Mustade aukude termodĂŒnaamika

Mustade aukude termodĂŒnaamika
Palju Ă”nne kosmonaudipĂ€eval! Me oleme selle trĂŒkikotta saatnud «VĂ€ike raamat mustadest augudest». Just sel ajal nĂ€itasid astrofĂŒĂŒsikud kogu maailmale, millised mustad augud vĂ€lja nĂ€evad. Kokkusattumus? Ei usu 😉 Nii et oodake, peagi ilmub imeline raamat, mille on kirjutanud Steven Gabser ja Frans Pretorius, tĂ”lkis fantastiline pulkovski astronoom aka Astrodead Kirill Maslennikov, teaduslikult toimetas legendaarne Vladimir Surdin ja selle vĂ€ljaandmist toetas Teraektsioonifond.

LĂ”ik raamatust «Mustade aukude termodĂŒnaamika» allpool.

Siiani oleme musti auke kĂ€sitlenud kui astrofĂŒĂŒsikalisi objekte, mis on tekkinud supernoovade plahvatustest vĂ”i asuvad galaktikate keskustes. Me jĂ€lgime neid kaudselt, mÔÔtes lĂ€hedal asuvate tĂ€htede kiirus muutusi. Kuulus LIGO gravitatsioonilainete vastuvĂ”tja registreerimine 14. septembril 2015 on nĂ€ide otsesematest vaatlustest mustade aukude kokkupĂ”rkest. Matemaatilised tööriistad, mida kasutame mustade aukude olemuse parema mĂ”istmise saavutamiseks, hĂ”lmavad diferentsiaalgeomeetriat, Einsteini vĂ”rrandeid ning vĂ”imsaid analĂŒĂŒtilisi ja numbreid meetodeid, mida rakendatakse Einsteini vĂ”rrandite lahendamiseks ja mustade aukude tekitatud ruumaja aja geomeetria kirjeldamiseks. Ja kohe, kui suudame anda tĂ€ieliku kvantitatiivse kirjelduse musta augu tekitatud ruumaja ajast, saab mustade aukude teema astrofĂŒĂŒsika seisukohalt pidada lĂ”ppenuks. Laiemas teoreetilises perspektiivis jÀÀb aga veel vĂ€ga palju uurimisvĂ”imalusi. Selle peatĂŒki eesmĂ€rk on rÀÀkida mĂ”nest kaasaegse mustade aukude fĂŒĂŒsika teoreetilisest saavutustest, kus termodĂŒnaamika ja kvantteooria ideed ĂŒhenduvad ĂŒldise relatiivsusteooriaga, tekitades ootamatult uusi kontseptsioone. Peamine idee on see, et mustad augud ei ole lihtsalt geomeetrilised objektid. Neil on temperatuur, neil on tohutu entropia ja nad vĂ”ivad nĂ€idata kvantsegaduse ilminguid. Meie arutlused mustade aukude fĂŒĂŒsika termodĂŒnaamiliste ja kvant aspektide ĂŒle jÀÀvad enamasti killustatud ja pinnapealseks, vĂ”rreldes eelnevatel peatĂŒkkidel esitatud puhta geomeetria analĂŒĂŒsiga. Kuid need, ja eriti kvant, aspektid on olulised ja hĂ€davajalikud osad mustade aukude teoreetilistest uuringutest, ja me teeme kĂ”ik endast oleneva, et edasi anda, kui mitte keerulisi detaile, siis vĂ€hemalt nende tööde vaimu.

