Heri ya Siku ya Cosmonautics! Tuliipeleka kwenye nyumba ya uchapishaji . Ilikuwa wakati wa siku hizi kwamba wanajimu walionyesha ulimwengu wote jinsi shimo nyeusi zinavyoonekana. Bahati mbaya? Hatufikiri hivyo 😉 Kwa hivyo subiri, kitabu cha kustaajabisha kitatokea hivi karibuni, kilichoandikwa na Steven Gabser na France Pretorius, kilichotafsiriwa na mwanaastronomia wa ajabu wa Pulkovo almaarufu Astrodedus Kirill Maslennikov, kilichohaririwa kisayansi na hadithi Vladimir Surdin na kuungwa mkono na kuchapishwa kwake na Msingi wa Trajectory.
Dondoo "Thermodynamics ya mashimo nyeusi" chini ya kata.
Hadi sasa, tumezingatia shimo nyeusi kama vitu vya anga ambavyo viliundwa wakati wa milipuko ya supernova au kulala katikati ya galaksi. Tunaziangalia kwa njia isiyo ya moja kwa moja kwa kupima kasi ya nyota karibu nao. Ugunduzi maarufu wa LIGO wa mawimbi ya mvuto mnamo Septemba 14, 2015 ulikuwa mfano wa uchunguzi wa moja kwa moja wa migongano ya shimo nyeusi. Zana za hisabati tunazotumia kupata ufahamu bora wa asili ya mashimo meusi ni: jiometri tofauti, milinganyo ya Einstein, na mbinu zenye nguvu za uchanganuzi na nambari zinazotumiwa kutatua milinganyo ya Einstein na kuelezea jiometri ya muda wa anga ambayo mashimo meusi hutokeza. Na mara tu tunaweza kutoa maelezo kamili ya kiasi cha muda wa nafasi unaozalishwa na shimo nyeusi, kutoka kwa mtazamo wa astrophysical, mada ya shimo nyeusi inaweza kuchukuliwa kuwa imefungwa. Kwa mtazamo mpana wa kinadharia, bado kuna nafasi kubwa ya uchunguzi. Madhumuni ya sura hii ni kuangazia baadhi ya maendeleo ya kinadharia katika fizikia ya kisasa ya shimo nyeusi, ambapo mawazo kutoka kwa nadharia ya thermodynamics na quantum huunganishwa na uhusiano wa jumla ili kutoa dhana mpya zisizotarajiwa. Wazo la msingi ni kwamba mashimo nyeusi sio tu vitu vya kijiometri. Wana joto, wana entropy kubwa, na wanaweza kuonyesha udhihirisho wa msongamano wa quantum. Majadiliano yetu ya vipengele vya thermodynamic na quantum ya fizikia ya mashimo meusi yatakuwa vipande vipande na ya juu juu kuliko uchanganuzi wa vipengele vya kijiometri vya muda wa nafasi katika mashimo meusi yaliyowasilishwa katika sura zilizopita. Lakini haya, na hasa quantum, vipengele ni sehemu muhimu na muhimu ya utafiti unaoendelea wa kinadharia juu ya shimo nyeusi, na tutajaribu sana kufikisha, ikiwa sio maelezo magumu, basi angalau roho ya kazi hizi.
Katika uhusiano wa jumla wa kitamaduni - ikiwa tunazungumza juu ya jiometri tofauti ya suluhisho kwa hesabu za Einstein - shimo nyeusi ni nyeusi kweli kwa maana kwamba hakuna kitu kinachoweza kutoroka kutoka kwao. Stephen Hawking alionyesha kuwa hali hii inabadilika kabisa tunapozingatia athari za quantum: mashimo meusi yanageuka kutoa mionzi kwa joto fulani, linalojulikana kama halijoto ya Hawking. Kwa shimo nyeusi za saizi ya anga (hiyo ni, kutoka kwa misa ya nyota hadi shimo nyeusi kubwa), hali ya joto ya Hawking haina maana ikilinganishwa na hali ya joto ya asili ya microwave ya ulimwengu - mionzi inayojaza Ulimwengu wote, ambayo, kwa njia, inaweza. yenyewe inachukuliwa kuwa lahaja ya mionzi ya Hawking. Hesabu za Hawking za kubainisha halijoto ya mashimo meusi ni sehemu ya programu kubwa zaidi ya utafiti katika uwanja unaoitwa black hole thermodynamics. Sehemu nyingine kubwa ya mpango huu ni utafiti wa shimo nyeusi entropy, ambayo hupima kiasi cha habari iliyopotea ndani ya shimo nyeusi. Vitu vya kawaida (kama vile kikombe cha maji, kizuizi cha magnesiamu safi, au nyota) pia vina entropy, na moja ya kauli kuu ya thermodynamics ya shimo nyeusi ni kwamba shimo nyeusi la ukubwa fulani lina entropy zaidi kuliko aina nyingine yoyote. eneo la ukubwa sawa, lakini bila kuundwa kwa shimo nyeusi.
