Happy Cosmonautics Day! Mir hunn et an d'Dréckerei geschéckt . Et war an dësen Deeg datt Astrophysiker der ganzer Welt gewisen hunn wéi schwaarz Lächer ausgesinn. Zoufall? Mir denken net 😉 Also waart, geschwënn erschéngt en erstaunlech Buch, geschriwwen vum Steven Gabser a France Pretorius, iwwersat vum wonnerbare Pulkovo Astronom aka Astrodedus Kirill Maslennikov, wëssenschaftlech editéiert vum legendären Vladimir Surdin an ënnerstëtzt vun hirer Verëffentlechung vum Trajectory Foundation.
Auszuch "Thermodynamik vu schwaarze Lächer" ënner dem Schnëtt.
Bis elo hu mir schwaarz Lächer als astrophysesch Objeten ugesinn, déi während Supernova-Explosiounen entstane sinn oder an den Zentren vu Galaxien leien. Mir beobachten se indirekt andeems mir d'Beschleunigunge vu Stären no bei hinnen moossen. Dem LIGO seng berühmt Detektioun vu Gravitatiounswellen de 14. September 2015 war e Beispill vu méi direkten Observatioune vu Schwaarze Lachkollisiounen. Déi mathematesch Tools déi mir benotze fir e bessert Verständnis vun der Natur vu schwaarze Lächer ze kréien sinn: Differentialgeometrie, Einsteins Equatiounen a mächteg analytesch an numeresch Methoden déi benotzt gi fir dem Einstein seng Equatiounen ze léisen an d'Geometrie vun der Raumzäit ze beschreiwen, déi schwaarz Lächer entstoen. A soubal mir eng komplett quantitativ Beschreiwung vun der Raumzäit kënne ginn, déi duerch e schwaarzt Lach generéiert gëtt, aus enger astrophysikalescher Siicht, kann d'Thema vun de schwaarze Lächer als zougemaach ginn. Aus enger méi breet theoretesch Perspektiv ass et nach vill Plaz fir Exploratioun. Den Zweck vun dësem Kapitel ass et, e puer vun den theoreteschen Fortschrëtter an der moderner Schwaarzlochphysik ze ënnersträichen, an där Iddien aus der Thermodynamik an der Quantetheorie mat allgemenger Relativitéitstheorie kombinéiert ginn, fir onerwaart nei Konzepter entstinn. D'Basis Iddi ass datt schwaarz Lächer net nëmmen geometresch Objeten sinn. Si hunn Temperatur, si hunn eng enorm Entropie, a si kënnen Manifestatiounen vu Quanteverbesserung weisen. Eis Diskussioun iwwer d'thermodynamesch a Quantenaspekter vun der Physik vu schwaarze Lächer wäert méi fragmentaresch an iwwerflächlech sinn wéi d'Analyse vun de reng geometreschen Features vun der Raumzäit a schwaarze Lächer, déi a fréiere Kapitelen presentéiert goufen. Awer dës, a besonnesch d'Quante, Aspekter sinn e wesentlechen a vitalen Deel vun der lafender theoretescher Fuerschung iwwer schwaarz Lächer, a mir wäerte ganz schwéier probéieren, wann net déi komplex Detailer, dann op d'mannst de Geescht vun dëse Wierker ze vermëttelen.
