Il-Jum it-Tajjeb tal-Kosmonawtika! Bgħatnieh lill-istamperija . Kien matul dawn il-jiem li l-astrofiżiċi wrew lid-dinja kollha kif jidhru toqob suwed. Kumbinazzjoni? Ma naħsbux hekk 😉 Mela stenna, dalwaqt jidher ktieb mill-aqwa, miktub minn Steven Gabser u France Pretorius, tradott mill-astronomu mill-isbaħ ta’ Pulkovo aka Astrodedus Kirill Maslennikov, editjat xjentifikament mill-leġġendarju Vladimir Surdin u appoġġjat mill-pubblikazzjoni tiegħu mill- Fondazzjoni Trajtorja.
Silta "Termodinamika ta 'toqob suwed" taħt il-qatgħa.
Sa issa, aħna kkunsidraw it-toqob suwed bħala oġġetti astrofiżiċi li ġew iffurmati waqt splużjonijiet tas-supernova jew jinsabu fiċ-ċentri tal-galassji. Aħna nosservawhom indirettament billi nkejlu l-aċċelerazzjonijiet tal-kwiekeb qrib tagħhom. L-iskoperta famuża ta 'LIGO ta' mewġ gravitazzjonali fl-14 ta 'Settembru 2015 kienet eżempju ta' osservazzjonijiet aktar diretti ta 'ħabtiet ta' toqba sewda. L-għodod matematiċi li nużaw biex niksbu għarfien aħjar tan-natura tat-toqob suwed huma: ġeometrija differenzjali, ekwazzjonijiet ta 'Einstein, u metodi analitiċi u numeriċi qawwija użati biex isolvu l-ekwazzjonijiet ta' Einstein u jiddeskrivu l-ġeometrija tal-ispazju-ħin li jagħtu lok it-toqob suwed. U hekk kif nistgħu nagħtu deskrizzjoni kwantitattiva sħiħa tal-ispazju-ħin iġġenerat minn toqba sewda, mil-lat astrofiżiku, is-suġġett ta 'toqob suwed jista' jitqies magħluq. Minn perspettiva teoretika usa ', għad hemm ħafna lok għall-esplorazzjoni. L-iskop ta 'dan il-kapitolu huwa li jenfasizza xi wħud mill-avvanzi teoretiċi fil-fiżika moderna tat-toqba sewda, li fihom ideat mit-termodinamika u t-teorija tal-kwantistika huma kkombinati mar-relatività ġenerali biex jagħtu lok għal kunċetti ġodda mhux mistennija. L-idea bażika hija li t-toqob suwed mhumiex biss oġġetti ġeometriċi. Għandhom temperatura, għandhom entropija enormi, u jistgħu juru manifestazzjonijiet ta 'taħbil quantum. Id-diskussjonijiet tagħna dwar l-aspetti termodinamiċi u quantum tal-fiżika tat-toqob suwed se jkunu aktar frammentarji u superfiċjali mill-analiżi tal-karatteristiċi purament ġeometriċi tal-ispazju-ħin fit-toqob suwed ippreżentati fil-kapitoli preċedenti. Iżda dawn, u speċjalment il-quantum, l-aspetti huma parti essenzjali u vitali tar-riċerka teoretika li għaddejja dwar it-toqob suwed, u se nippruvaw ħafna biex inwasslu, jekk mhux id-dettalji kumplessi, allura għall-inqas l-ispirtu ta 'dawn ix-xogħlijiet.
