Рӯзи космонавтика муборак! Мо онро ба матбаа фиристодем . Маҳз дар ҳамин рӯзҳо астрофизикҳо ба тамоми ҷаҳон нишон доданд, ки сӯрохиҳои сиёҳ чӣ гунаанд. Тасодуф? Мо чунин фикр намекунем 😉 Пас мунтазир бошед, ба зудӣ як китоби аҷибе пайдо мешавад, ки аз ҷониби Стивен Габсер ва Франс Преториус навишта шудааст, аз ҷониби астрономҳои аҷоиби Пулково, ака Астродедус Кирилл Масленников тарҷума шудааст, ки аз ҷониби Владимир Сурдини афсонавӣ таҳрири илмӣ ва нашри он аз ҷониби Стивен Габсер дастгирӣ карда мешавад. Бунёди траектория.
Иқтибос "Термодинамикаи сӯрохиҳои сиёҳ" дар зери бурида.
То ба ҳол, мо сӯрохиҳои сиёҳро ҳамчун объектҳои астрофизикие баррасӣ мекардем, ки ҳангоми таркишҳои супернова ба вуҷуд омадаанд ё дар марказҳои галактикаҳо ҷойгиранд. Мо онҳоро бавосита тавассути чен кардани шитобҳои ситораҳои ба онҳо наздик мушоҳида мекунем. Муайян кардани мавҷҳои ҷозибаи LIGO дар 14 сентябри соли 2015 намунаи мушоҳидаҳои мустақими бархӯрди сӯрохи сиёҳ буд. Воситаҳои математикие, ки мо барои беҳтар фаҳмидани табиати сӯрохиҳои сиёҳ истифода мебарем, инҳоянд: геометрияи дифференсиалӣ, муодилаҳои Эйнштейн ва усулҳои пурқудрати таҳлилӣ ва ададӣ, ки барои ҳалли муодилаҳои Эйнштейн ва тавсифи геометрияи вақти фазоӣ, ки сӯрохиҳои сиёҳ ба вуҷуд меоянд, истифода мешаванд. Ва ҳамин ки мо метавонем тавсифи пурраи миқдории вақти кайҳонеро, ки сӯрохи сиёҳ тавлид мекунад, диҳем, аз нуқтаи назари астрофизикӣ, мавзӯи сӯрохиҳои сиёҳро пӯшида шуморидан мумкин аст. Аз нуқтаи назари васеътари назариявӣ, ҳанӯз барои иктишоф ҷойҳои зиёде мавҷуданд. Мақсади ин боб нишон додани баъзе пешрафтҳои назариявӣ дар физикаи сӯрохи сиёҳи муосир мебошад, ки дар онҳо идеяҳои термодинамика ва назарияи квантӣ бо нисбияти умумӣ якҷоя шуда, мафҳумҳои нави ғайричашмдоштро ба вуҷуд меоранд. Идеяи асосӣ ин аст, ки сӯрохиҳои сиёҳ танҳо объектҳои геометрӣ нестанд. Онҳо ҳарорат доранд, энтропияи азим доранд ва онҳо метавонанд зуҳуроти печиши квантиро нишон диҳанд. Муҳокимаи мо дар бораи ҷанбаҳои термодинамикӣ ва квантии физикаи сӯрохиҳои сиёҳ назар ба таҳлили хусусиятҳои сирф геометрии вақти фазоӣ дар сӯрохиҳои сиёҳ, ки дар бобҳои қаблӣ оварда шудаанд, пора-пора ва рӯякӣ хоҳад буд. Аммо ин ҷанбаҳо ва бахусус квантӣ як ҷузъи муҳим ва муҳими таҳқиқоти назариявии ҷории сӯрохиҳои сиёҳ мебошанд ва мо бисёр кӯшиш хоҳем кард, ки агар ҷузъиёти мураккаб набошад, ҳадди ақал рӯҳияи ин асарҳоро бирасонем.