An der klassescher allgemenger Relativitéitstheorie - wa mir iwwer d'Differentialgeometrie vu Léisunge fir Einstein seng Equatioune schwätzen - si schwaarz Lächer wierklech schwaarz am Sënn datt näischt vun hinnen entkommen kann. De Stephen Hawking huet gewisen, datt dës Situatioun sech komplett ännert, wa mir Quanteeffekter berécksiichtegen: Schwaarz Lächer weisen sech bei enger bestëmmter Temperatur Stralung aus, bekannt als Hawking Temperatur. Fir schwaarz Lächer vun astrophysikaleschen Gréissten (dat ass vu Stäremasse bis supermassive schwaarze Lächer) ass d'Temperatur vum Hawking vernoléisseg am Verglach mat der Temperatur vum kosmesche Mikrowellenhannergrond - d'Stralung déi de ganzen Universum fëllt, déi iwwregens kann selwer als Variant vun Hawking Stralung considéréiert ginn. Dem Hawking seng Berechnungen fir d'Temperatur vu Schwaarze Lächer ze bestëmmen sinn Deel vun engem gréissere Fuerschungsprogramm an engem Gebitt, deen Schwaarzloch-Thermodynamik genannt gëtt. En anere groussen Deel vun dësem Programm ass d'Studie vun der Schwaarzer Lach Entropie, déi d'Quantitéit un Informatioun moosst déi an engem schwaarze Lach verluer ass. Gewéinlech Objeten (wéi e Becher Waasser, e Block vu purem Magnesium oder e Stär) hunn och Entropie, an eng vun den zentrale Aussoe vun der Schwaarze Lach Thermodynamik ass datt e schwaarzt Lach vun enger bestëmmter Gréisst méi Entropie huet wéi all aner Form vun Matière, déi bannent enthale ka sinn.e Beräich vun der selwechter Gréisst, awer ouni d'Bildung vun engem schwaarze Lach.
Awer ier mer déif an d'Problemer ronderëm d'Hawking-Strahlung an d'Schwaarloch-Entropie dauchen, loosst eis e séieren Ëmwee an d'Felder vun der Quantemechanik, der Thermodynamik an der Entanglement huelen. D'Quantemechanik gouf haaptsächlech an den 1920er Joren entwéckelt, an hiren Haaptzil war ganz kleng Partikele vun der Matière, wéi Atomer, ze beschreiwen. D'Entwécklung vun der Quantemechanik huet zu der Erosioun vun esou Basiskonzepter vun der Physik gefouert, wéi déi genee Positioun vun engem eenzelnen Partikel: et huet sech zum Beispill erausgestallt, datt d'Positioun vun engem Elektron, wéi e sech ëm en Atomkär bewegt, net genee bestëmmt ka ginn. Amplaz kruten d'Elektronen sougenannte Bunnen zougewisen, an deenen hir aktuell Positiounen nëmmen am probabilistesche Sënn bestëmmt kënne ginn. Fir eis Zwecker ass et awer wichteg net ze séier op dës probabilistesch Säit vun de Saachen ze goen. Loosst eis dat einfachst Beispill huelen: de Waasserstoffatom. Et kann an engem bestëmmte Quantenzoustand sinn. Den einfachsten Zoustand vun engem Waasserstoffatom, de Grondzoustand genannt, ass de Staat mat der niddregster Energie, an dës Energie ass genee bekannt. Méi allgemeng erlaabt d'Quantemechanik eis (am Prinzip) den Zoustand vun all Quantesystem mat absoluter Präzisioun ze kennen.
Wahrscheinlechkeeten kommen an d'Spill wa mir verschidden Aarte vu Froen iwwer e Quantemechanesch System stellen. Zum Beispill, wann et sécher ass datt e Waasserstoffatom am Buedemzoustand ass, kënne mir froen: "Wou ass den Elektron?" an no de Quantegesetzer
Mechanik, wäerte mir nëmmen eng Schätzung vun der Wahrscheinlechkeet fir dës Fro kréien, ongeféier sou eppes wéi: "Wahrscheinlech ass den Elektron op enger Distanz vu bis zu engem hallwe Angström vum Kär vun engem Waasserstoffatom" (een Angström ass gläich wéi 
Meter). Awer mir hunn d'Méiglechkeet, duerch e gewësse kierperleche Prozess, d'Positioun vum Elektron vill méi genee ze fannen wéi zu engem Angstrom. Dëse zimlech allgemenge Prozess an der Physik besteet aus engem Foton vu ganz kuerzer Wellelängt an en Elektron ze brennen (oder, wéi d'Physiker soen, e Photon duerch en Elektron ze verstreeten) - duerno kënne mir d'Plaz vum Elektron am Moment vun der Streuung mat engem Elektron rekonstruéieren. Genauegkeet ongeféier gläich wéi de Wellelängt Photon. Awer dëse Prozess wäert den Zoustand vum Elektron änneren, sou datt et duerno net méi am Grondzoustand vum Waasserstoffatom ass a keng präzis definéiert Energie huet. Awer fir eng Zäit wäert seng Positioun bal genee bestëmmt ginn (mat enger Genauegkeet vun der Wellelängt vum Photon, deen dofir benotzt gëtt). Eng virleefeg Schätzung vun der Positioun vum Elektron kann nëmmen an engem probabilistesche Sënn mat enger Genauegkeet vun ongeféier engem Angstrom gemaach ginn, awer wa mir et gemooss hunn, wësse mer genau wat et war. Kuerz gesot, wa mir e Quantemechanesch System op iergendeng Manéier moossen, dann, op d'mannst am konventionelle Sënn, "zwéngen" mir et an e Staat mat engem gewësse Wäert vun der Quantitéit déi mir moossen.