Fir-relattività ġenerali klassika – jekk nitkellmu dwar il-ġeometrija differenzjali tas-soluzzjonijiet għall-ekwazzjonijiet ta’ Einstein – it-toqob suwed huma tassew suwed fis-sens li xejn ma jista’ jaħrab minnhom. Stephen Hawking wera li din is-sitwazzjoni tinbidel kompletament meta nqisu l-effetti quantum: it-toqob suwed jirriżultaw li jarmu radjazzjoni f’ċerta temperatura, magħrufa bħala t-temperatura ta’ Hawking. Għal toqob suwed ta 'daqsijiet astrofiżiċi (jiġifieri, minn toqob suwed stellari għal toqob suwed supermassivi), it-temperatura ta' Hawking hija negliġibbli meta mqabbla mat-temperatura tal-isfond tal-microwave kożmiku - ir-radjazzjoni li timla l-Univers kollu, li, mill-mod, tista ' innifsu jitqies bħala varjant tar-radjazzjoni Hawking. Il-kalkoli ta’ Hawking biex tiddetermina t-temperatura tat-toqob suwed huma parti minn programm ta’ riċerka akbar f’qasam imsejjaħ termodinamika tat-toqba sewda. Parti kbira oħra ta 'dan il-programm hija l-istudju tal-entropija tat-toqba sewda, li tkejjel l-ammont ta' informazzjoni mitlufa ġewwa toqba sewda. Oġġetti ordinarji (bħal tazza ilma, blokka ta 'manjeżju pur, jew stilla) għandhom ukoll entropy, u waħda mid-dikjarazzjonijiet ċentrali tat-termodinamika tat-toqba sewda hija li toqba sewda ta' daqs partikolari għandha aktar entropy minn kwalunkwe forma oħra. ta’ materja li tista’ tinsab f’żona ta’ l-istess daqs, iżda mingħajr il-formazzjoni ta’ toqba sewda.
Iżda qabel ma ngħaddu fil-fond fil-kwistjonijiet li jdawwar ir-radjazzjoni Hawking u l-entropija tat-toqba sewda, ejja nagħtu dawra malajr fl-oqsma tal-mekkanika kwantistika, it-termodinamika u t-tħabbil. Il-mekkanika kwantika ġiet żviluppata prinċipalment fl-1920, u l-għan ewlieni tagħha kien li tiddeskrivi partiċelli żgħar ħafna ta 'materja, bħall-atomi. L-iżvilupp tal-mekkanika kwantistika wassal għall-erożjoni ta 'kunċetti bażiċi bħal dawn tal-fiżika bħall-pożizzjoni eżatta ta' partiċella individwali: irriżulta, pereżempju, li l-pożizzjoni ta 'elettron hekk kif jiċċaqlaq madwar nukleu atomiku ma tistax tiġi determinata b'mod preċiż. Minflok, l-elettroni ġew assenjati l-hekk imsejħa orbiti, li fihom il-pożizzjonijiet attwali tagħhom jistgħu jiġu determinati biss f'sens probabilistiku. Għall-iskopijiet tagħna, madankollu, huwa importanti li ma nimxu malajr wisq lejn din in-naħa probabilistika tal-affarijiet. Ejja nieħdu l-aktar eżempju sempliċi: l-atomu tal-idroġenu. Jista 'jkun f'ċertu stat quantum. L-aktar stat sempliċi ta 'atomu ta' l-idroġenu, imsejjaħ l-istat fundamentali, huwa l-istat bl-inqas enerġija, u din l-enerġija hija magħrufa preċiżament. B'mod aktar ġenerali, il-mekkanika kwantistika tippermettilna (fil-prinċipju) inkunu nafu l-istat ta 'kwalunkwe sistema kwantistika bi preċiżjoni assoluta.