Klassikalises ĂŒldrelatiivsusteoorias — kui rÀÀkida Einsteini vĂ”rrandite lahendite diferentsiaalgeomeetriast — on mustad augud tĂ”eliselt mustad selles mĂ”ttes, et neist ei saa vĂ€lja pÀÀseda mitte kui miski. Stephen Hawking nĂ€itas, et see olukord muutub tĂ€ielikult, kui vĂ”tame arvesse kvantmĂ”jud: mustad augud, nagu selgub, kiirgavad teatud temperatuuri kiirgust, mida tuntakse Hawkingi temperatuurina. Ahnakate masside mustade augude (st tĂ€htede massist ultra-massiivseteni) Hawkingi temperatuur on vĂ”rreldes kosmilise mikrolainete taustaga — kiirgusega, mis tĂ€idab kogu universumit ja mis, muide, vĂ”ib ka ise olla Hawkingi kiirguse variant. Hawkingi arvutused mustade augude temperatuuride mÀÀramiseks on osa laiemast teadusuuringute programmist, mida tuntakse mustade augude termodĂŒnaamika nime all. Teine suurem osa sellest programmist on mustade augude entroopia uurimine, mis iseloomustab teavet, mis kaob musta augu sisse. Tavalised objektid (nagu nĂ€iteks veekruus, puhtast magneesiumist plokk vĂ”i tĂ€ht) omavad samuti entroopiat, ja ĂŒks mustade augude termodĂŒnaamika keskseid vĂ€iteid on see, et must auk, millel on antud suurus, omab suuremat entroopiat kui miski muu ainevorm, mille saab paigutada sama suurusesse piirkonda ilma musta augu moodustamiseta.

Kuid enne kui me sĂŒvitsi sukeldume Hawkingi kiirguse ja mustade aukude entropia probleemide analĂŒĂŒsi, teeme kiiresti ekskursiooni kvantmehaanikasse, termodĂŒnaamikasse ja pĂ”imunusse. Kvantmehaanika töötati vĂ€lja peamiselt 1920. aastatel ning selle peamine eesmĂ€rk oli kirjeldada vĂ€ga vĂ€ikeseid aineosakesi, nagu aatomid. Kvantmehaanika areng viis selliste fĂŒĂŒsika pĂ”hikontseptsioonide hĂ€gustumiseni nagu ĂŒksikute osakeste tĂ€pne asukoht: nĂ€iteks selgus, et elektroni asukohta aatomituuma ĂŒmber ei saa tĂ€pselt kindlaks teha. Selle asemel mÀÀratakse elektronidele nn orbiidid, millel nende tegelikud asukohad vĂ”ivad olla mÀÀratletud ainult tĂ”enĂ€osuslikus mĂ”ttes. Kuid meie eesmĂ€rkide jaoks on oluline mitte minna liiga kiiresti tĂ”enĂ€osusteema juurde. VĂ”tame kĂ”ige lihtsama nĂ€ite: vesiniku aatom. See vĂ”ib asuda teatud kvantolekus. Vesiniku aatomi kĂ”ige lihtsam olek, mida nimetatakse pĂ”hiolekuks, on madalaima energiasisaldus ning see energia on tĂ€pselt teada. Üldisemalt vĂ”imaldab kvantmehaanika meil (principiis) teada iga kvant sĂŒsteemi olekut tĂ€iesti tĂ€pselt.

