgewandelt werden.

Die gesamte Energie, die existiert, hat immer existiert und wird immer existieren. Am Ende muss das Hauptbuch des Universums ausgeglichen werden, also wie erklären wir die plötzliche Hinzufügung von Hawking-Strahlung, die nicht existierte, bevor die Hälfte eines virtuellen Teilchenpaares existiertevon einem schwarzen Loch verschluckt?

Während die neu emittierte Hawking-Strahlung in das weitere Universum entweicht, trägt dieses einfallende virtuelle Teilchen glücklicherweise negative Energie als Belastung für die Hawking-Strahlung.

Dies hält das Energiebuch des Universums im Gleichgewicht, indem die Energie des Schwarzen Lochs um eine entsprechende Menge reduziert wird, die in Form von Hawking-Strahlung freigesetzt wurde.

Und da Energie in Masse umgewandelt werden kann und umgekehrt E=MC² und alles, diese negative Energie wird zu negativer Masse, die dem Schwarzen Loch hinzugefügt wird, wodurch diese Masse effektiv von der Gesamtmenge abgezogen wird.

Diese Massenreduktion ist so klein wie möglich, aber die Oberfläche des Ereignishorizonts kocht geradezu vor Hawking-Strahlung.

Dies hat einen Tod-durch-eine-Gajillion-Schnitt-Effekt auf das Schwarze Loch, und wenn das Schwarze Loch nicht über einen sehr langen Zeitraum mehr Masse durch den Verbrauch von Materie hinzufügt, wird es seine gesamte Masse an Hawking verlierenStrahlung.

Wie oft verdunsten Schwarze Löcher?

Es ist nicht bekannt, wie oft dieser Prozess stattgefunden hat, aber es ist wahrscheinlich, dass die winzigen ursprünglichen Schwarzen Löcher, die entstanden nach dem Urknall sind längst verflogen. Astronomen hoffen jedoch, dass es noch welche im Universum gibt, da sie wahrscheinlich der einzige Weg sind wir werden jemals eine solche Verdunstung sehen.

Es wird die Theorie aufgestellt, dass ein verdampfendes Schwarzes Loch zu Ende geht, wenn es sich einer Planck-Masse und zwei Planck-Längen nähert, wobei angenommen wird, dass das Schwarze Loch an diesem Punkt mit einer heftigen Explosion von Gammastrahlen verdampft.

Astronomen und Physiker haben nach einem solchen Gammastrahlenausbruch Ausschau gehalten, haben aber noch keinen gefunden, und es ist möglich, dass wir ihn nie finden werden.

Was größere schwarze Löcher mit stellarer Masse und mittlerer Masse betrifft, wenn eines irgendwie im intergalaktischen Medium so geschaffen wurde, dass es etwa 10 Jahre lang mit nichts in Kontakt kommt⁷⁰ Jahren ist es möglich, dass eines dieser größeren Schwarzen Löcher verdunstet.

Wenn man bedenkt, dass dies um Größenordnungen länger ist als die Lebensdauer des Universums, ist es wahrscheinlich, dass noch nie im Leben des Universums ein Schwarzes Loch dieser Größe auf diese Weise verdampft ist.

Was Schwarze Löcher innerhalb einer Galaxie oder anderer ähnlicher kosmischer Strukturen betrifft, so gibt es zu viel verfügbares Material für Hawking-Strahlung, um auch nur ansatzweise die Masse eines Schwarzen Lochs zu beeinträchtigen, da ein Schwarzes Loch einfach mehr Masse ansammelt als es abstrahlt.

Was supermassive Schwarze Löcher angeht, nun, das kannst du vergessen. Es würde Schütze A* 10 brauchen⁸⁷ Jahre zum Verdampfen durch Hawking-Strahlung, und für Ton 618, die größtes schwarzes Loch, das jemals entdeckt wurde mit einem Gewicht von erstaunlichen 66 Milliarden Sonnenmassen, es würde mehr als 10 dauern¹⁰⁰ Jahre, bis es verdunstet ist.

Das sind Hitze-Tod-des-Universums Zeitskalen, und in Wirklichkeit werden Hawking-Strahlung und verdampfende Schwarze Löcher erst dann wirklich eine Rolle spielen, lange nachdem jeder Stern im Universum erloschen ist und die gesamte Raumzeit eine unendliche kosmische Krypta ist.

Hawking-Strahlung und das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs

Neben den theoretischen Feinheiten der Hawking-Strahlung und der Verdunstung von Schwarzen Löchern ist der folgenreichste Effekt der Hawking-Strahlung der sogenannte Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs.

Dies entsteht durch den Konflikt zwischen zwei konkurrierenden Regeln der Hawking-Strahlung einerseits und der Quantenfeldtheorie andererseits.

Es wurde gezeigt, dass Hawking-Strahlung keine verschlüsselten Informationen enthält und keine Verbindung zu einer früheren Hawking-Strahlung hat, was bedeutet, dass sie keine Informationen mit sich trägt, die von ihrem verschränkten Partnerteilchen stammen, das in das Schwarze Loch gefallen ist.

Wenn keine Informationen durch Hawking-Strahlung übertragen werden, bleiben alle Informationen, die in ein Schwarzes Loch fallen, für immer im Inneren des Schwarzen Lochs. Dies ist wichtig für die Quantenfeldtheorie, die als Grundregel besagt, dass Informationen nicht unwiederbringlich verloren gehen können.

Außer Ordnung geraten, ja. Eingesperrt in einem Schwarzen Loch, um nie wieder gesehen zu werden, klar; solange das Schwarze Loch, das es enthält, noch existiert, existieren diese Informationen immer noch irgendwo im Universum und können theoretisch, vielleicht eines Tages durch einen Prozess rekonstituiert werden, den wir noch nicht entdeckt haben.

Dies ist der springende Punkt des Paradoxons, da die Hawking-Strahlung keine Informationen aus dem Schwarzen Loch überträgt, aber sie sagt voraus, dass alle Schwarzen Löcher schließlich verdampfen werden und alle Informationen, die sie enthalten, mitnehmen, was gegen die Quantenfeldtheorie verstößt.

Es gab viele Versuche, die Hawking-Strahlung mit dem Gesetz der Informationserhaltung in Einklang zu bringen, aber keiner hat eine zufriedenstellende Lösung des Problems hervorgebracht, und sie haben sogar zusätzliche Probleme für Physiker geschaffen, mit denen sie sich herumschlagen müssen.

Ein solches verwandtes Paradoxon ist bekannt als Firewall-Paradoxon des schwarzen Lochs, das das Schwarze-Loch-Informationsparadoxon aufgreift und eine zusätzliche Verletzung dessen überlagert, was der theoretische Physiker Joe meintePolchinski und andere haben angerufen „no drama“-Prinzip der Komplementarität von Schwarzen Löchern, das Physiker in die unangenehme Lage zwingt, eine der drei etablierten Theorien opfern zu müssen.

Unnötig zu sagen, dass Hawking-Strahlung ein kontroverses Thema für Physiker ist, seit Hawking sie 1974 vorgeschlagen hat, und leider zeigen experimentelle Beweise mit schwarzen Schalllöchern, dass Hawking-Strahlung ein reales Phänomen ist, das nicht ignoriert werden kann.

Wie die Hawking-Strahlung schließlich mit dem Rest der Physik in Einklang gebracht wird, ist unklar, aber sie wird überall am Ereignishorizont entlang sprudeln, wie ein sanfter Strom, der eine mächtige Schlucht formt.