Quantemechanik gëllt net nëmme fir kleng Systemer, awer (mir gleewen) fir all Systemer, awer fir grouss Systemer ginn d'Quantemechanesch Regele séier ganz komplex. E Schlësselkonzept ass d'Quanteverstéissung, en einfacht Beispill dovun ass d'Konzept vum Spin. Eenzel Elektronen hunn Spin, also an der Praxis kann en eenzegen Elektron e Spin hunn, deen op oder erof riicht op eng gewielte raimlech Achs. De Spin vun engem Elektron ass eng beobachtbar Quantitéit well den Elektron e schwaache Magnéitfeld generéiert, ähnlech wéi d'Feld vun enger magnetescher Bar. Dann Spin Up heescht datt den Nordpol vum Elektron erof weist, a Spin Down heescht datt den Nordpol no uewen weist. Zwee Elektronen kënnen an engem konjugéierte Quantezoustand plazéiert ginn, an deem ee vun hinnen e Spin Up huet an deen aneren en Downward Spin huet, awer et ass onméiglech ze soen wéi en Elektron wat Spin huet. Am Wesentlechen, am Grondzoustand vun engem Heliumatom, sinn zwee Elektronen genau an dësem Zoustand, e Spin-Singlet genannt, well den Total Spin vu béiden Elektronen null ass. Wa mir dës zwee Elektronen trennen ouni hir Spins z'änneren, kënne mir nach ëmmer soen datt se Spin-Singlets zesummen sinn, awer mir kënnen nach ëmmer net soen wat de Spin vun engem vun hinnen individuell wier. Elo, wa mir ee vun hire Spins moossen an feststellen datt et no uewen geriicht ass, da si mir ganz sécher datt déi zweet no ënnen riicht. An dëser Situatioun, mir soen, datt d'Spins sinn ageklemmt - weder vun selwer huet eng definitive Wäert, iwwerdeems se zesummen an engem definitive Quantephysik Staat sinn.