TĂ”enĂ€osused tulevad mĂ€ngu, kui esitame teatud tĂŒĂŒpi kĂŒsimusi kvantmehaanilise sĂŒsteemi kohta. NĂ€iteks, kui on kindlalt teada, et vesiniku aatom on pĂ”hiolekus, vĂ”ime kĂŒsida: „Kus elektron asub?“ ja kvantmehaanika seaduste kohaselt saame sellele kĂŒsimusele vaid mingisuguse tĂ”enĂ€osuse hinnangu, ligikaudu midagi sellist nagu: „tĂ”enĂ€oliselt on elektron vesiniku aatomi tuumast poole angstreemi kaugusel“ (ĂŒks angstreem on
millimeetri miljardik osa) Mustade aukude termodĂŒnaamika meetrid). Kuid meil on vĂ”imalus teatud fĂŒĂŒsikalise protsessi kaudu leida elektroni asukoht tunduvalt tĂ€psemalt kui ĂŒhe angstremiga. See ĂŒsna tavaline fĂŒĂŒsikaprotsess seisneb selles, et kiirata elektronile foton, millel on vĂ€ga lĂŒhike lainepikkus (vĂ”i nagu fĂŒĂŒsikud ĂŒtlevad, hajutada foton elektronil) — pĂ€rast seda saame rekonstrueerida elektroni asukoha hajumise hetkel tĂ€psusega, mis on ligikaudu vĂ”rdsed fotoni lainepikkusega. Kuid see protsess muudab elektroni seisundit, nii et pĂ€rast seda ei ole ta enam vesiniku aatomi pĂ”hiolekus ja tal ei ole tĂ€pselt mÀÀratud energiat. KĂŒll aga on mĂ”neks ajaks tema asukoht peaaegu tĂ€pselt mÀÀratletud (tĂ€psusega, mis on seotud kasutatud fotoni lainepikkusega). Elektroni eelnevat asukohta saab hinnata ainult tĂ”enĂ€osuslikus mĂ”ttes tĂ€psusega umbes ĂŒhe angstremiga, kuid niipea, kui me seda mÔÔdame, teame me tĂ€pselt, mis see oli. LĂŒhidalt öeldes, kui me teatud viisil mÔÔdame kvantmehaanilist sĂŒsteemi, siis vĂ€hemalt ĂŒldiselt aktsepteeritud mĂ”ttes anname me sellele „sunniviisiliselt“ oleku, millel on kindel vÀÀrtus suurusest, mida mÔÔdame.

Kvantmehhaanika on rakendatav mitte ainult vĂ€ikestele, vaid (nagu me arvame) kĂ”igile sĂŒsteemidele, kuid suurte sĂŒsteemide puhul muutuvad kvantmehhaanilised reeglid kiiresti vĂ€ga keeruliseks. Peamine kontseptsioon on kvantkorrelatsioon, mille lihtsaks nĂ€iteks vĂ”ib tuua pöördemomendi mĂ”iste. Üksikute elektronide suhtes on pöördemoment olemas, seega praktiliselt vĂ”ib ĂŒksik elektron omada pöördemomenti, mis on suunatud ĂŒles vĂ”i alla valitud ruumilise telje suhtes. Elektroni pöördemoment on vaadeldav suurus, kuna elektron genereerib nĂ”rga magnetvĂ€lja, mis sarnaneb magnetploki vĂ€ljaga. Seega tĂ€hendab pöördemoment, mis on suunatud ĂŒles, et elektroni pĂ”hja pool on suunatud alla, ja pöördemoment, mis on suunatud alla, tĂ€hendab, et pĂ”hjapool

Einsteini vĂ€ga muretses segaduse nĂ€htuse pĂ€rast: see nĂ€is Ă€hvardavat ĂŒldrelatiivsusteooria pĂ”hialuseid. VĂ”tame ette kahe elektroni spin-singlet staatuse juhtumi, kui nad on ruumis ĂŒksteisest kaugel. Kindluse mĂ”ttes oletame, et ĂŒks neist on Alice ja teine Bob. Oletame, et Alice mÔÔtis oma elektroni spini ja avastas, et see on suunatud ĂŒlespoole, samal ajal kui Bob ei mÔÔtnud midagi. Seni, kuni Alice oma mÔÔtmise tegi, ei olnud vĂ”imalik öelda, milline oli tema elektroni spin. Kuid niipea, kui ta oma mÔÔtmise lĂ”petas, sai ta absoluutselt tĂ€pselt teada, et Bobi elektroni spin on suunatud allapoole (tema enda elektroni spini suunaga vastupidises suunas). Kas see tĂ€hendab, et tema mÔÔtmine tĂ”i Bobi elektroni hetkega olukorda, kus tema spin on suunatud allapoole? Kuidas see oleks saanud juhtuda, kui elektronid on ruumiliselt eraldatud? Einstein ja tema kolleegid Nathan Rosen ja Boris Podolsky tundsid, et segatud sĂŒsteemide mÔÔtmise lugu on piisavalt tĂ”sine, et Ă€hvardada kvantmehaanika eksistentsi. Nende poolt formuleeritud Einstein-Roseni-Podolsky paradoks (EPR) kasutab mĂ”tteekspertiisi, mis sarnaneb sellele, mida me praegu kirjeldasime, et jĂ€reldada: kvantmehaanika ei saa olla tĂ€ielik kirjeldus reaalsusest. Praeguseks on nendele teoreetilistele uurimistele ja paljude mÔÔtmiste tulemustele tuginedes kujunenud ĂŒldine arvamus, et EPR paradokslis on viga ning kvantteooria on Ă”ige. Kvant-mehaaniline segadus on tĂ”eline: segatud sĂŒsteemide mÔÔtmised korreleerivad, isegi kui need sĂŒsteemid on kaugel ajas ja ruumis.