Lakini kabla ya kuzama kwa kina katika masuala yanayohusu mionzi ya Hawking na shimo nyeusi entropy, hebu tuzungumze kwa haraka katika nyanja za quantum mechanics, thermodynamics, na entanglement. Mechanics ya quantum ilitengenezwa haswa katika miaka ya 1920, na kusudi lake kuu lilikuwa kuelezea chembe ndogo sana za maada, kama vile atomi. Ukuaji wa mechanics ya quantum ulisababisha mmomonyoko wa dhana za kimsingi za fizikia kama nafasi halisi ya chembe ya mtu binafsi: iliibuka, kwa mfano, kwamba nafasi ya elektroni inapozunguka kiini cha atomiki haiwezi kuamuliwa kwa usahihi. Badala yake, elektroni zilipewa kinachojulikana kama obiti, ambayo nafasi zao halisi zinaweza kuamua tu kwa maana ya uwezekano. Kwa madhumuni yetu, hata hivyo, ni muhimu kutosonga haraka sana kwa upande huu wa mambo unaowezekana. Wacha tuchukue mfano rahisi zaidi: atomi ya hidrojeni. Inaweza kuwa katika hali fulani ya quantum. Hali rahisi zaidi ya atomi ya hidrojeni, inayoitwa hali ya chini, ni hali yenye nishati ya chini zaidi, na nishati hii inajulikana kwa usahihi. Kwa ujumla zaidi, mechanics ya quantum huturuhusu (kimsingi) kujua hali ya mfumo wowote wa quantum kwa usahihi kabisa.
Uwezekano hutokea tunapouliza aina fulani za maswali kuhusu mfumo wa kimitambo wa quantum. Kwa mfano, ikiwa ni hakika kwamba atomi ya hidrojeni iko katika hali ya ardhi, tunaweza kuuliza, "Elektroni iko wapi?" na kwa mujibu wa sheria za quantum
mechanics, tutapata tu makadirio ya uwezekano wa swali hili, takriban kitu kama: "labda elektroni iko kwenye umbali wa hadi nusu ya angstrom kutoka kwa kiini cha atomi ya hidrojeni" (angstrom moja ni sawa na 
mita). Lakini tunayo fursa, kupitia mchakato fulani wa kimwili, kupata nafasi ya elektroni kwa usahihi zaidi kuliko kwa angstrom moja. Mchakato huu wa kawaida katika fizikia unajumuisha kurusha picha ya urefu mfupi sana kwenye elektroni (au, kama wanafizikia wanasema, kutawanya picha na elektroni) - baada ya hapo tunaweza kuunda tena eneo la elektroni wakati wa kutawanyika na usahihi takriban sawa na wavelength photon. Lakini mchakato huu utabadilisha hali ya elektroni, ili baada ya hii haitakuwa tena katika hali ya chini ya atomi ya hidrojeni na haitakuwa na nishati iliyoelezwa kwa usahihi. Lakini kwa muda nafasi yake itakuwa karibu kuamua (kwa usahihi wa wavelength ya photon kutumika kwa hili). Makadirio ya awali ya nafasi ya elektroni yanaweza tu kufanywa kwa maana ya uwezekano na usahihi wa takriban angstrom moja, lakini mara tu tunapoipima tunajua ni nini hasa. Kwa kifupi, ikiwa tunapima mfumo wa mitambo ya quantum kwa namna fulani, basi, angalau kwa maana ya kawaida, "tunalazimisha" katika hali yenye thamani fulani ya kiasi tunachopima.