Il-probabbiltajiet jidħlu fis-seħħ meta nistaqsu ċerti tipi ta’ mistoqsijiet dwar sistema mekkanika kwantistika. Pereżempju, jekk huwa ċert li atomu tal-idroġenu jinsab fl-istat fundamentali, nistgħu nistaqsu, "Fejn hu l-elettron?" u skond il-liġijiet tal-quantum
mekkaniċi, se nġibu biss xi stima tal-probabbiltà għal din il-mistoqsija, bejn wieħed u ieħor xi ħaġa bħal: "probabbilment l-elettron jinsab f'distanza ta 'sa nofs angstrom min-nukleu ta' atomu tal-idroġenu" (angstrom wieħed huwa ugwali għal 
metri). Iżda għandna l-opportunità, permezz ta 'ċertu proċess fiżiku, li nsibu l-pożizzjoni tal-elettron b'mod ferm aktar preċiż milli għal angstrom wieħed. Dan il-proċess pjuttost komuni fil-fiżika jikkonsisti fl-isparar ta’ foton ta’ wavelength qasir ħafna f’elettron (jew, kif jgħidu l-fiżiċi, it-tifrix ta’ foton b’elettron) – wara li nistgħu nibnu mill-ġdid il-post tal-elettron fil-mument tat-tifrix b’ preċiżjoni bejn wieħed u ieħor ugwali għall-wavelength photon. Iżda dan il-proċess se jibdel l-istat ta 'l-elettron, sabiex wara dan ma jibqax fl-istat fundamentali ta' l-atomu ta 'l-idroġenu u ma jkollux enerġija definita b'mod preċiż. Iżda għal xi żmien il-pożizzjoni tagħha se tkun iddeterminata kważi eżattament (b'eżattezza tal-wavelength tal-foton użat għal dan). Stima preliminari tal-pożizzjoni tal-elettron tista' ssir biss f'sens probabilistiku b'eżattezza ta' madwar angstrom wieħed, iżda ladarba nkejluha nafu eżattament x'kienet. Fil-qosor, jekk inkejlu sistema mekkanika kwantistika b'xi mod, allura, għall-inqas fis-sens konvenzjonali, aħna "ġiegħelha" fi stat b'ċertu valur tal-kwantità li qed inkejlu.
Il-mekkanika kwantika tapplika mhux biss għal sistemi żgħar, iżda (nemmnu) għas-sistemi kollha, iżda għal sistemi kbar ir-regoli tal-mekkanika kwantistika malajr isiru kumplessi ħafna. Kunċett ewlieni huwa quantum entanglement, li eżempju sempliċi tiegħu huwa l-kunċett ta 'spin. Elettroni individwali għandhom spin, għalhekk fil-prattika elettron wieħed jista 'jkollu spin dirett 'il fuq jew 'l isfel fir-rigward ta' assi spazjali magħżul. L-ispin ta 'elettron huwa kwantità osservabbli minħabba li l-elettron jiġġenera kamp manjetiku dgħajjef, simili għall-kamp ta' bar manjetiku. Imbagħad spin up ifisser li l-arblu tat-tramuntana tal-elettron qed jipponta 'l isfel, u spin down ifisser li l-arblu tat-tramuntana qed jipponta 'l fuq. Żewġ elettroni jistgħu jitqiegħdu fi stat quantum konjugat, li fih wieħed minnhom għandu spin up u l-ieħor għandu spin 'l isfel, iżda huwa impossibbli li tgħid liema elettron għandu liema spin. Essenzjalment, fl-istat fundamentali ta 'atomu tal-elju, żewġ elettroni huma eżattament f'dan l-istat, imsejjaħ singlet spin, peress li l-ispin totali taż-żewġ elettroni huwa żero. Jekk nisseparaw dawn iż-żewġ elettroni mingħajr ma nbiddlu l-ispins tagħhom, xorta nistgħu ngħidu li huma spin singlets flimkien, iżda xorta ma nistgħux ngħidu x'se jkun l-ispin ta 'wieħed minnhom individwalment. Issa, jekk inkejlu waħda mill-ispins tagħhom u nistabbilixxu li hija diretta 'l fuq, allura nkunu kompletament żguri li t-tieni hija diretta 'l isfel. F'din is-sitwazzjoni, ngħidu li l-ispins huma mħabblin—la waħedha m'għandha valur definit, filwaqt li flimkien huma fi stat quantum definit.