Naas tagasi olukorda, kus me panime kaks elektroni spin-sĂŒngli olekusse ja jagasime need Alicele ja Bobile. Mida me saame öelda elektronide kohta enne mÔÔtmiste tegemist? Et nad mĂ”lemad koos on kindlas kvantolekus (spin-sĂŒngli olek). Alice'i elektroni spin on sama tĂ”enĂ€osusega suunatud ĂŒles vĂ”i alla. TĂ€psemalt, tema elektroni kvantolek vĂ”ib sama tĂ”enĂ€osusega olla kas ĂŒks (spin ĂŒles) vĂ”i teine (spin alla). NĂŒĂŒd omandab meie jaoks tĂ”enĂ€osuse mĂ”isted sĂŒgavam tĂ€hendus kui varem. Varem kĂ€sitlesime teatavat kvantolekut (vesiniku aatomi pĂ”hiolekut) ja nĂ€gime, et on olemas teatud "ebamugavad" kĂŒsimused, nĂ€iteks "Kus elektron asub?" - kĂŒsimused, millele vastused eksisteerivad ainult tĂ”enĂ€osuslikus mĂ”ttes. Kui me kĂŒsiksime "hĂ€id" kĂŒsimusi, nĂ€iteks: "Mis on selle elektroni energia?", saaksime neile kindlaid vastuseid. NĂŒĂŒd aga ei ole „hĂ€id” kĂŒsimusi, mida me vĂ”iksime Alicele elektroni kohta kĂŒsida, mille vastused ei sĂ”ltuks Bobi elektronist. (Me ei rÀÀgi tobedatest kĂŒsimustest nagu „Kas Alicel on elektroni spinn ĂŒldse?” - kĂŒsimustest, millel on ainult ĂŒks vastus.) Seega, et mÀÀrata Ă€ra ĂŒhe pooli parameetreid segatud sĂŒsteemist, peame kasutama tĂ”enĂ€osuslikku keelt. Kindel teadlikkus tekib alles siis, kui vaatleme seoseid kĂŒsimuste vahel, mida Alice ja Bob vĂ”ivad oma elektronide kohta kĂŒsida.

Me alustasime meelega ĂŒhe kĂ”ige lihtsama kvantmehaanilise sĂŒsteemiga, mida me teame: individuaalsete elektronide spin sĂŒsteemiga. On lootust, et selliste lihtsate sĂŒsteemide alusel ehitatakse kvantarvuteid. Individuaalsete elektronide spin system ehk muud samavÀÀrsed kvant sĂŒsteemid nimetatakse nĂŒĂŒd kubititeks (lĂŒhend "kvantbitid"), mis rĂ”hutab nende rolli kvantarvutites, sarnast rolliga, mida tavabittide mĂ€ngivad digitaalsetes arvutites.