Mechanics ya quantum haitumiki tu kwa mifumo ndogo, lakini (tunaamini) kwa mifumo yote, lakini kwa mifumo mikubwa sheria za mitambo ya quantum haraka huwa ngumu sana. Dhana muhimu ni msongamano wa quantum, mfano rahisi ambao ni dhana ya spin. Elektroni za kibinafsi zimezunguka, kwa hivyo kwa mazoezi elektroni moja inaweza kuwa na mzunguko ulioelekezwa juu au chini kwa heshima na mhimili wa anga uliochaguliwa. Mzunguko wa elektroni ni kiasi kinachoonekana kwa sababu elektroni huzalisha uga dhaifu wa sumaku, sawa na uga wa upau wa sumaku. Kisha spin up inamaanisha ncha ya kaskazini ya elektroni inaelekeza chini, na inazunguka chini inamaanisha ncha ya kaskazini inaelekeza juu. Elektroni mbili zinaweza kuwekwa katika hali ya quantum iliyounganishwa, ambayo moja yao ina spin juu na nyingine ina spin ya chini, lakini haiwezekani kutaja ni elektroni gani inayozunguka. Kimsingi, katika hali ya ardhi ya atomi ya heliamu, elektroni mbili ziko katika hali hii haswa, inayoitwa spin single, kwani jumla ya mzunguko wa elektroni zote mbili ni sifuri. Ikiwa tutatenganisha elektroni hizi mbili bila kubadilisha mizunguko yao, bado tunaweza kusema kwamba ni zamu zinazozunguka pamoja, lakini bado hatuwezi kusema mzunguko wa mojawapo yao ungekuwa mmoja mmoja. Sasa, ikiwa tunapima moja ya spins zao na kuthibitisha kwamba inaelekezwa juu, basi tutakuwa na uhakika kabisa kwamba pili inaelekezwa chini. Katika hali hii, tunasema kwamba spins zimenaswa-wala yenyewe haina thamani ya uhakika, wakati kwa pamoja iko katika hali ya quantum ya uhakika.
Einstein alikuwa na wasiwasi sana juu ya uzushi wa msongamano: ilionekana kutishia kanuni za msingi za nadharia ya uhusiano. Hebu tuchunguze kesi ya elektroni mbili katika hali ya spin single, wakati wao ni mbali mbali katika nafasi. Ili kuwa na uhakika, acha Alice achukue mmoja wao na Bob achukue mwingine. Wacha tuseme kwamba Alice alipima mzunguko wa elektroni yake na akagundua kuwa ilielekezwa juu, lakini Bob hakupima chochote. Hadi Alice alipofanya kipimo chake, haikuwezekana kujua msokoto wa elektroni yake ulikuwa upi. Lakini mara tu alipokamilisha kipimo chake, alijua kabisa kwamba mzunguko wa elektroni ya Bob ulielekezwa chini (katika mwelekeo ulio kinyume na mzingo wa elektroni yake mwenyewe). Je, hii inamaanisha kuwa kipimo chake kiliweka elektroni ya Bob mara moja katika hali ya kuzunguka-chini? Hii inawezaje kutokea ikiwa elektroni zimetenganishwa kwa anga? Einstein na washirika wake Nathan Rosen na Boris Podolsky waliona kwamba hadithi ya kupima mifumo iliyonaswa ilikuwa mbaya sana hivi kwamba ilitishia uwepo wa mechanics ya quantum. Kitendawili cha Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) walichotunga kinatumia jaribio la mawazo sawa na lile ambalo tumemaliza kulielezea ili kuhitimisha kwamba mechanics ya quantum haiwezi kuwa maelezo kamili ya ukweli. Sasa, kwa kuzingatia utafiti wa kinadharia uliofuata na vipimo vingi, makubaliano ya jumla yameanzishwa kuwa kitendawili cha EPR kina hitilafu na nadharia ya quantum ni sahihi. Uingizaji wa kimitambo wa kiasi ni halisi: vipimo vya mifumo iliyonaswa vitahusiana hata kama mifumo iko mbali katika muda wa anga.