Дар нисбияти умумии классикӣ - агар мо дар бораи геометрияи дифференсиалии ҳалли муодилаҳои Эйнштейн сухан ронем - сӯрохиҳои сиёҳ воқеан сиёҳанд ба он маъно, ки ҳеҷ чиз аз онҳо гурехта наметавонад. Стивен Ҳокинг нишон дод, ки вақте ки мо таъсири квантиро ба назар гирем, ин вазъият комилан тағйир меёбад: сӯрохиҳои сиёҳ дар ҳарорати муайян радиатсионӣ мебароранд, ки онро ҳарорати Ҳокинг меноманд. Барои сӯрохиҳои сиёҳи андозаҳои астрофизикӣ (яъне аз массаи ситоравӣ то сӯрохиҳои сиёҳи супермассивӣ), ҳарорати Ҳокинг дар муқоиса бо ҳарорати заминаи микромавҷи кайҳонӣ ночиз аст - радиатсияе, ки тамоми Коинотро пур мекунад, ки дар омади гап, худаш метавонад як варианти радиатсияи Ҳокинг ҳисобида мешавад. Ҳисобҳои Ҳокинг барои муайян кардани ҳарорати сӯрохиҳои сиёҳ бахше аз барномаи бузурги таҳқиқотӣ дар соҳаи термодинамикаи сӯрохи сиёҳ мебошад. Қисми дигари бузурги ин барнома омӯзиши энтропияи сӯрохи сиёҳ аст, ки миқдори иттилооти дар дохили сӯрохи сиёҳ гумшударо чен мекунад. Ҷисмҳои оддӣ (масалан, як коса об, блоки магнийи пок ё ситора) низ энтропия доранд ва яке аз изҳороти марказии термодинамикаи сӯрохи сиёҳ ин аст, ки сӯрохи сиёҳи андозаи додашуда нисбат ба ҳама гуна шаклҳои дигар энтропия бештар дорад. материяе, ки метавонад дар дохили як майдони андозаи якхела, вале бе ташаккули сурохии сиёҳ ҷойгир карда шавад.
Аммо пеш аз он ки мо ба масъалаҳои марбут ба радиатсияи Ҳокинг ва энтропияи сӯрохи сиёҳ ғарқ шавем, биёед зуд ба соҳаҳои механикаи квантӣ, термодинамика ва печидагиҳо биравем. Механикаи квантӣ асосан дар солҳои 1920 таҳия шуда буд ва ҳадафи асосии он тавсифи зарраҳои хеле хурди материя, ба монанди атомҳо буд. Инкишофи механикаи квантй боиси аз байн рафтани чунин мафхумхои асосии физика, монанди мавкеи дакикии заррачахои алохида гардид: масалан, маълум шуд, ки мавкеи электронро хангоми дар атрофи ядрои атом харакат карданаш аник муайян кардан мумкин нест. Ба ҷои ин, ба электронҳо орбитаҳо таъин карда шуданд, ки дар онҳо мавқеи воқеии онҳоро танҳо ба маънои эҳтимолият муайян кардан мумкин аст. Аммо барои мақсадҳои мо муҳим аст, ки ба ин тарафи эҳтимолияти кор зуд ҳаракат накунем. Мисоли оддитаринро гирем: атоми гидроген. Он метавонад дар ҳолати муайяни квантӣ бошад. Холати оддитарини атоми гидроген, ки онро холати асосй меноманд, холати камтарини энергия мебошад ва ин энергия дакик маълум аст. Умуман, механикаи квантӣ ба мо имкон медиҳад (аслан) ҳолати ҳама гуна системаи квантиро бо дақиқии мутлақ донем.
Вақте ки мо дар бораи системаи механикии квантӣ саволҳои муайян медиҳем, эҳтимолиятҳо ба амал меоянд. Масалан, агар мутмаин бошад, ки атоми гидроген дар ҳолати асосӣ қарор дорад, мо метавонем бипурсем: "Электрон дар куҷост?" ва мувофиқи қонунҳои квантӣ
механика, мо танҳо як андоза тахминии эҳтимолияти ин саволро мегирем, тақрибан ба монанди: "эҳтимол, электрон дар масофаи то ним ангстром аз ядрои атоми гидроген ҷойгир аст" (як ангстром ба 
метр). Аммо мо имкон дорем, ки тавассути як раванди физикӣ мавқеи электронро нисбат ба як ангстром хеле дақиқтар пайдо кунем. Ин раванди хеле маъмул дар физика аз оташ задани фотони дарозии мавҷи хеле кӯтоҳ ба электрон иборат аст (ё тавре ки физикҳо мегӯянд, як фотонро тавассути электрон пароканда мекунанд) - пас аз он мо метавонем ҷойгиршавии электронро дар лаҳзаи парокандашавӣ аз нав барқарор кунем. дақиқӣ тақрибан ба фотон дарозии мавҷ баробар аст. Аммо ин раванд ҳолати электронро тағир медиҳад, то пас аз ин вай дигар дар ҳолати заминии атоми гидроген набошад ва энергияи дақиқ муайян карда нашавад. Аммо барои чанд вақт мавқеи он тақрибан дақиқ муайян карда мешавад (бо дақиқии дарозии мавҷи фотон барои ин истифодашуда). Баҳодиҳии пешакии мавқеъи электронро танҳо ба маънои эҳтимолӣ бо дақиқии тақрибан як ангстром кардан мумкин аст, аммо вақте ки мо онро чен кардем, мо аниқ медонем, ки он чӣ буд. Хулоса, агар мо як системаи механикии квантиро бо ягон роҳ чен кунем, пас, ҳадди аққал ба маънои муқаррарӣ, мо онро ба ҳолати дорои арзиши муайяни миқдори ченкардаамон "маҷбур мекунем".