Kujutame nĂŒĂŒd ette, et asendame iga elektroni palju keerukama kvant-sĂŒsteemiga, millel on palju, mitte ainult kaks kvantolekut. NĂ€iteks anname Alicele ja Bobile puhtast magneesiumist tĂŒkid. Enne kui Alice ja Bob oma tegemiste tĂ”ttu eri suundades liikuma hakkavad, vĂ”ivad nende tĂŒkid omavahel suhelda, ning lepime kokku, et selle kĂ€igus nad omandavad teatud ĂŒhise kvantoleku. Niipea kui Alice ja Bob lahku lĂ€hevad, lakka nende magneesiumitĂŒkid suhtlemast. Nagu elektronide puhul, on iga tĂŒkk mÀÀramatul kvantolekul, kuigi koos, nagu me arvame, moodustavad nad ĂŒsna mÀÀratletud oleku. (Selles arutelus eeldame, et Alice ja Bob saavad oma magneesiumitĂŒkke liigutada, rikumata nende sisemist olekut, nagu eelmises arutelus eeldasime, et Alice ja Bob saaksid oma segatud elektrone jagada, mĂ”jutamata nende spinne.) Kuid erinevus selle mĂ”ttekatse ja elektronidega eksperimendi vahel on see, et iga tĂŒkikese kvantoleku mÀÀramatus on tohutu. TĂŒkk vĂ”ib omandada rohkem kvantolekuid kui aatomite arv Universumis. Siin tulebki mĂ€ngu termodĂŒnaamika. VĂ€ga ebatĂ€pselt mÀÀratletud sĂŒsteemidel vĂ”ivad siiski olla mĂ”ned hĂ€sti mÀÀratletud makroskoopilised omadused. Üks selline omadus on nĂ€iteks temperatuur. Temperatuur on mÔÔt, millega tĂ”enĂ€oliselt igas sĂŒsteemi osas on kindel keskmine energia, kusjuures kĂ”rgem temperatuur vastab suurema tĂ”enĂ€osusega suurema energia omamisele. Teine termodĂŒnaamiline parameeter on entropia, mis pĂ”hineb pĂ”himĂ”tteliselt sĂŒsteemi vĂ”imekuse olekute logaritmil. Veel ĂŒks termodĂŒnaamiline omadus, mis oleks magneesiumitĂŒki jaoks oluline, on selle kogus magnetiseeritus, st pĂ”himĂ”tteliselt parameeter, mis nĂ€itab, kui palju rohkem on tĂŒkkis elektrone, mille spin on suunatud ĂŒlespoole, kui neid, mille spin on suunatud allapoole.

Meie jutustuses kasutame termodĂŒnaamikat sĂŒsteemide kirjeldamiseks, mille kvantolekud on teadmata nende seotuse tĂ”ttu teiste sĂŒsteemidega. TermodĂŒnaamika on vĂ”imas tööriist selliste sĂŒsteemide analĂŒĂŒsiks, kuid selle loojad ei olnud sellist rakendust ette nĂ€inud. Sadi Carnot, James Joule ja Rudolf Clausius olid 19. sajandi tööstusrevolutsiooni tegelased, kes olid huvitatud kĂ”ige praktilisematest kĂŒsimustest: kuidas töötavad mootorid? RĂ”hk, maht, temperatuur ja soojus on mootoreid elavdavad aspektid. Carnot leidis, et soojusena olemasolevat energiat ei saa kunagi tĂ€ielikult muundada kasulikuks tööks, nĂ€iteks kaalu tĂ”stmiseks. Osa energiast raisatakse alati. Clausius aitas luua entropia idee kui universaalne tööriist energiapoolte mÀÀratlemiseks igasugustes soojusega seotud protsessides. Tema peamine saavutus oli arusaamine, et entropia ei vĂ€hene kunagi — peaaegu kĂ”igis protsessides see suureneb. Protsessid, mille kĂ€igus entropia suureneb, nimetatakse pöördumatuks — just selle tĂ”ttu, et neid ei saa tagasi pöörata ilma entropia vĂ€henemiseta. JĂ€rgmise sammu statistilise mehhaanika arendamisel tegid Clausius, Maxwell ja Ludwig Boltzmann (paljude teiste seas) — nad nĂ€itasid, et entropia on korratuse mÔÔt. Üldiselt, mida rohkem te millegi kallal töötate, seda rohkem te sinna korratust toote. Ja isegi kui te olete vĂ€lja töötanud protsessi, mille eesmĂ€rk on korrastamine, tekib selle kĂ€igus ikkagi rohkem entropiat, kui hĂ€vitatakse — nĂ€iteks soojust vabastades. TĂ”steseade, mis paigutab terasest talasid ideaalsesse jĂ€rjekorda, loob korrastatust talade asukohas, kuid selle töö kĂ€igus vabastatakse nii palju soojust, et ĂŒldine entropia kasvab ikkagi.