Einstein kien imħasseb ħafna dwar il-fenomenu tat-tħabbil: deher li jhedded il-prinċipji bażiċi tat-teorija tar-relattività. Ejja nikkunsidraw il-każ ta 'żewġ elettroni fi stat singlet spin, meta jkunu 'l bogħod minn xulxin fl-ispazju. Biex tkun ċert, ħalli Alice tieħu waħda minnhom u Bob jieħu l-ieħor. Ejja ngħidu li Alice kejlet l-ispin ta 'l-elettron tagħha u sabet li kien dirett 'il fuq, iżda Bob ma kejjel xejn. Sakemm Alice għamlet il-kejl tagħha, kien impossibbli li tgħid x'kienet l-ispin ta 'l-elettron tiegħu. Iżda hekk kif lestiet il-kejl tagħha, hi assolutament taf li l-ispin ta 'l-elettron ta' Bob kien dirett 'l isfel (fid-direzzjoni opposta għall-ispin ta' l-elettron tagħha stess). Dan ifisser li l-kejl tagħha istantanjament poġġa l-elettron ta 'Bob fi stat spin-down? Kif jista 'jiġri dan jekk l-elettroni huma separati spazjalment? Einstein u l-kollaboraturi tiegħu Nathan Rosen u Boris Podolsky ħassew li l-istorja tal-kejl tas-sistemi mħabblin kienet tant serja li hedded l-eżistenza stess tal-mekkanika kwantistika. Il-Paradoss Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) li fformulaw juża esperiment ta’ ħsieb simili għal dak li għadna kif iddeskrivejna biex nikkonkludu li l-mekkanika kwantistika ma tistax tkun deskrizzjoni sħiħa tar-realtà. Issa, ibbażat fuq ir-riċerka teoretika sussegwenti u ħafna kejl, ġie stabbilit il-kunsens ġenerali li l-paradoss EPR fih żball u t-teorija tal-kwantum hija korretta. It-tħabbil mekkaniku kwantiku huwa reali: il-kejl ta 'sistemi mħabblin se jikkorrelataw anki jekk is-sistemi huma 'l bogħod minn xulxin fl-ispazju-ħin.
Ejja mmorru lura għas-sitwazzjoni fejn poġġejna żewġ elettroni fi stat singlet spin u tawhom lil Alice u Bob. X'nistgħu ngħidu dwar l-elettroni qabel ma jsir il-kejl? Li t-tnejn flimkien huma f'ċertu stat quantum (spin-singlet). L-ispin ta 'l-elettron ta' Alice huwa ugwalment probabbli li jkun dirett 'il fuq jew 'l isfel. B'mod aktar preċiż, l-istat quantum ta 'l-elettron tiegħu jista' bi probabbiltà ugwali jkun wieħed (spin up) jew l-ieħor (spin down). Issa għalina l-kunċett tal-probabbiltà jieħu tifsira aktar profonda minn qabel. Preċedentement ħares lejn ċertu stat quantum (l-istat fundamentali tal-atomu tal-idroġenu) u rajna li hemm xi mistoqsijiet "inkonvenjenti", bħal "Fejn hu l-elettron?" - mistoqsijiet li għalihom it-tweġibiet jeżistu biss f'sens probabilistiku. Jekk staqsejna mistoqsijiet "tajbin", bħal "X'inhi l-enerġija ta 'dan l-elettron?", Inġibu tweġibiet definiti. Issa, m'hemm l-ebda mistoqsija "tajba" li nistgħu nistaqsu dwar l-elettron ta 'Alice li m'għandhomx tweġibiet li jiddependu fuq l-elettron ta' Bob. (Mhux qed nitkellmu dwar mistoqsijiet stupidi bħal "L-elettron ta 'Alice anke għandu spin?" - mistoqsijiet li għalihom hemm tweġiba waħda biss.) Allura, biex niddeterminaw il-parametri ta' nofs is-sistema mħabbla, ikollna nużaw lingwaġġ probabilistiku. Iċ-ċertezza tqum biss meta nikkunsidraw il-konnessjoni bejn il-mistoqsijiet li Alice u Bob jistgħu jistaqsu dwar l-elettroni tagħhom.
Bdejna deliberatament b'waħda mis-sistemi mekkaniċi quantum sempliċi li nafu: is-sistema ta 'spins ta' elettroni individwali. Hemm tama li l-kompjuters quantum jinbnew fuq il-bażi ta' sistemi sempliċi bħal dawn. Is-sistema ta 'spin ta' elettroni individwali jew sistemi kwantiċi ekwivalenti issa jissejħu qubits (qosor għal "quantum bits"), li jenfasizzaw ir-rwol tagħhom fil-kompjuters quantum, simili għar-rwol li għandhom il-bits ordinarji fil-kompjuters diġitali.