Механикаи квантӣ на танҳо ба системаҳои хурд, балки (мо боварӣ дорем) ба ҳама системаҳо дахл дорад, аммо барои системаҳои калон қоидаҳои механикии квантӣ зуд хеле мураккаб мешаванд. Консепсияи калидӣ печиши квантӣ мебошад, ки мисоли оддии он консепсияи спинд мебошад. Электронҳои инфиродӣ спин доранд, бинобар ин дар амал як электрони ягона метавонад спина дошта бошад, ки нисбат ба меҳвари фазоии интихобшуда ба боло ё поён нигаронида шудааст. Спини электрон миқдори мушоҳидашаванда аст, зеро электрон майдони магнитии заифро ба вуҷуд меорад, ки ба майдони бари магнитӣ монанд аст. Пас чарх задан маънои онро дорад, ки қутби шимолии электрон ба поён нигаронида шудааст ва чарх ба поён маънои онро дорад, ки қутби шимол ба боло нигаронида шудааст. Ду электронро дар ҳолати квантии конъюгатсионӣ ҷойгир кардан мумкин аст, ки дар он яке аз онҳо чархи боло ва дигаре ба поён чарх мезанад, аммо муайян кардан ғайриимкон аст, ки кадом электрон кадом спина дорад. Аслан, дар ҳолати асосии атоми гелий ду электрон маҳз дар ҳамин ҳолат ҳастанд, ки онро синглети спин меноманд, зеро спини умумии ҳарду электрон ба сифр баробар аст. Агар мо ин ду электронро бидуни тағир додани чархҳои онҳо ҷудо кунем, мо ба ҳар ҳол гуфта метавонем, ки онҳо синглҳои спид мебошанд, аммо мо то ҳол гуфта наметавонем, ки чархи ҳар кадоми онҳо ба таври инфиродӣ чӣ гуна хоҳад буд. Акнун, агар мо яке аз чархҳои онҳоро чен кунем ва муайян кунем, ки он ба боло нигаронида шудааст, мо комилан боварӣ ҳосил мекунем, ки дуюм ба поён нигаронида шудааст. Дар ин вазъият мо мегӯем, ки чархҳо ба ҳам печидаанд - на худ аз худ арзиши муайяне надоранд, дар ҳоле ки онҳо якҷоя дар ҳолати муайяни квантӣ ҳастанд.