Kuid siiski pole erinevus arusaamades 19. sajandi fĂŒĂŒsikute termodĂŒnaamika ja kvantsegaduse vahel nii suur, kui vĂ”iks arvata. Iga kord, kui sĂŒsteem suheldakse vĂ€lise agente, seguneb selle kvantolek agendi kvantolekuga. KĂ”ige sagedamini toob see segadus kaasa kvantoleku ebamugavuse suurenemise, teisisĂ”nu, kvantolekute arvu kasvu, milles sĂŒsteem vĂ”ib asuda. Koostoime tulemusena teiste sĂŒsteemidega suureneb entropia, mis mÀÀratletakse sĂŒsteemile kĂ€ttesaadavate kvantolekute arvu kaudu.

Üldiselt pakub kvantmehaanika uut viisi fĂŒĂŒsiliste sĂŒsteemide iseloomustamiseks, kus mĂ”ned parameetrid (nĂ€iteks paiknemine ruumis) muutuvad ebamugavaks, samas kui teised (nĂ€iteks energia) on sageli tĂ€pselt teada. Kvantsegaduse korral on kaks pĂ”himĂ”tteliselt eraldi sĂŒsteemi osa, millel on teadaolev ĂŒhine kvantolek, samas kui iga osa eraldi on ebamugav. TĂŒĂŒpiliseks nĂ€iteks segadusest on spinni paar singletolekus, kus pole vĂ”imalik öelda, milline spin on ĂŒlespoole suunatud ja milline allapoole. Suure sĂŒsteemi kvantoleku ebamugavus nĂ”uab termodĂŒnaamilist lĂ€henemist, kus makroskoopilised parameetrid, nagu temperatuur ja entropia, on teada suure tĂ€psusega, hoolimata sellest, et sĂŒsteemil on palju vĂ”imalikke mikroskoopilisi kvantolekeid.