Hebu turudi kwenye hali ambapo tunaweka elektroni mbili katika hali ya spin single na kuwapa Alice na Bob. Tunaweza kusema nini kuhusu elektroni kabla ya vipimo kufanywa? Kwamba wote wawili kwa pamoja wako katika hali fulani ya quantum (spin-singlet). Mzunguko wa elektroni ya Alice una uwezekano sawa wa kuelekezwa juu au chini. Kwa usahihi zaidi, hali ya quantum ya elektroni yake inaweza kwa uwezekano sawa kuwa moja (spin up) au nyingine (spin chini). Sasa kwetu sisi dhana ya uwezekano inachukua maana ya ndani zaidi kuliko hapo awali. Hapo awali tuliangalia hali fulani ya quantum (hali ya chini ya atomi ya hidrojeni) na kuona kwamba kuna baadhi ya maswali "yasiyofaa", kama vile "Elektroni iko wapi?" - maswali ambayo majibu yake yanapatikana tu kwa maana ya uwezekano. Ikiwa tungeuliza maswali "nzuri", kama vile "Nishati ya elektroni hii ni nini?", tutapata majibu ya uhakika. Sasa, hakuna maswali "nzuri" tunayoweza kuuliza kuhusu elektroni ya Alice ambayo haina majibu ambayo yanategemea elektroni ya Bob. (Hatuzungumzii kuhusu maswali ya kijinga kama vile "Je, elektroni ya Alice ina msokoto?" - maswali ambayo jibu lake ni moja tu.) Kwa hivyo, ili kuamua vigezo vya nusu ya mfumo ulionaswa, itatubidi kutumia. lugha ya uwezekano. Uhakika hutokea tu tunapozingatia uhusiano kati ya maswali ambayo Alice na Bob wanaweza kuuliza kuhusu elektroni zao.
Tulianza kwa makusudi na mojawapo ya mifumo rahisi zaidi ya mitambo ya quantum tunayojua: mfumo wa spins za elektroni binafsi. Kuna matumaini kwamba kompyuta za quantum zitajengwa kwa misingi ya mifumo hiyo rahisi. Mfumo wa spin wa elektroni za kibinafsi au mifumo mingine inayofanana ya quantum sasa inaitwa qubits (fupi kwa "bits ya quantum"), ikisisitiza jukumu lao katika kompyuta za quantum, sawa na jukumu la bits za kawaida katika kompyuta za digital.
Wacha sasa tufikirie kwamba tulibadilisha kila elektroni na mfumo mgumu zaidi wa quantum na majimbo mengi, sio mbili tu. Kwa mfano, walimpa Alice na Bob baa za magnesiamu safi. Kabla ya Alice na Bob kwenda njia zao tofauti, baa zao zinaweza kuingiliana, na tunakubali kwamba kwa kufanya hivyo wanapata hali fulani ya kawaida ya quantum. Mara tu Alice na Bob wanapotengana, pau zao za magnesiamu huacha kuingiliana. Kama ilivyo kwa elektroni, kila baa iko katika hali isiyojulikana ya quantum, ingawa kwa pamoja, kama tunavyoamini, huunda hali iliyofafanuliwa vizuri. (Katika mjadala huu, tunadhani kwamba Alice na Bob wanaweza kusogeza viunzi vyao vya magnesiamu bila kusumbua hali yao ya ndani kwa njia yoyote ile, kama tulivyodhania hapo awali kwamba Alice na Bob wanaweza kutenganisha elektroni zao zilizonaswa bila kubadilisha miisho yao.) Lakini kuna tofauti Tofauti kati ya jaribio hili la mawazo na jaribio la elektroni ni kwamba kutokuwa na uhakika katika hali ya quantum ya kila bar ni kubwa sana. Upau unaweza kupata hali zaidi ya quantum kuliko idadi ya atomi katika Ulimwengu. Hapa ndipo thermodynamics inapoingia. Mifumo ambayo haijafafanuliwa vibaya sana inaweza kuwa na sifa fulani za macroscopic zilizobainishwa vizuri. Tabia kama hiyo ni, kwa mfano, joto. Halijoto ni kipimo cha uwezekano wa sehemu yoyote ya mfumo kuwa na nishati fulani ya wastani, na halijoto ya juu inayolingana na uwezekano mkubwa wa kuwa na nishati kubwa. Kigezo kingine cha thermodynamic ni entropy, ambayo kimsingi ni sawa na logarithm ya idadi ya majimbo ambayo mfumo unaweza kudhani. Sifa nyingine ya thermodynamic ambayo inaweza kuwa muhimu kwa upau wa magnesiamu ni usumaku wake wavu, ambao kimsingi ni kigezo kinachoonyesha ni kiasi gani elektroni zinazozunguka ziko kwenye upau kuliko elektroni zinazozunguka-chini.