Эйнштейнро аз падидаи печида хеле ба ташвиш меовард: он гуё ба принципхои асосии назарияи нисбият тахдид мекард. Биёед мисоли ду электронро дар ҳолати синглетӣ, вақте ки онҳо дар фазо аз ҳам дуранд, дида бароем. Барои боварӣ ҳосил кардан, бигзор Алис яке аз онҳоро бигирад ва Боб дигареро бигирад. Фарз мекунем, ки Алиса чархи электрони худро чен кард ва фаҳмид, ки он ба боло нигаронида шудааст, аммо Боб ҳеҷ чизро чен накардааст. То он даме, ки Алис андозагирии худро анҷом надод, гуфтан ғайриимкон буд, ки чархи электрони ӯ чист. Аммо ҳамин ки вай андозагирии худро анҷом дод, вай комилан медонист, ки гардиши электрони Боб ба поён (ба самти муқобил ба гардиши электрони худ) нигаронида шудааст. Оё ин маънои онро дорад, ки андозагирии вай дарҳол электрони Бобро дар ҳолати чархзанӣ қарор медиҳад? Чӣ тавр ин метавонад рӯй диҳад, агар электронҳо аз ҷиҳати фазоӣ ҷудо шаванд? Эйнштейн ва ҳамкорони ӯ Натан Розен ва Борис Подольский эҳсос карданд, ки достони андозагирии системаҳои печида он қадар ҷиддӣ аст, ки он ба мавҷудияти механикаи квантӣ таҳдид мекунад. Парадокси Эйнштейн-Подолский-Розен (EPR), ки онҳо таҳия кардаанд, таҷрибаи фикрронии шабеҳеро, ки мо ҳоло тавсиф карда будем, истифода мебарад, то ба хулосае омад, ки механикаи квантӣ наметавонад тавсифи пурраи воқеият бошад. Холо дар асоси тадкикоти назариявии минбаъда ва ченкунихои зиёд консенсуси умумй мукаррар карда шуд, ки парадокси ЭПР хато дорад ва назарияи квантй дуруст аст. Гирифтани механикии квантӣ воқеӣ аст: андозагирии системаҳои печида ҳатто агар системаҳо дар вақти фазо аз ҳам дур бошанд ҳам, мувофиқат мекунанд.
Биёед ба вазъияте баргардем, ки мо ду электронро дар ҳолати синглети спине ҷойгир карда, онҳоро ба Алис ва Боб додем. Пеш аз анҷом додани андозагирӣ мо дар бораи электронҳо чӣ гуфта метавонем? Он ки ҳардуи онҳо якҷоя дар ҳолати муайяни квантӣ қарор доранд (спин-синглет). Спини электрони Алиса ба таври баробар ба боло ё поён равона карда мешавад. Аниқтараш, ҳолати квантии электрони он метавонад бо эҳтимолияти баробар як (чарх ба боло) ё дигараш (чархзанӣ) бошад. Ҳоло барои мо мафҳуми эҳтимолият назар ба пештара маънои амиқтар пайдо мекунад. Пештар мо ба ҳолати муайяни квантӣ (ҳолати асосии атоми гидроген) назар мекардем ва дидем, ки баъзе саволҳои «ноқулай» мавҷуданд, ба монанди «Электрон дар куҷост?» - саволҳое, ки ҷавобҳо ба онҳо танҳо ба маънои эҳтимолият мавҷуданд. Агар мо саволхои «хуб», масалан, «Энергияи ин электрон чй гуна аст?», чавобхои аник мегирифтем. Ҳоло ягон саволи "хуб" вуҷуд надорад, ки мо дар бораи электрони Алис пурсем, ки ҷавобҳое надоранд, ки аз электрони Боб вобаста бошанд. (Мо дар бораи саволҳои аблаҳонае, ки "Оё электрони Алис ҳатто чарх дорад?" - саволҳоеро, ки ба онҳо танҳо як ҷавоб дорад, намегӯем.) Ҳамин тавр, барои муайян кардани параметрҳои як нисфи системаи печида, мо бояд истифода барем. забони эҳтимолӣ. Итминон танҳо вақте ба миён меояд, ки мо робитаи байни саволҳоеро, ки Алис ва Боб дар бораи электронҳои худ мепурсанд, баррасӣ кунем.
Мо дидаю дониста бо яке аз соддатарин системаҳои механикии квантӣ, ки мо медонем, оғоз кардем: системаи чархҳои электронҳои алоҳида. Умед хает, ки дар асоси чунин системахои оддй компьютерхои квантй сохта мешаванд. Системаи гардиши электронҳои инфиродӣ ё дигар системаҳои квантӣ ҳоло кубитҳо номида мешаванд (кӯтоҳ барои “битҳои квантӣ”), нақши онҳоро дар компютерҳои квантӣ, ки ба нақши битҳои оддӣ дар компютерҳои рақамӣ монанданд, таъкид мекунанд.