LĂ”petades meie lĂŒhikese ekskursiooni kvantmehaanikasse, pĂ”imumisse ja termodĂŒnaamikasse, pĂŒĂŒame nĂŒĂŒd mĂ”ista, kuidas kĂ”ik see viib arusaamiseni, et mustadel aukudel on temperatuur. Esimese sammu selle suunas tegi Bill Unruh — ta nĂ€itas, et kiirenev vaatleja tasapinnalises ruumis omab temperatuuri, mis on vĂ”rdne tema kiirusel, jagatuna 2π-ga. Unruhi arvutuste vĂ”tmeelement on see, et vaatleja, kes liigub pĂŒsiva kiirusena kindlas suunas, nĂ€eb ainult poolikut tasapinnalist ajaruumi. Teine pool on sisuliselt horisondi taga, nagu musta augu horisont. Esialgu tundub see vĂ”imatuna: kuidas saab tasapinnaline ajaruumi kĂ€ituda nagu musta augu horisont? Selle mĂ”istmiseks kutsume appi meie usaldusvÀÀrsed vaatlejad Alice'i, Bobi ja Billi. Palusime neil seista jĂ€rjekorras, kus Alice on Bobi ja Billi vahel, ning igas paaris vaatlejate vahel on tĂ€pselt 6 kilomeetrit. Lepiti kokku, et nullmomendil hĂŒppab Alice raketti ja lendab Billile suunas (ehk eemale Bobist) pideva kiiruselaadimisega. Rakett, millega ta lendab, on vĂ€ga head kvaliteeti, suudab tekitada kiiruselaadimise, mis on 1,5 triljonit korda suurem gravitatsioonilisest kiirusest, millega objektid liiguvad Maa pinna lĂ€hedal. Loomulikult ei ole Alice'il sellise kiiruselaadimise talumine lihtne, kuid nagu me varsti nĂ€eme, on need numbrid valitud kindla eesmĂ€rgiga; lĂ”puks arutame lihtsalt potentsiaalseid vĂ”imalusi, ja just sedasi. Just sel hetkel, kui Alice hĂŒppab oma raketti, lehvitavad Bob ja Bill talle. (Meil on Ă”igus kasutada vĂ€ljendit „just sel hetkel, kui
”, sest enne kui Alice lendama hakkab, on ta samas koordinaatsĂŒsteemis Bobi ja Billiga, nii et nad saavad kĂ”ik oma kellad Ă”igeks ajaks sĂŒnkroniseerida.) Lehvitavat Billi nĂ€eb Alice, kuid olles raketis, nĂ€eb ta teda varem, kui see juhtuks, kui ta oleks seal, kus ta oli, sest tema rakett lendab tĂ”epoolest tema suunas. Bobist aga kaugendab ta, nii et me saame mĂ”istlikult eeldada, et ta nĂ€eb, kuidas Bob talle lehvitab, pisut hiljem, kui ta oleks nĂ€inud, kui ta oleks endiselt endises kohas. Kuid tĂ”de on veelgi hĂ€mmastavam: Alice ei nĂ€e Bobi ĂŒldse! TeisisĂ”nu, footonid, mis lendavad lehvitava Bobi suunas Alice'i, ei jĂ”ua kunagi temani, isegi arvestades, et ta ei saa kunagi kiiremini kui valgus. Kui Bob oleks hakanud lehvitama, olles Alice'ile veidi lĂ€hemal, siis footonid, mis temast lahkusid tema vĂ€ljalennul, oleksid tema kĂ€tte jĂ”udnud, ja kui ta oleks olnud veidi kaugemal, siis nad ei oleks tema kĂ€tte jĂ”udnud. Just sel viisil me ĂŒtleme, et Alice nĂ€eb ainult pool ajaruumi. Sel hetkel, kui Alice hakkab liikuma, on Bob veidi kaugemal horisondist, mida Alice nĂ€eb.

Meie arutelus kvantse sĂ”lme puhul oleme juba harjunud mĂ”ttega, et isegi kui kvantmehhaaniliselt sĂŒsteemil on mÀÀratud kvantolek, vĂ”ivad mĂ”ned selle osad sellest puududa. Tegelikult, kui arutame keerulist kvantset sĂŒsteemi, vĂ”ib mĂ”ni selle osa parimal viisil olla iseloomustatud just termodĂŒnaamika raames: sellel vĂ”ib olla tĂ€iesti kindel temperatuur, hoolimata sĂŒsteemi kĂ”rgelt mÀÀramatust kvantolekust. Meie viimane lugu Alicest, Bobist ja Billist on veidi sarnane sellele olukorrale, kuid kvantne sĂŒsteem, millest me siin rÀÀgime, on tĂŒhjus-aja, ja Alice nĂ€eb ainult selle poolt. MĂ€rgime, et tĂŒhjus-aeg on oma pĂ”hiseisundis, mis tĂ€hendab, et seal ei ole osakesi (muidugi, vĂ€lja arvatud Alice, Bob, Bill ja rakett). Kuid see tĂŒhjus-aeg, mida Alice nĂ€eb, ei ole pĂ”hiseisundis, vaid olekus, mis on seotud tema nĂ€htamatu osaga. Alicele tajutav tĂŒhjus-aeg on keerulises mÀÀramatuse kvantolekus, mida iseloomustab lĂ”plik temperatuur. Unru arvutused nĂ€itavad, et see temperatuur on umbes 60 nanokelvinit. LĂŒhidalt öeldes, kiiruselt kiirendades, sukeldub Alice justkui sooja kiirguse vanni, mille temperatuur on (asjakohastes ĂŒhikutes) kiirus, jagatud Mustade aukude termodĂŒnaamika

Mustade aukude termodĂŒnaamika

Kujutis 7.1. Alice liigub kiiruselt, alustades rahuolekust, samas kui Bob ja Bill jÀÀvad liikumatuks. Alice'i kiirus on just selline, et ta ei nĂ€e kunagi fotoneid, mida Bob talle saadab hetkel t = 0. Kuid ta saab Billilt fotoneid, mis hetkel t = 0 talle saadeti. Tulemuseks on see, et Alice suudab jĂ€lgida ainult ĂŒhe pooluse tĂŒhjus-ajast.