Ejja issa nimmaġinaw li ssostitwijna kull elettron b'sistema quantum ħafna aktar kumplessa b'ħafna, mhux biss żewġ, stati quantum. Per eżempju, huma taw Alice u Bob bars ta 'manjeżju pur. Qabel ma Alice u Bob imorru fi triqthom separati, il-vireg tagħhom jistgħu jinteraġixxu, u naqblu li meta jagħmlu hekk jiksbu ċertu stat quantum komuni. Hekk kif Alice u Bob jisseparaw, il-vireg tal-manjeżju tagħhom jieqfu jinteraġixxu. Bħal fil-każ tal-elettroni, kull bar hija fi stat quantum indeterminat, għalkemm flimkien, kif nemmnu, jiffurmaw stat definit tajjeb. (F'din id-diskussjoni, nassumu li Alice u Bob huma kapaċi jċaqalqu l-vireg tal-manjeżju tagħhom mingħajr ma jfixklu l-istat intern tagħhom bl-ebda mod, bħalma preċedentement assumijna li Alice u Bob setgħu jisseparaw l-elettroni mħabblin tagħhom mingħajr ma jbiddlu l-ispins tagħhom.) Iżda hemm differenza Id-differenza bejn dan l-esperiment tal-ħsieb u l-esperiment tal-elettroni hija li l-inċertezza fl-istat quantum ta 'kull bar hija enormi. Il-bar jista 'jakkwista aktar stati quantum min-numru ta' atomi fl-Univers. Dan huwa fejn tidħol it-termodinamika. Sistemi mhux definiti ħafna jista' madankollu jkollhom xi karatteristiċi makroskopiċi definiti tajjeb. Karatteristika bħal din hija, pereżempju, it-temperatura. It-temperatura hija kejl ta' kemm hu probabbli li kwalunkwe parti ta' sistema jkollha ċerta enerġija medja, b'temperaturi ogħla jikkorrispondu għal probabbiltà akbar li jkollha enerġija akbar. Parametru termodinamiku ieħor huwa l-entropija, li hija essenzjalment ugwali għall-logaritmu tan-numru ta 'stati li sistema tista' tassumi. Karatteristika termodinamika oħra li tkun sinifikanti għal bar tal-manjeżju hija l-manjetizzazzjoni netta tagħha, li essenzjalment hija parametru li juri kemm hemm aktar elettroni spin-up fil-bar minn elettroni spin-down.
Ġibna t-termodinamika fl-istorja tagħna bħala mod biex niddeskrivu sistemi li l-istati quantum tagħhom mhumiex magħrufa b'mod preċiż minħabba t-tħabbil tagħhom ma 'sistemi oħra. It-termodinamika hija għodda qawwija għall-analiżi ta 'sistemi bħal dawn, iżda l-ħallieqa tagħha ma ħasbu xejn l-applikazzjoni tagħha b'dan il-mod. Sadi Carnot, James Joule, Rudolf Clausius kienu figuri tar-rivoluzzjoni industrijali tas-seklu 19, u kienu interessati fl-iktar mistoqsijiet prattiċi minn kull: kif jaħdmu l-magni? Pressjoni, volum, temperatura u sħana huma l-laħam u d-demm tal-magni. Carnot stabbilixxa li l-enerġija fil-forma ta 'sħana qatt ma tista' tiġi kkonvertita kompletament f'xogħol utli bħall-irfigħ ta 'tagħbijiet. Xi enerġija dejjem se tinħela. Clausius ta kontribut kbir għall-ħolqien ta 'l-idea ta' entropija bħala għodda universali biex jiġi ddeterminat it-telf ta 'enerġija matul kwalunkwe proċess li jinvolvi s-sħana. Il-kisba ewlenija tiegħu kienet ir-realizzazzjoni li l-entropija qatt ma tonqos - fi kważi l-proċessi kollha tiżdied. Proċessi li fihom iż-żidiet tal-entropija jissejħu irriversibbli, preċiżament għaliex ma jistgħux jitreġġgħu lura mingħajr tnaqqis fl-entropija. Il-pass li jmiss lejn l-iżvilupp tal-mekkanika statistika ttieħed minn Clausius, Maxwell u Ludwig Boltzmann (fost ħafna oħrajn) - urew li l-entropija hija miżura ta 'diżordni. Normalment, iktar ma taġixxi fuq xi ħaġa, iktar toħloq diżordni. U anki jekk tfassal proċess li l-għan tiegħu huwa li jerġa 'jġib l-ordni, inevitabbilment se joħloq aktar entropy milli se tinqered—per eżempju, billi tirrilaxxa s-sħana. Krejn li jpoġġi travi tal-azzar f'ordni perfetta joħloq ordni f'termini tal-arranġament tat-travi, iżda matul it-tħaddim tiegħu jiġġenera tant sħana li l-entropija ġenerali għadha tiżdied.