Биёед ҳоло тасаввур кунем, ки мо ҳар як электронро бо системаи хеле мураккаби квантӣ бо бисёр, на танҳо ду ҳолати квантӣ иваз кардем. Масалан, онҳо ба Алис ва Боб барҳои магнийи тоза доданд. Пеш аз он ки Алис ва Боб ба роҳҳои ҷудогона бираванд, панҷараҳои онҳо метавонанд мутақобила кунанд ва мо розӣ мешавем, ки дар ин ҳолат онҳо як ҳолати умумии квантиро ба даст меоранд. Ҳамин ки Алис ва Боб ҷудо мешаванд, барҳои магнийи онҳо мутақобиларо қатъ мекунанд. Тавре ки дар мавриди электронҳо, ҳар як бар дар ҳолати номуайяни квантӣ қарор дорад, гарчанде ки дар якҷоягӣ, тавре ки мо боварӣ дорем, онҳо як ҳолати хуб муайяншударо ташкил медиҳанд. (Дар ин баҳс, мо тахмин мезанем, ки Алис ва Боб қодиранд панҷараҳои магнийи худро бидуни халалдор кардани ҳолати дохилии онҳо ба ҳеҷ ваҷҳ ҳаракат кунанд, ҳамон тавре ки қаблан тахмин карда будем, ки Алис ва Боб метавонанд электронҳои печидаи худро бидуни тағир додани чархҳои худ ҷудо кунанд.) Аммо вуҷуд дорад. Фарқи байни ин таҷрибаи фикрӣ ва таҷрибаи электронӣ дар он аст, ки номуайянӣ дар ҳолати квантии ҳар як бар хеле бузург аст. Бар метавонад назар ба шумораи атомҳои коинот бештар ҳолати квантиро ба даст орад. Дар ин чо термодинамика ба амал меояд. Системаҳои хеле номуайяншуда метавонанд ба ҳар ҳол баъзе хусусиятҳои макроскопии хуб муайяншуда дошта бошанд. Чунин хусусият, масалан, ҳарорат аст. Ҳарорат ченакест, ки то чӣ андоза эҳтимолияти ягон қисми система дорои энергияи миёнаи муайян аст ва ҳарорати баландтар ба эҳтимоли бештари доштани энергияи бештар мувофиқ аст. Параметри дигари термодинамикӣ энтропия мебошад, ки аслан ба логарифми шумораи ҳолатҳои система метавонад баробар бошад. Хусусияти дигари термодинамикӣ, ки барои як сатри магний аҳамиятнок хоҳад буд, магнитизатсияи холиси он аст, ки аслан як параметрест, ки нишон медиҳад, ки дар бари электронҳои чархзананда нисбат ба электронҳои поин чӣ қадар зиёдтар ҳастанд.
Мо термодинамикаро ба ҳикояи худ ҳамчун роҳи тавсифи системаҳое овардем, ки ҳолати квантии онҳо аз сабаби печидани онҳо бо системаҳои дигар дақиқ маълум нест. Термодинамика асбоби тавонои тахлили ин гуна системахо мебошад, вале созандагони он дар ин рох татбики онро умуман дар назар надоштанд. Сади Карно, Ҷеймс Ҷоул, Рудольф Клаузиус шахсиятҳои инқилоби саноатии асри 19 буданд ва онҳо ба саволҳои амалӣтарин таваҷҷӯҳ доштанд: муҳаррикҳо чӣ гуна кор мекунанд? Фишор, ҳаҷм, ҳарорат ва гармӣ ҷисм ва хуни муҳаррикҳо мебошанд. Карно муайян кард, ки энергия дар шакли гармӣ ҳеҷ гоҳ ба кори фоиданок ба монанди борбардорӣ табдил дода намешавад. Баъзе энергия ҳамеша сарф мешавад. Клаузиус дар эҷоди идеяи энтропия ҳамчун воситаи универсалӣ барои муайян кардани талафоти энергия дар ҳама гуна равандҳои гармӣ саҳми калон гузошт. Муваффақияти асосии ӯ дарки он буд, ки энтропия ҳеҷ гоҳ кам намешавад - қариб дар ҳама равандҳо он афзоиш меёбад. Процессхое, ки дар онхо энтропия зиёд мешавад, бебозгашт номида мешавад, махз аз он сабаб, ки онхо бе камшавии энтропия баргардонида намешаванд. Қадами навбатӣ дар роҳи рушди механикаи статистикиро Клаузиус, Максвелл ва Людвиг Болтсман (дар қатори бисёр дигарон) гузоштанд - онҳо нишон доданд, ки энтропия ченаки бесарусомонист. Одатан, чӣ қадаре ки шумо ба чизе амал кунед, ҳамон қадар бетартибиҳо эҷод мекунед. Ва ҳатто агар шумо равандеро тарҳрезӣ кунед, ки ҳадафаш барқарор кардани тартибот аст, он ногузир аз он ки нобуд мешавад, энтропияро бештар эҷод мекунад - масалан, тавассути баровардани гармӣ. Кране, ки чӯбҳои пӯлодиро бо тартиби мукаммал мегузорад, аз ҷиҳати ҷойгиркунии чӯбҳо тартибот ба вуҷуд меорад, аммо дар вақти кор он қадар гармӣ тавлид мекунад, ки энтропияи умумӣ ҳоло ҳам меафзояд.