Tulileta thermodynamics katika hadithi yetu kama njia ya kuelezea mifumo ambayo hali zake za quantum hazijulikani kwa usahihi kutokana na mshikamano wake na mifumo mingine. Thermodynamics ni zana yenye nguvu ya kuchambua mifumo kama hiyo, lakini waundaji wake hawakufikiria matumizi yake kwa njia hii. Sadi Carnot, James Joule, Rudolf Clausius walikuwa takwimu za mapinduzi ya viwanda ya karne ya XNUMX, na walipendezwa na maswali ya vitendo zaidi: injini hufanyaje kazi? Shinikizo, kiasi, joto na joto ni nyama na damu ya injini. Carnot aligundua kuwa nishati katika mfumo wa joto haiwezi kamwe kubadilishwa kabisa kuwa kazi muhimu kama vile kuinua mizigo. Nishati fulani itapotea kila wakati. Clausius alitoa mchango mkubwa katika kuunda wazo la entropy kama zana ya ulimwengu ya kuamua upotezaji wa nishati wakati wa mchakato wowote unaohusisha joto. Mafanikio yake kuu yalikuwa utambuzi kwamba entropy haipunguzi kamwe - katika karibu michakato yote inaongezeka. Michakato ambayo entropy huongezeka huitwa isiyoweza kutenduliwa, haswa kwa sababu haiwezi kubadilishwa bila kupungua kwa entropy. Hatua inayofuata kuelekea maendeleo ya mechanics ya takwimu ilichukuliwa na Clausius, Maxwell na Ludwig Boltzmann (kati ya wengine wengi) - walionyesha kuwa entropy ni kipimo cha machafuko. Kwa kawaida, kadiri unavyochukua hatua juu ya jambo fulani, ndivyo machafuko yanavyoongezeka. Na hata ukitengeneza mchakato ambao lengo lake ni kurejesha utulivu, bila shaka utaunda entropy zaidi kuliko itaharibiwa-kwa mfano, kwa kutoa joto. Crane ambayo huweka mihimili ya chuma kwa utaratibu kamili hujenga utaratibu kwa mujibu wa mpangilio wa mihimili, lakini wakati wa uendeshaji wake hutoa joto nyingi kwamba entropy ya jumla bado inaongezeka.
Lakini bado, tofauti kati ya mtazamo wa thermodynamics ya wanafizikia wa karne ya XNUMX na mtazamo unaohusishwa na msongamano wa quantum sio kubwa kama inavyoonekana. Kila wakati mfumo unapoingiliana na wakala wa nje, hali yake ya quantum inanaswa na hali ya quantum ya wakala. Kwa kawaida, msongamano huu husababisha kuongezeka kwa kutokuwa na uhakika wa hali ya quantum ya mfumo, kwa maneno mengine, kwa ongezeko la idadi ya majimbo ya quantum ambayo mfumo unaweza kuwa. Kama matokeo ya mwingiliano na mifumo mingine, entropy, iliyofafanuliwa kwa idadi ya majimbo ya quantum inapatikana kwa mfumo, kawaida huongezeka.
Kwa ujumla, mechanics ya quantum hutoa njia mpya ya kubainisha mifumo ya kimwili ambayo baadhi ya vigezo (kama vile nafasi katika nafasi) huwa haijulikani, lakini wengine (kama vile nishati) mara nyingi hujulikana kwa uhakika. Katika kesi ya msongamano wa quantum, sehemu mbili tofauti za mfumo zina hali inayojulikana ya quantum, na kila sehemu tofauti ina hali isiyo na uhakika. Mfano wa kawaida wa kuingizwa ni jozi ya spins katika hali ya singlet, ambayo haiwezekani kujua ni spin gani iko juu na ambayo iko chini. Kutokuwa na uhakika wa hali ya quantum katika mfumo mkubwa kunahitaji mbinu ya hali ya hewa ambayo vigezo vya makroskopu kama vile halijoto na entropy hujulikana kwa usahihi mkubwa, ingawa mfumo una hali nyingi zinazowezekana za quantum.