Iżda xorta waħda, id-differenza bejn il-fehma tat-termodinamika tal-fiżiċi tas-seklu 19 u l-fehma assoċjata mat-tħabbil quantum mhix kbira daqs kemm tidher. Kull darba li sistema jinteraġixxi ma 'aġent estern, l-istat kwantiku tagħha jitħabbel ma' l-istat quantum ta 'l-aġent. Tipikament, dan it-tħabbil iwassal għal żieda fl-inċertezza tal-istat quantum tas-sistema, fi kliem ieħor, għal żieda fin-numru ta 'stati quantum li fihom tista' tkun is-sistema. Bħala riżultat ta 'interazzjoni ma' sistemi oħra, l-entropija, definita f'termini tan-numru ta 'stati quantum disponibbli għas-sistema, normalment tiżdied.
B'mod ġenerali, il-mekkanika kwantistika tipprovdi mod ġdid biex tikkaratterizza s-sistemi fiżiċi li fihom xi parametri (bħal pożizzjoni fl-ispazju) isiru inċerti, iżda oħrajn (bħall-enerġija) ħafna drabi huma magħrufa b'ċertezza. Fil-każ tat-taħbil tal-quantum, żewġ partijiet fundamentalment separati tas-sistema għandhom stat quantum komuni magħruf, u kull parti separatament għandha stat inċert. Eżempju standard ta 'tħabbil huwa par ta' spins fi stat singlet, li fih huwa impossibbli li tgħid liema spin huwa 'l fuq u liema huwa 'l isfel. L-inċertezza tal-istat quantum f'sistema kbira teħtieġ approċċ termodinamiku li fih il-parametri makroskopiċi bħat-temperatura u l-entropija huma magħrufa bi preċiżjoni kbira, minkejja li s-sistema għandha ħafna stati kwantiċi mikroskopiċi possibbli.
Wara li lestejna l-eskursjoni qasira tagħna fl-oqsma tal-mekkanika kwantistika, it-tħabbil u t-termodinamika, ejja issa nippruvaw nifhmu kif dan kollu jwassal għall-fehim tal-fatt li t-toqob suwed għandhom temperatura. L-ewwel pass lejn dan sar minn Bill Unruh - wera li osservatur li jaċċellera fi spazju ċatt ikollu temperatura ugwali għall-aċċelerazzjoni tiegħu diviża b'2π. Iċ-ċavetta għall-kalkoli ta 'Unruh hija li osservatur li jiċċaqlaq b'aċċelerazzjoni kostanti f'ċerta direzzjoni jista' jara biss nofs ta 'spazju ċatt. It-tieni nofs huwa essenzjalment wara orizzont simili għal dak ta 'toqba sewda. Għall-ewwel jidher impossibbli: kif jista 'jġib ruħu spazjali ċatt bħall-orizzont ta' toqba sewda? Biex nifhmu kif jirriżulta dan, ejja nsejħu lill-osservaturi fidili tagħna Alice, Bob u Bill għall-għajnuna. Fuq talba tagħna, huma jingħaqdu, ma 'Alice bejn Bob u Bill, u d-distanza bejn l-osservaturi f'kull par hija eżattament 6 kilometri. Qbilna li fil-ħin żero Alice se taqbeż fir-rokit u ttir lejn Bill (u għalhekk 'il bogħod minn Bob) b'aċċelerazzjoni kostanti. Ir-rokit tiegħu huwa tajjeb ħafna, kapaċi jiżviluppa aċċelerazzjoni 1,5 triljun darba akbar mill-aċċelerazzjoni gravitazzjonali li biha l-oġġetti jimxu ħdejn il-wiċċ tad-Dinja. Naturalment, mhux faċli għal Alice li tiflaħ tali aċċelerazzjoni, iżda, kif se naraw issa, dawn in-numri jintgħażlu għal skop; fl-aħħar tal-ġurnata, qed niddiskutu biss opportunitajiet potenzjali, dak kollu. Eżattament fil-mument meta Alice taqbeż fir-rokit