Den Einstein war ganz besuergt iwwer de Phänomen vun der Entanglement: et schéngt d'Grondprinzipien vun der Relativitéitstheorie ze menacéieren. Loosst eis de Fall vun zwee Elektronen an engem Spin-Singlet-Staat betruechten, wa se wäit ausenee sinn am Raum. Fir sécher ze sinn, loosst d'Alice ee vun hinnen huelen an de Bob deen aneren. Loosst eis soen datt d'Alice de Spin vun hirem Elektron gemooss huet a festgestallt huet datt et no uewen geriicht ass, awer de Bob huet näischt gemooss. Bis d'Alice hir Miessung gemaach huet, war et onméiglech ze soen wat de Spin vu sengem Elektron war. Awer soubal si hir Miessung ofgeschloss huet, wousst si absolut datt de Spin vum Bob sengem Elektron no ënnen riicht (an d'Richtung géintiwwer dem Spin vun hirem eegenen Elektron). Heescht dat datt hir Miessung dem Bob säin Elektron direkt an e Spin-Down-Staat setzt? Wéi kéint dat geschéien wann d'Elektronen raimlech getrennt sinn? Den Einstein a seng Kollaborateuren Nathan Rosen a Boris Podolsky hu gemengt, datt d'Geschicht vun der Messung vun entangled Systemer sou sérieux war, datt et d'Existenz vun der Quantemechanik menacéiert. Den Einstein-Podolsky-Rosen Paradox (EPR) deen se formuléiert hunn benotzt e Gedankeexperiment ähnlech wéi dee mir just beschriwwen hunn fir ze schléissen datt d'Quantemechanik net eng komplett Beschreiwung vun der Realitéit ka sinn. Elo, baséiert op der spéiderer theoretescher Fuerschung a villen Miessunge, ass d'allgemeng Meenung festgestallt ginn datt den EPR Paradox e Feeler enthält an d'Quantetheorie richteg ass. Quantemechanesch Entanglement ass reell: Miessunge vu verwéckelte Systemer korreléieren och wann d'Systemer wäit ausenee sinn a Raumzäit.
Loosst eis zréck an d'Situatioun goen, wou mir zwee Elektronen an engem Spin-Singlet-Staat gesat hunn an se dem Alice a Bob ginn. Wat kënne mir iwwer Elektronen soen ier Miessunge gemaach ginn? Datt déi zwee zesummen an engem bestëmmte Quantenzoustand sinn (Spin-Singlet). De Spin vum Alice sengem Elektron ass gläich wahrscheinlech erop oder erof geriicht. Méi präzis kann de Quantezoustand vu sengem Elektron mat gläicher Wahrscheinlechkeet een sinn (Spin erop) oder deen aneren (Spin erof). Elo fir eis kritt d'Konzept vun der Wahrscheinlechkeet eng méi déif Bedeitung wéi virdrun. Virdrun hu mir e bestëmmte Quantenzoustand (de Grondzoustand vum Waasserstoffatom) gekuckt a gesinn datt et e puer "onbequemen" Froen ginn, wéi "Wou ass den Elektron?" - Froen op déi d'Äntwerten nëmmen am probabilistesche Sënn existéieren. Wa mir "gutt" Froen stellen, wéi "Wat ass d'Energie vun dësem Elektron?", kréie mir definitiv Äntwerten. Elo ginn et keng "gutt" Froen déi mir iwwer dem Alice säin Elektron stellen kënnen, déi keng Äntwerten hunn, déi vum Bob sengem Elektron ofhänken. (Mir schwätzen net vun domm Froen wéi "Huet dem Alice säin Elektron iwwerhaapt e Spin?" - Froen op déi et nëmmen eng Äntwert gëtt.) Also, fir d'Parameter vun enger Halschent vum entangled System ze bestëmmen, musse mir benotzen probabilistesch Sprooch. Gewëssheet entsteet nëmme wa mir d'Verbindung tëscht de Froen berécksiichtegen, déi d'Alice an de Bob iwwer hir Elektronen stellen.
Mir hunn bewosst ugefaang mat engem vun den einfachsten quantummechanesche Systemer déi mir kennen: de System vu Spinn vun eenzelne Elektronen. Et gëtt Hoffnung datt Quantecomputer op Basis vun esou einfache Systemer gebaut ginn. D'Spinsystem vun eenzelne Elektronen oder aner gläichwäerteg Quantesystemer ginn elo Qubits genannt (kuerz fir "Quantebits"), wat hir Roll a Quantecomputer ënnersträicht, ähnlech wéi d'Roll vun normale Bits an digitale Computeren.