Baada ya kumaliza safari yetu fupi katika uwanja wa mechanics ya quantum, msongamano na thermodynamics, hebu sasa tujaribu kuelewa jinsi hii yote inaongoza kwa uelewa wa ukweli kwamba shimo nyeusi zina joto. Hatua ya kwanza kuelekea hili ilifanywa na Bill Unruh - alionyesha kuwa mwangalizi wa kuongeza kasi katika nafasi ya gorofa atakuwa na joto sawa na kuongeza kasi yake kugawanywa na 2π. Ufunguo wa mahesabu ya Unruh ni kwamba mtazamaji anayesonga na kuongeza kasi ya mara kwa mara katika mwelekeo fulani anaweza tu kuona nusu ya nafasi ya gorofa. Nusu ya pili kimsingi iko nyuma ya upeo wa macho sawa na ule wa shimo nyeusi. Mara ya kwanza inaonekana haiwezekani: ni jinsi gani nafasi ya anga ya gorofa inaweza kuishi kama upeo wa shimo nyeusi? Ili kuelewa jinsi hii inavyotokea, hebu tuwaite waangalizi wetu waaminifu Alice, Bob na Bill kwa usaidizi. Kwa ombi letu, wanapanga mstari, na Alice kati ya Bob na Bill, na umbali kati ya waangalizi katika kila jozi ni kilomita 6 haswa. Tulikubaliana kwamba kwa wakati sifuri Alice ataruka kwenye roketi na kuruka kuelekea Bill (na kwa hivyo mbali na Bob) kwa kuongeza kasi ya mara kwa mara. Roketi yake ni nzuri sana, yenye uwezo wa kukuza kasi mara trilioni 1,5 zaidi ya kasi ya mvuto ambayo vitu husogea karibu na uso wa Dunia. Bila shaka, si rahisi kwa Alice kustahimili uharakishaji huo, lakini, kama tutakavyoona sasa, nambari hizi zimechaguliwa kwa kusudi fulani; mwisho wa siku, tunajadili fursa zinazowezekana, ni hayo tu. Wakati ambapo Alice anaruka kwenye roketi yake, Bob na Bill wanampungia mkono. (Tuna haki ya kutumia usemi "haswa wakati ...", kwa sababu wakati Alice bado hajaanza safari yake ya ndege, yuko katika mfumo sawa na Bob na Bill, ili wote waweze kusawazisha saa zao. .) Akipunga mkono Alice, bila shaka, anamwona Bill kwake: hata hivyo, akiwa kwenye roketi, atamwona mapema zaidi kuliko hii ingetokea ikiwa angebaki pale alipokuwa, kwa sababu roketi yake pamoja naye inaruka kwa usahihi kuelekea kwake. Badala yake, anaondoka kwa Bob, kwa hivyo tunaweza kudhania kwamba atamwona akimpungia mkono baadaye kidogo kuliko vile angeona ikiwa angebaki mahali pamoja. Lakini ukweli unashangaza zaidi: hatamwona Bob hata kidogo! Kwa maneno mengine, fotoni zinazoruka kutoka kwa mkono wa Bob unaopunga hadi kwa Alice hazitawahi kumpata, hata ikizingatiwa kuwa hataweza kufikia kasi ya mwanga. Ikiwa Bob angeanza kupunga mkono, akiwa karibu kidogo na Alice, basi fotoni zilizoruka kutoka kwake wakati wa kuondoka kwake zingemshinda, na ikiwa angekuwa mbali kidogo, zisingempata. Ni kwa maana hii kwamba tunasema kwamba Alice anaona nusu ya muda wa anga. Wakati Alice anapoanza kusonga, Bob yuko mbali kidogo kuliko upeo wa macho ambao Alice anaona.