tagħha, Bob u Bill mewġa lejha. (Għandna d-dritt nużaw l-espressjoni “eżattament fil-mument meta...”, għax filwaqt li Alice għadha ma bdietx it-titjira tagħha, hi fl-istess qafas ta’ referenza bħal Bob u Bill, sabiex ikunu jistgħu kollha jissinkronizzaw l-arloġġi tagħhom .) Waving Alice, ovvjament, jara lil Bill lilha: madankollu, billi tkun fir-rokit, hi se tarah aktar kmieni milli dan kien jiġri kieku baqgħet fejn kienet, għax ir-rokit tagħha magħha qed itir preċiżament lejh. Għall-kuntrarju, titbiegħed minn Bob, u għalhekk nistgħu nassumu raġonevolment li hi se tarah ixejjer lejha ftit aktar tard milli kienet tara kieku baqgħet fl-istess post. Iżda l-verità hija saħansitra aktar sorprendenti: hi ma tara lil Bob xejn! Fi kliem ieħor, il-fotoni li jtiru minn idejha t-tbandil ta’ Bob għal Alice qatt mhu se jaqbduha, anke meta wieħed iqis li qatt mhu se tkun kapaċi tilħaq il-veloċità tad-dawl. Kieku Bob beda jxejjer, li kien ftit eqreb lejn Alice, allura l-fotoni li ħarġu 'l bogħod minnu fil-mument tat-tluq tagħha kienu qabżuha, u kieku kien ftit aktar 'il bogħod, ma kinux jaqbżuha. Huwa f’dan is-sens li ngħidu li Alice tara biss nofs l-ispazju-ħin. Fil-mument meta Alice tibda tiċċaqlaq, Bob jinsab ftit aktar mill-orizzont li Alice tosserva.
Fid-diskussjoni tagħna dwar it-tħabbil quantum, sirna mdorrijin bl-idea li anki jekk sistema mekkanika kwantistika kollha kemm hi għandha ċertu stat quantum, xi partijiet minnha jista 'ma jkollhomx. Fil-fatt, meta niddiskutu sistema kwantistika kumplessa, xi parti minnha tista 'tkun ikkaratterizzata l-aħjar preċiżament f'termini ta' termodinamika: tista 'tiġi assenjata temperatura definita tajjeb, minkejja l-istat quantum inċert ħafna tas-sistema kollha. L-aħħar storja tagħna li tinvolvi lil Alice, Bob u Bill hija daqsxejn bħal din is-sitwazzjoni, iżda s-sistema quantum li qed nitkellmu hawn hija spazju-ħin vojt, u Alice tara biss nofsha. Ejja nagħmlu riżerva li l-ispazju-ħin kollu kemm hu jinsab fl-istat fundamentali tiegħu, li jfisser li m'hemm l-ebda partiċelli fih (naturalment, mingħajr ma ngħoddu Alice, Bob, Bill u r-rokit). Imma l-parti tal-ispazju-ħin li Alice tara mhux se tkun fl-istat fundamentali, iżda fi stat imħabbbil mal-parti minnu li hi ma tarax. L-ispazju-ħin perċepit minn Alice jinsab fi stat quantum kumpless u indeterminat ikkaratterizzat minn temperatura finita. Il-kalkoli ta 'Unruh jindikaw li din it-temperatura hija madwar 60 nanokelvin. Fil-qosor, hekk kif Alice taċċellera, tidher li tkun mgħaddsa f'banju sħun ta' radjazzjoni b'temperatura ugwali (f'unitajiet xierqa) għall-aċċelerazzjoni diviża b'
Ross. 7.1. Alice timxi b'aċċelerazzjoni mill-mistrieħ, filwaqt li Bob u Bill jibqgħu bla moviment. L-aċċelerazzjoni ta 'Alice hija biss tali li qatt mhu se tara l-fotoni li Bob jibgħatha fi t = 0. Madankollu, hija tirċievi l-fotoni li Bill bagħatha f't = 0. Ir-riżultat hu li Alice kapaċi tosserva biss nofs l-ispazju-ħin.