Loosst eis elo virstellen datt mir all Elektron mat engem vill méi komplexe Quantesystem mat villen, net nëmmen zwee, Quantezoustand ersat hunn. Zum Beispill hunn se Alice a Bob Baren aus purem Magnesium ginn. Ier d'Alice an de Bob hir getrennte Weeër ginn, kënnen hir Baren interagéieren, a mir si mir eens datt se doduerch e gewësse gemeinsame Quantestaat kréien. Soubal d'Alice an de Bob sech trennen, stoppen hir Magnesiumbarren mat interagéieren. Wéi am Fall vun Elektronen ass all Bar an engem onbestëmmten Quantezoustand, obwuel zesummen, wéi mir gleewen, e gutt definéierte Staat bilden. (An dëser Diskussioun huelen mir un datt d'Alice an de Bob fäeg sinn hir Magnesiumbarren ze beweegen ouni hiren internen Zoustand op iergendeng Manéier ze stéieren, sou wéi mir virdru ugeholl hunn datt d'Alice an de Bob hir verwéckelt Elektronen trennen ouni hir Spinn z'änneren.) en Ënnerscheed Den Ënnerscheed tëscht dësem Gedankeexperiment an dem Elektronenexperiment ass datt d'Onsécherheet am Quantezoustand vun all Bar enorm ass. D'Bar ka gutt méi Quantestate kréien wéi d'Zuel vun den Atomer am Universum. Dëst ass wou d'Thermodynamik an d'Spill kënnt. Ganz schlecht definéiert Systemer kënnen trotzdem e puer gutt definéiert makroskopesch Charakteristiken hunn. Sou eng Charakteristik ass zum Beispill Temperatur. Temperatur ass eng Moossnam fir wéi wahrscheinlech all Deel vun engem System eng gewëssen Duerchschnëttsenergie huet, mat méi héije Temperaturen entsprécht enger méi grousser Wahrscheinlechkeet méi Energie ze hunn. En aneren thermodynamesche Parameter ass Entropie, déi am Wesentlechen gläich ass mam Logarithmus vun der Unzuel vun de Staaten e System kann iwwerhuelen. Eng aner thermodynamesch Charakteristik déi bedeitend wier fir eng Magnesiumbar ass seng Nettmagnetiséierung, wat am Wesentlechen e Parameter ass dee weist wéi vill méi Spin-up Elektronen et an der Bar sinn wéi Spin-Down Elektronen.
Mir hunn d'Thermodynamik an eis Geschicht bruecht als e Wee fir Systemer ze beschreiwen, deenen hir Quantezoustand net präzis bekannt sinn wéinst hirem Verstouss mat anere Systemer. Thermodynamik ass e mächtegt Instrument fir esou Systemer ze analyséieren, awer seng Creatoren hunn hir Uwendung op dës Manéier guer net virgestallt. Sadi Carnot, James Joule, Rudolf Clausius waren Figuren vun der industrieller Revolutioun aus dem XNUMX. Joerhonnert, a si interesséiert sech fir déi prakteschst vun alle Froen: Wéi funktionéiere Motoren? Drock, Volumen, Temperatur an Hëtzt sinn d'Fleesch a Blutt vu Motoren. De Carnot huet festgestallt, datt Energie a Form vun Hëtzt ni komplett an nëtzlech Aarbecht ëmgewandelt ka ginn, wéi zum Beispill Lasten ophiewen. E puer Energie wäert ëmmer verschwenden. De Clausius huet e grousse Bäitrag zu der Schafung vun der Iddi vun der Entropie als universal Instrument fir Energieverloscht bei all Prozess mat Hëtzt ze bestëmmen. Seng Haapterreechung war d'Erkenntnis datt d'Entropie ni erofgeet - a bal all Prozesser erhéicht se. Prozesser, bei deenen d'Entropie eropgeet, ginn irreversibel genannt, genee well se net ouni Ofsenkung vun der Entropie kënnen ëmgedréit ginn. Den nächste Schrëtt an d'Entwécklung vun der statistescher Mechanik gouf vum Clausius, Maxwell a Ludwig Boltzmann (ënner villen aneren) geholl - si hunn gewisen datt Entropie e Mooss fir Stéierung ass. Normalerweis, wat Dir méi op eppes handelt, wat méi Stéierungen Dir kreéiert. An och wann Dir e Prozess designt deem säin Zil ass d'Uerdnung ze restauréieren, wäert et zwangsleefeg méi Entropie kreéieren wéi zerstéiert gëtt - zum Beispill andeems Dir Hëtzt verëffentlecht. E Kran, deen Stahlstrahlen an der perfekter Uerdnung leet, schaaft Uerdnung wat d'Arrangement vun den Trägere ugeet, awer während senger Operatioun generéiert et sou vill Hëtzt, datt d'Gesamtentropie nach ëmmer eropgeet.
