تابش هاوکینگ

تابش هاوکینک یک پدیده ی نظری است که توسط استیون هاوکینگ بیان شده است

تابش هاوکینگ چیست؟

با توجه به اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتوم، احتمال هر رویدای همیشه بزرگتر از صفر است. یکی از نتیج منطقی آن این است که ما بپذیریم خلاء "فضای تهی" واقعاً تهی نیست. و فضای تهی از ذرات مجازی انباشته شده است، از ذرات ماده و انرژی و نه کاملاً حقیقی. ذرات مجازی با این که حقیقی نستند، قوانین نشان می دهند که جهان در مقیاس کوانتومی چگونه رفتار می کند. برای مثال آنها برای توضیح کنش فوتون و الکترون لازم هستند.اگر ما فضا را خلا فرض كنیم، راه درستی نرفته‌ایم. در اینجا می‌خواهیم علت آن را بیابیم. اصل عدم قطعیت به این معنی است كه ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم با دقت كامل، به طور همزمان، مكان و سرعت یك ذره را بداینم. معنای آن از این هم بیشتر است: ما هرگز نمی‌توانیم كمیت یك میدان (به عنوان مثال: میدان گرانشی یا میدان الكترومغناطیسی) و آهنگ تغییرات آنرا همزمان، با دقت كامل تعیین كنیم. هر قدر كمیت میدان را با دقت بیشتر بدانیم، دقت ما در دانستن آهنگ تغییرات آن كاهش خواهد یافت و بالعكس، همچون الاكلنگ. در نتیجه، شدت یك میدان هیچ وقت به صفر نمی‌رسد. صفر هم از نظر كمیت و هم از نظر آهنگ تغییرات میدان، اندازه‌گیری بسیار دقیقی خواهد بود كه اصل عدم قطعیت، آن را مجاز نمی‌داند. نمی‌توان فضای خالی داشت، مگر اینكه تمام میدانها دقیقاً صفر باشند: اگر صفر نباشند، فضای خالی وجود ندارد.به جای فضای خالی یا خلأ كامل كه اغلب ما تصور می‌كنیم در فضا هست، مقدار حداقلی از عدم قطعیت، اندكی ابهام یا نامعلومی به صورتی داریم كه نمی‌دانیم مقدار میدان در «فضای خالی» چیست. این افت و خیز در مقدار میدان، این لرزش اندك به سوی جوانب مثبت و منفی صفر را كه هرگز صفر نمی‌شود، می‌توان به طریق زیر تصور كرد.زوجهایی از ذرات ـ زوجهای فوتونها یا گراویتونها ـ مدام ظاهر می‌شوند. دو ذره به صورت یك جفت در می‌آیند و سپس از هم جدا می‌شوند. پس از فاصله زمانی بسیار كوتاه غیرقابل تصوری، آن دو ذره بار دیگر به هم می‌رسند، و یكدیگر را منهدم می‌كنند حیاتی كوتاه ولی پر ماجرا دارند. مكانیك كوانتومی به ما می‌گوید كه این واقعه همیشه و همه جا در فضای «خلأ» روی می‌دهد

ممكن است كه اینها ذرات «واقعی» كه بتوانیم وجود آنها را با یك آشكارساز ذرات، تشخیص دهیم نباشند، ولی نباید تصور كرد كه آنها ذرات خیالی هستند. حتی اگر آنها فقط ذراتی «مجازی» باشند، می‌دانیم آثار آنها را روی ذرات دیگر تشخیص دهیم.بعضی از این زوجها، زوجهای ذرات ماده یا فرمیونها هستند. در این حالت، یكی از ذرات زوج، پاد‌ذره دیگری است. «پاد ماده» را كه در بازیهای خیالی و داستانهای علمی تخیلی با آن آشنا هستیم، صرفاً تخیلی نیست. می‌دانیم كه مقدار كل انرژی در جهان، همیشه ثابت و بدون تغییر است. انرژی نمی‌تواند از جایی به طور ناگهانی به جهان وارد شود. چگونه ما می‌توانیم مسأله این زوج تازه به وجود آمده را با این اصل سازگار كنیم؟ این زوجها، با «وام گرفتن» انرژی، به طور بسیار موقتی به وجود آمده‌اند. آنها به هیچ‌وجه دایمی نیستند. یكی از ذرات این زوج انرژی مثبت و دیگری انرژی منفی دارد. تراز انرژی آنها برابر است. به مقدار انرژی كه در جهان وجود دارد، چیزی اضافه نشده است.استیون هاوكینگ استدلال كرد كه زوج ذره‌های بسیاری به طور غیر منتظره، در افق رویداد یك سیاهچاله به وجود می‌ایند و از بین می‌روند. بنابر تصور او، ابتدا یك زوج از ذرات مجازی ظاهر می‌شود. قبل از آنكه این زوج به یكدیگر برسند و یكدیگر را منهدم كنند، ذره‌ای كه انرژی منفی دارد از افق رویداد عبور كرده، وارد سیاهچاله می‌شود. آیا این بدان معنی است كه ذره با انرژی مثبت باید همتای بدبخت خود را، با هدف برخورد و منهدم كردن دنبال كند؟ نه. میدان جاذبه در افق رویداد یك سیاهچاله به قدر كافی قوی است كه با ذرات مجازی، حتی با ذرات بدبخت با انرژی منفی كار شگفت‌انگیزی می‌كند: میدان جاذبه می‌تواند آنها را از « مجازی» به « واقعی» تبدیل كند. این تبدیل، تغییر قابل ملاحظه‌ای در زوج به وجود می‌آورد. آنها دیگر مجبور نیستند با یكدیگر برخورد كرده و یكدیگر را منهدم كنند. آنها می‌توانند هر دو مدت بسیار طولانیتری، جدا از هم وجود داشته باشند. البته ذره با انرژی مثبت نیز می‌تواند در سیاهچاله بیفتد، ولی مجبور به چنین كاری نیست. او از مشاركت آزاد است، می‌تواند بگریزد. برای یك مشاهده كننده از دور، به نظر می‌آید كه از سیاهچاله بیرون آمده است. در حقیقت این ذره، نه از بیرون،‌بلكه از نزدیك سیاهچاله می‌آید. در این ضمن همتای او انرژی منفی به سیاهچاله وارد كرده است. تابشی كه به این ترتیب از سیاهچاله گسیل می‌شود، تابش هاوكینگ نامیده می‌شود. با تابش هاوكینگ، كه دومین كشف مشهور او در زمینه سیاهچاله‌ها بود، استیون هاوكینگ نشان داد كه اولین كشف مشهور او، قانون دوم دینامیك سیاهچاله (كه مساحت افق رویداد هیچ‌گاه نمی‌تواند كاهش یابد)، همیشه استوار نیست. تابش هاوكینگ این معنی را می‌دهد كه یك سیاهچاله می‌تواند كوچك شده و در نهایت كاملاً از بین برود، چیزی كه یك مفهوم واقعاً اساسی است.چگونه تابش هاوكینگ یك سیاهچاله را كوچكتر می‌كند؟ سیاهچاله، به تدریج كه ذره‌های مجازی را به واقعی تبدیل می‌كند انرژی از دست می‌دهد. اگر هیچ چیز نمی‌تواند از افق رویداد بگریزد، چه‌طور ممكن است چنین چیزی روی بدهد؟ چه‌طور سیاهچاله می‌تواند چیزی از دست بدهد؟ به این سؤال می‌توان پاسخ زیركانه‌ای داد: زمانی كه ذره‌ای با انرژی منفی این انرژی منفی را با خود به سیاهچاله می‌برد، انرژی سیاهچاله را كمتر می‌كند.یعنی منفی « منها» است كه مترادف كمتر است.بدینسان، تابش هاوكینگ از سیاهچاله انرژی می‌رباید. انرژی كمتر، كاهش جرم را به دنبال دارد. معادله اینشتینE = mc۲ را به خاطر بیاوریم. در این رابطه، Eانرژی،