Il-ħaġa stramba tal-kalkoli ta’ Unruh hija li għalkemm jirreferu mill-bidu sal-aħħar għal spazju vojt, jikkontradixxu l-kliem famuż tar-Re Lear, “minn xejn ma joħroġ xejn.” Kif jista' l-ispazju vojt ikun daqshekk kumpless? Minn fejn jistgħu jiġu l-partiċelli? Il-fatt hu li skont it-teorija tal-quantum, l-ispazju vojt mhu vojt xejn. Fiha, hawn u hemm, eċċitazzjonijiet ta 'ħajja qasira jidhru u jisparixxu kontinwament, imsejħa partiċelli virtwali, li l-enerġija tagħhom tista' tkun kemm pożittiva kif ukoll negattiva. Osservatur mill-futur imbiegħed—ejja nsejħulha Carol—li jista’ jara kważi l-ispazju vojt kollu jista’ jikkonferma li m’hemmx partiċelli li jdumu fih. Barra minn hekk, il-preżenza ta 'partiċelli b'enerġija pożittiva f'dik il-parti tal-ispazju-ħin li Alice tista' tosserva, minħabba t-taħbil tal-kwantum, hija assoċjata ma 'eċċitazzjonijiet ta' sinjal ugwali u oppost ta 'enerġija fil-parti tal-ispazju-ħin mhux osservabbli għal Alice. Il-verità kollha dwar l-ispazju-ħin vojt kollu kemm hu tiġi żvelata lil Carol, u dik il-verità hija li hemm l-ebda partiċelli. Madankollu, l-esperjenza ta’ Alice tgħidilha li l-partiċelli qegħdin hemm!
Iżda mbagħad jirriżulta li t-temperatura kkalkulata minn Unruh tidher li hija sempliċiment finzjoni - mhix daqstant proprjetà ta 'spazju ċatt bħala tali, iżda pjuttost proprjetà ta' osservatur li jesperjenza aċċelerazzjoni kostanti fl-ispazju ċatt. Madankollu, il-gravità nnifisha hija l-istess forza "fittizja" fis-sens li l-"aċċelerazzjoni" li tikkawża hija xejn aktar minn moviment tul ġeodesiku f'metrika mgħawġa. Kif spjegajna fil-Kapitolu 2, il-prinċipju ta 'ekwivalenza ta' Einstein jgħid li l-aċċelerazzjoni u l-gravità huma essenzjalment ekwivalenti. Minn dan il-lat, m'hemm xejn partikolarment xokkanti dwar l-orizzont tat-toqba sewda li jkollu temperatura ugwali għall-kalkolu ta 'Unruh tat-temperatura tal-osservatur li jaċċellera. Imma, nistgħu nistaqsu, liema valur ta 'aċċelerazzjoni għandna nużaw biex niddeterminaw it-temperatura? Billi nimxu 'l bogħod biżżejjed minn toqba sewda, nistgħu nagħmlu l-attrazzjoni gravitazzjonali tagħha dgħajfa kemm nixtiequ. Dan ifisser li biex tiddetermina t-temperatura effettiva ta 'toqba sewda li nkejlu, għandna bżonn nużaw valur ta' aċċelerazzjoni korrispondenti żgħir? Din il-mistoqsija tirriżulta li hija pjuttost insidjuża, għaliex, kif nemmnu, it-temperatura ta 'oġġett ma tistax tonqos b'mod arbitrarju. Huwa preżunt li għandu xi valur finit fiss li jista 'jitkejjel anke minn osservatur imbiegħed ħafna.
Sors: www.habr.com