Awer trotzdem ass den Ënnerscheed tëscht der Vue vun der Thermodynamik vun de Physiker aus dem XNUMX. All Kéier wann e System mat engem externen Agent interagéiert, gëtt säi Quantezoustand mat dem Quantezoustand vum Agent verwéckelt. Typesch féiert dës Entanglement zu enger Erhéijung vun der Onsécherheet vum Quantezoustand vum System, an anere Wierder, zu enger Erhéijung vun der Unzuel vun de Quantezoustand an deenen de System ka sinn. Als Resultat vun Interaktioun mat anere Systemer, Entropie, definéiert am Sënn vun der Unzuel vun de Quantephysik Staaten fir de System, normalerweis erop.
Allgemeng bitt d'Quantemechanik en neie Wee fir physesch Systemer ze charakteriséieren, an deenen e puer Parameteren (wéi Positioun am Weltraum) onsécher ginn, awer anerer (wéi Energie) sinn dacks mat Sécherheet bekannt. Am Fall vu Quanteverstrengung hunn zwee grondleeënd getrennten Deeler vum System e bekannte gemeinsame Quantezoustand, an all Deel getrennt en onsécheren Zoustand. E Standardbeispill vun Entanglement ass e Paar Spins an engem Singlet-Staat, an deem et onméiglech ass ze soen wéi eng Spin erop ass a wéi eng erof ass. D'Onsécherheet vum Quantezoustand an engem grousse System erfuerdert eng thermodynamesch Approche, an där makroskopesch Parameter wéi Temperatur an Entropie mat grousser Genauegkeet bekannt sinn, obwuel de System vill méiglech mikroskopesch Quantezoustand huet.
Nodeems mir eise kuerzen Ausfluch an d'Beräich vun der Quantemechanik, der Entanglement an der Thermodynamik ofgeschloss hunn, loosst eis elo versichen ze verstoen wéi all dëst zum Verständnis vun der Tatsaach féiert datt schwaarz Lächer eng Temperatur hunn. Den éischte Schrëtt dozou gouf vum Bill Unruh gemaach - hien huet gewisen datt e beschleunegen Beobachter am flaache Raum eng Temperatur gläich wéi seng Beschleunegung gedeelt duerch 2π huet. De Schlëssel fir Unruh seng Berechnungen ass datt en Beobachter, dee mat konstanter Beschleunegung an eng bestëmmte Richtung beweegt, nëmmen d'Halschent vun der flacher Raumzäit gesinn. Déi zweet Halschent ass wesentlech hannert engem Horizont ähnlech wéi dee vun engem schwaarze Lach. Am Ufank gesäit et onméiglech aus: wéi kann e flaach Raumzäit sech wéi den Horizont vun engem schwaarze Lach behuelen? Fir ze verstoen wéi dat ausgeet, ruffe mir eis trei Observateuren Alice, Bob a Bill fir Hëllef un. Op eis Ufro stelle si sech op d'Linn, mam Alice tëscht Bob a Bill, an d'Distanz tëscht den Observateuren an all Paar ass genee 6 Kilometer. Mir hunn eis eens ginn, datt zu Zäit Null Alice an d'Rakéit sprange wäert a Richtung Bill fléien (an dofir ewech vum Bob) mat konstante Beschleunegung. Seng Rakéit ass ganz gutt, fäeg Beschleunegung z'entwéckelen, déi 1,5 Billioun Mol méi grouss ass wéi d'Gravitatiounsbeschleunegung, mat där Objeten no der Äerduewerfläch bewegen. Natierlech ass et net einfach fir d'Alice sou eng Beschleunegung ze widderstoen, awer, wéi mer elo gesinn, sinn dës Zuelen fir en Zweck gewielt; um Enn vum Dag diskutéiere mir just iwwer potenziell Méiglechkeeten, dat ass alles. Genau am Moment wou d'Alice an hir Rakéit