mجرم وcسرعت نور است. هنگامی كه انرژی (در یك سوی این رابطه) كاهش می‌یابد (كه در مورد سیاهچاله‌ها این‌طور است)، یكی از كمیتهای طرف دیگر باید كمتر شود. چون سرعت نور ثابت است، جرم باید كاهش پیدا كند. بنابر این موقعی كه ما می‌گوییم انرژی از سیاهچاله ربوده شده است، مثل این است كه جرم از آن ربوده شده است.به‌خاطر داشته باشیم و به یاد آوریم كه نیوتن درباره گرانی چه چیزی به ما آموخت: هر تغییر در جرم جسم، مقدار كشش گرانشی آن را كه بر جسم دیگر اعمال می‌كند، تغییر می‌دهد. اگر جرم زمین كمتر شود (جرمش كمتر شود نه آنكه كوچكتر شود) كشش گرانش آن در مدار حركت ماه كاهش می‌یابد. اگر سیاهچاله جرم از دست بدهد، كشش گرانشی آن در جایی كه افق رویداد (شعاع بدون بازگشت) وجود دارد، كاهش می‌یابد. سرعت گریز در این شعاع كمتر از سرعت نور می‌شود. در این حال شعاع افق رویداد كوچكتر از شعاعی می‌شود كه در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور بوده است. در نتیجه افق رویداد منقبض شده است. این، تنها راه توجیه كوچكتر شدن سیاهچاله است.اگر تابش هاوكینگ از یك سیاهچاله بزرگ را كه در نتیجه رُمبش یك ستاره به وجود آمده است اندازه‌گیری كنیم، ناامید خواهیم شد. دمای سطح سیاهچاله‌ای به این بزرگی، كمتر از یك میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق خواهد بود. هر قدر سیاهچاله بزرگتر باشد، دمای آن كمتر است. استیون هاوكینگ می‌گوید، «سیاهچاله‌ای با جرم ده برابر خورشید، ممكن است چند هزار فوتون در ثانیه گسیل دارد، ولی این فوتونها طول موجی به اندازه سیاهچاله خوهاند داشت و انرژی آنها آنقدر كم خواهد بود كه آشكارسازی آنها ممكن نیست». مطلب را می‌توان این‌طور بیان كرد: هرقدر جرم زیادتر باشد، سطح افق رویداد بزرگتر، هرچه سطح افق رویداد بزرگتر باشد، آنتروپی بیشتر است. هرچه آنتروپی بیشتر باشد دمای سطح و آهنگ گسیل كمتر است .با این حال، هاوكینگ، خیلی زود، در سال ۱۹۷۱ نظر داد كه نوع دیگری از سیاهچاله وجود دارد: سیاهچاله‌های خیلی ریز كه جالبترین آنها به انداز هسته اتم است. این سیاهچاله‌ها به‌طور قطع منفجر می‌شوند و تابش می‌كنند. به یاد داشته باشیم كه هر قدر سیاهچاله كوچكتر باشد، دمای سطح آن بیشتر است. هاوكینگ در مورد این سیاهچاله‌های بسیار ریز می‌گوید: « این سیاهچاله‌ها را به زحمت می‌توان سیاه نامید: آنها در حقیقت داغ و سفیدنددر مکانیک کلاسیک سیاه چاله سیاه هستنداما در مکانیک کوانتومی سیاه چاله ها تابش می کنند و این چیزی است که نخستین بار هاوکینگ مطرح کرد.