Katika mjadala wetu wa kuingizwa kwa quantum, tumezoea wazo kwamba hata ikiwa mfumo wa mitambo ya quantum kwa ujumla una hali fulani ya quantum, baadhi ya sehemu zake zinaweza kukosa. Kwa kweli, tunapojadili mfumo tata wa quantum, baadhi ya sehemu yake inaweza kuwa na sifa bora kwa suala la thermodynamics: inaweza kupewa hali ya joto iliyofafanuliwa vizuri, licha ya hali ya kutokuwa na uhakika ya quantum ya mfumo mzima. Hadithi yetu ya mwisho inayohusisha Alice, Bob na Bill ni kama hali hii, lakini mfumo wa quantum tunaozungumzia hapa ni wakati tupu, na Alice anaona nusu yake tu. Wacha tuweke uhifadhi kwamba wakati wa nafasi kwa ujumla uko katika hali yake ya chini, ambayo inamaanisha kuwa hakuna chembe ndani yake (bila shaka, bila kuhesabu Alice, Bob, Bill na roketi). Lakini sehemu ya muda wa nafasi ambayo Alice anaona haitakuwa katika hali ya ardhini, lakini katika hali iliyoshikwa na sehemu ambayo haoni. Muda wa nafasi unaotambuliwa na Alice uko katika hali changamano, isiyojulikana ya quantum inayojulikana na halijoto yenye kikomo. Hesabu za Unruh zinaonyesha kuwa halijoto hii ni takriban 60 nanokelvins. Kwa kifupi, Alice anapoongeza kasi, anaonekana kuzamishwa katika umwagaji wa joto wa mionzi yenye joto sawa (katika vitengo vinavyofaa) kwa kuongeza kasi iliyogawanywa na
Mchele. 7.1. Alice anasonga kwa kasi kutoka kupumzika, huku Bob na Bill wakibaki bila kusonga. Kasi ya Alice ni kwamba hatawahi kuona picha ambazo Bob anatuma kwa t = 0. Hata hivyo, anapokea fotoni ambazo Bill alimtumia kwa t = 0. Matokeo yake ni kwamba Alice anaweza tu kutazama nusu ya muda wa anga.
Jambo la kushangaza kuhusu hesabu za Unruh ni kwamba ingawa zinarejelea kutoka mwanzo hadi mwisho hadi nafasi tupu, zinapingana na maneno maarufu ya King Lear, "kutoka kwa chochote hakuna chochote." Nafasi tupu inawezaje kuwa ngumu sana? Chembe zinaweza kutoka wapi? Ukweli ni kwamba kulingana na nadharia ya quantum, nafasi tupu sio tupu hata kidogo. Ndani yake, hapa na pale, msisimko wa muda mfupi huonekana kila wakati na kutoweka, unaoitwa chembe za kawaida, nishati ambayo inaweza kuwa chanya na hasi. Mtazamaji kutoka wakati ujao wa mbali—hebu tumwite Carol—anayeweza kuona karibu nafasi tupu yote anaweza kuthibitisha kwamba hakuna chembe za kudumu ndani yake. Zaidi ya hayo, uwepo wa chembe zenye nishati chanya katika sehemu hiyo ya muda ambayo Alice anaweza kuona, kutokana na msongamano wa kiasi, unahusishwa na msisimko wa ishara sawa na kinyume cha nishati katika sehemu ya muda wa nafasi isiyoweza kuzingatiwa kwa Alice. Ukweli wote kuhusu nafasi tupu kwa ujumla unafunuliwa kwa Carol, na ukweli huo ni kwamba hakuna chembe hapo. Hata hivyo, uzoefu wa Alice unamwambia kwamba chembe hizo zipo!
Lakini basi inageuka kuwa hali ya joto iliyohesabiwa na Unruh inaonekana kuwa hadithi tu - sio mali ya nafasi ya gorofa kama hiyo, lakini ni mali ya mwangalizi anayepata kasi ya mara kwa mara katika nafasi ya gorofa. Hata hivyo, nguvu ya uvutano yenyewe ni nguvu ile ile "ya kubuni" kwa maana ya kwamba "kuongeza kasi" ambayo inasababisha si chochote zaidi ya kusonga kwa geodesic katika metriki iliyopinda. Kama tulivyoeleza katika Sura ya 2, kanuni ya Einstein ya usawa inasema kwamba kuongeza kasi na mvuto kimsingi ni sawa. Kwa mtazamo huu, hakuna kitu cha kushangaza hasa kuhusu upeo wa macho ya shimo nyeusi kuwa na joto sawa na hesabu ya Unruh ya joto la mwangalizi wa kasi. Lakini, naweza kuuliza, tunapaswa kutumia thamani gani ya kuongeza kasi ili kujua halijoto? Kwa kusonga mbali vya kutosha kutoka kwa shimo jeusi, tunaweza kufanya mvuto wake kuwa dhaifu tunavyopenda. Je, hii inamaanisha kuwa ili kubainisha halijoto inayofaa ya shimo jeusi tunalopima, tunahitaji kutumia thamani ndogo inayolingana ya kuongeza kasi? Swali hili linageuka kuwa la hila, kwa sababu, kama tunavyoamini, halijoto ya kitu haiwezi kupungua kiholela. Inachukuliwa kuwa ina thamani fulani isiyobadilika ambayo inaweza kupimwa hata na mwangalizi wa mbali sana.
Chanzo: mapenzi.com