spréngt, wénken de Bob an de Bill hir. (Mir hunn d'Recht den Ausdrock "genau am Moment wou ..." ze benotzen, well wärend d'Alice hire Fluch nach net ugefaang huet, ass si am selwechte Referenzkader wéi de Bob an de Bill, sou datt se all hir Auer synchroniséiere kënnen .) Waving Alice, natierlech, gesäit de Bill fir hir: allerdéngs, an der Rakéit, wäert si him méi fréi gesinn, wéi dat geschitt wier, wa si bliwwe wier, wou si war, well hir Rakéit mat hir präziist Richtung him fléien. Am Géigendeel, si bewegt sech vum Bob ewech, also kënne mir raisonnabel dovun ausgoen, datt si him e bësse méi spéit wäert gesinn, wéi se gesinn hätt, wa si op der selwechter Plaz bliwwe wier. Awer d'Wourecht ass nach méi iwwerraschend: si wäert de Bob guer net gesinn! An anere Wierder, d'Photonen, déi vum Bob senger wénkend Hand op d'Alice fléien, wäerten hir ni ophalen, och well se ni d'Liichtgeschwindegkeet erreechen wäert. Wann de Bob ugefaangen hätt ze wénken, e bësse méi no bei Alice ze sinn, dann hätten d'Fotonen, déi am Moment vun hirem Depart vun him fort geflunn sinn, hatt iwwerholl, a wann hien e bësse méi wäit gewiescht wier, hätten se hatt net iwwerholl. Et ass an dësem Sënn datt mir soen datt d'Alice nëmmen d'Halschent vun der Raumzäit gesäit. Am Moment wou d'Alice ufänkt ze beweegen, ass de Bob e bësse méi wäit wéi den Horizont deen d'Alice observéiert.
An eiser Diskussioun iwwer d'Quanteverstrielung si mir der Iddi gewinnt datt och wann e Quantemechanismus als Ganzt e bestëmmte Quantezoustand huet, e puer Deeler dovun net hunn. Tatsächlech, wa mir e komplexe Quantesystem diskutéieren, kann en Deel dovun am beschten präzis a punkto Thermodynamik charakteriséiert ginn: et kann eng gutt definéiert Temperatur zougewisen ginn, trotz dem héich onséchere Quantezoustand vum ganze System. Eis lescht Geschicht mat Alice, Bob a Bill ass e bësse wéi dës Situatioun, awer de Quantesystem iwwer dee mir hei schwätzen ass eidel Raumzäit, an d'Alice gesäit nëmmen d'Halschent dovun. Loosst eis reservéieren, datt d'Raumzäit als Ganzt a sengem Grondzoustand ass, dat heescht datt et keng Partikelen dran ass (natierlech, d'Alice, de Bob, de Bill an d'Rakéit net zielen). Awer deen Deel vun der Raumzäit, déi d'Alice gesäit, wäert net am Grondzoustand sinn, mee an engem Zoustand, dee mat deem Deel dovunner verwéckelt ass, deen se net gesäit. D'Raumzäit, déi d'Alice erfaasst huet, ass an engem komplexen, onbestëmmten Quantezoustand charakteriséiert duerch eng endlech Temperatur. Dem Unruh seng Berechnunge weisen datt dës Temperatur ongeféier 60 Nanokelvin ass. Kuerz gesot, wéi d'Alice beschleunegt, schéngt si an engem waarme Stralungsbad mat enger Temperatur gläich (a passenden Eenheeten) mat der Beschleunigung gedeelt duerch
Reis. 7.1. D'Alice bewegt sech mat Beschleunegung vu Rescht, während de Bob a Bill onbeweeglech bleiwen. Dem Alice seng Beschleunegung ass just esou, datt si ni d'Fotonen gesinn, déi de Bob op t = 0 op de Wee schéckt. Si kritt awer d'Fotonen, déi de Bill hir bei t = 0 geschéckt huet. D'Resultat ass datt d'Alice nëmmen eng Halschent vun der Raumzäit beobachte kann.