Unru arvutuste eripĂ€ra seisneb selles, et kuigi need kĂ€sitlevad algusest lĂ”puni tĂŒhja ruumi, on need vastuolus kuningas Leari tuntud sĂ”nadega: "mitte millestki ei saa midagi". Kuidas saab tĂŒhja ruumi olla nii keeruline? Kust vĂ”ivad seal pĂ€rit olla osakesed? Asi on selles, et vastavalt kvantteooriale pole tĂŒhja ruum sugugi tĂŒhi. Seal ilmuvad ja kaovad pidevalt lĂŒhiajalised ergastused, mida nimetatakse virtuaalseteks osakesteks, mille energia vĂ”ib olla nii positiivne kui ka negatiivne. Kaugemast tulevikust tulnud vaataja — nimetame teda Caroliks —, kes on vĂ”imeline nĂ€gema praktiliselt kogu tĂŒhja ruumi, saab kinnitada, et seal ei ole pidevalt eksisteerivaid osakesi. Sellegipoolest on positiivse energia osakeste kohalolek ruumi-aeg, mida Alice nĂ€ha saab, tĂ€nu kvantseotusele seotud vastava ja vastandmĂ€rgiga energia ergastustega ruumi-aeg osas, mida Alice ei nĂ€e. Terve tĂ”de tĂŒhja ruumi-aegruumi kohta on Carolile tĂ€ielikult avatud ja see tĂ”de on see, et seal ei ole osakesi. Siiski ĂŒtleb Alice'i kogemus talle, et osakesed siiski eksisteerivad!

Kuid siis selgub, et arvutatud Unru temperatuur tundub olevat lihtsalt fiktsioon — see on rohkem vaatleja omadus, kes kogeb tasapinnalises ruumis pidevat kiirendust, mitte tasapinna enda omadus. Kuid ka gravitatsioon on selline "fiktiivne" jĂ”ud, kuna "kiirus", mida see pĂ”hjustab, on lihtsalt liikumine geodeesil kĂ”verdatud meetrikas. Nagu me juba selgitasime peatĂŒkis 2, seisneb Einsteini ekvivalentsiprintsiip selles, et kiirus ja gravitatsioon on pĂ”himĂ”tteliselt ekvivalentsed. Sellest vaatenurgast polegi midagi eriti ĆĄokeerivat selles, et musta augu horisont omab temperatuuri, mis on vĂ”rdne arvutatud Unru temperatuuriga kiireneva vaatleja jaoks. Kuid kas me vĂ”ime kĂŒsida, millist kiirusvÀÀrtust peaksime temperatuuride mÀÀramiseks kasutama? Kui me eemaldume piisavalt kaugele mustast august, saame selle gravitatsioonilise tĂ”mbejĂ”u teha iganenud nĂ”rgaks. Kas see tĂ€hendab, et meie poolt mÔÔdetava musta augu efektiivne temperatuur peaks olema seotud vastava vĂ€ikese kiirusvÀÀrtusega? See kĂŒsimus osutub ĂŒsna keeruliseks, sest nagu me arvame, ei saa objekti temperatuur meelevaldselt vĂ€heneda. Eeldatakse, et tal on mingi fikseeritud, lĂ”plik vÀÀrtus, mida isegi vĂ€ga kauged vaatlejad suudavad mÔÔta.

Allikas: habr.com

Osta usaldusvÀÀrne hostimine veebilehtede jaoks DDoS-i kaitsega, VPS VDS serverid đŸ”„ Osta usaldusvÀÀrne hostimine veebilehtede jaoks DDoS-i kaitsega, VPS VDS serverid | ProHoster