Déi komesch Saach iwwer dem Unruh seng Berechnungen ass datt obwuel se vun Ufank bis Enn op eidel Plaz bezéien, widderspriechen se dem King Lear senge berühmte Wierder, "aus näischt kënnt näischt." Wéi kann eidel Plaz sou komplex sinn? Wou kënnen d'Partikel hierkommen? De Fakt ass datt no der Quantetheorie, eidel Raum guer net eidel ass. An et, hei an do, erschéngen a verschwannen dauernd kuerzlieweg Excitatiounen, déi virtuell Partikel genannt ginn, d'Energie vun deenen souwuel positiv wéi negativ ka sinn. En Beobachter aus der wäiter Zukunft - loosst eis hir Carol nennen - dee bal all eidel Raum ka gesinn, kann bestätegen datt et keng laang dauerhaft Partikelen dra sinn. Ausserdeem ass d'Präsenz vu Partikele mat positiver Energie an deem Deel vun der Raumzäit, déi d'Alice beobachte kann, wéinst der Quanteverstreetung, ass verbonne mat Excitatioune vu gläichen an entgéintgesaten Energiezeeche am Deel vun der Raumzäit, déi fir Alice net beobachtbar ass. Déi ganz Wourecht iwwer eidel Raumzäit als Ganzt gëtt dem Carol opgedeckt, an déi Wourecht ass datt et keng Partikelen do sinn. Wéi och ëmmer, dem Alice seng Erfahrung seet hir datt d'Partikel do sinn!
Awer dann stellt sech eraus datt d'Temperatur, déi vum Unruh berechent gëtt, einfach eng Fiktioun schéngt - et ass net sou vill eng Eegeschaft vum flaache Raum als solch, mä éischter eng Eegeschaft vun engem Beobachter, dee konstant Beschleunegung am flaache Raum erlieft. Wéi och ëmmer, d'Schwéierkraaft selwer ass déiselwecht "fiktiv" Kraaft am Sënn datt d'"Beschleunegung" déi se verursaacht näischt méi ass wéi Bewegung laanscht eng Geodetik an enger kromme Metrik. Wéi mir am Kapitel 2 erkläert hunn, seet dem Einstein säi Gläichgewiichtsprinzip datt Beschleunegung a Schwéierkraaft wesentlech gläichwäerteg sinn. Aus dëser Siicht gëtt et näischt besonnesch schockéierend doriwwer, datt den Horizont vum schwaarze Lach eng Temperatur huet, déi dem Unruh seng Berechnung vun der Temperatur vum beschleunegen Beobachter gläich ass. Awer, kënne mir froen, wéi ee Wäert vun der Beschleunegung solle mir benotze fir d'Temperatur ze bestëmmen? Andeems mir wäit genuch ewech vun engem schwaarze Lach plënneren, kënne mir seng Gravitatiounsattraktioun esou schwaach maachen wéi mir wëllen. Heescht dat datt fir d'effektiv Temperatur vun engem schwaarze Lach ze bestëmmen, dee mir moossen, mir e entspriechend klenge Wäert vun der Beschleunegung benotzen mussen? Dës Fro stellt sech als zimmlech lëschteg eraus, well, wéi mir gleewen, kann d'Temperatur vun engem Objet net arbiträr erofgoen. Et gëtt ugeholl datt et e fixe finite Wäert huet, dee souguer vun engem ganz wäiten Beobachter gemooss ka ginn.
Source: will.com