Аммо ба ҳар ҳол, фарқияти байни назари термодинамикаи физикҳои асри 19 ва нуқтаи назари марбут ба печи квантӣ он қадар бузург нест, ки ба назар мерасад. Ҳар дафъае, ки система бо агенти беруна амал мекунад, ҳолати квантии он бо ҳолати квантии агент печида мешавад. Одатан, ин печидан боиси зиёд шудани номуайянии њолати квантии система, ба ибораи дигар, ба зиёд шудани шумораи њолатњои квантї, ки система дар онњо буда метавонад, оварда мерасонад. Дар натиљаи таъсири мутаќобила бо системањои дигар, одатан энтропия, ки аз рўи миќдори њолатњои квантї дар система мављуд аст, меафзояд.
Умуман, механикаи квантӣ роҳи нави тавсифи системаҳои физикиро фароҳам меорад, ки дар он баъзе параметрҳо (масалан, мавқеъ дар фазо) номуайян мешаванд, аммо дигарон (масалан, энергия) аксар вақт бо итминон маълуманд. Дар мавриди печидагии квантӣ, ду қисмати ҷудогонаи система дорои ҳолати умумии квантӣ ва ҳар як қисми алоҳида ҳолати номуайян доранд. Намунаи стандартии печидашавӣ як ҷуфт чарх дар ҳолати ягона мебошад, ки дар он муайян кардан ғайриимкон аст, ки кадом чарх боло ва кадомаш поён аст. Номуайянии ҳолати квантӣ дар системаи калон муносибати термодинамикиро талаб мекунад, ки дар он параметрҳои макроскопӣ ба монанди ҳарорат ва энтропия бо дақиқии зиёд маълуманд, гарчанде ки система дорои бисёр ҳолатҳои квантии микроскопӣ мебошад.
Пас аз анҷом додани экскурсияи мухтасари худ ба соҳаҳои механикаи квантӣ, печиш ва термодинамика, биёед бифаҳмем, ки чӣ тавр ҳамаи ин ба фаҳмиши он, ки сӯрохиҳои сиёҳ ҳарорат доранд, оварда мерасонад. Қадами аввалинро дар ин самт Билл Унруҳ гузоштааст - ӯ нишон дод, ки мушоҳиди шитобкунанда дар фазои ҳамвор ҳарорате дорад, ки шитобаш ба 2π тақсим шудааст. Калиди ҳисобҳои Унруҳ дар он аст, ки нозире, ки бо шитоби доимӣ дар самти муайян ҳаракат мекунад, танҳо нисфи вақти фазои ҳамворро дида метавонад. Нимаи дуюм аслан дар паси уфуқе, ки ба сӯрохи сиёҳ монанд аст. Дар аввал ин имконнопазир менамояд: чӣ тавр вақти ҳамвор мисли уфуқи сӯрохи сиёҳ рафтор карда метавонад? Барои фаҳмидани он ки ин чӣ гуна рӯй медиҳад, биёед нозирони содиқи худ Алис, Боб ва Билро барои кӯмак даъват кунем. Бо дархости мо, онҳо бо Алиса дар байни Боб ва Билл саф мезананд ва масофаи байни нозирон дар ҳар як ҷуфт дақиқ 6 километр аст. Мо розӣ шудем, ки дар вақти сифр Алис ба мушак парида, бо шитоби доимӣ ба сӯи Билл (ва аз ин рӯ аз Боб) парвоз хоҳад кард. Ракетаи он хеле хуб буда, кодир аст, ки суръатро назар ба шитоби гравитационие, ки бо он чисмхо дар наздикии сатхи Замин харакат мекунанд, 1,5 триллион маротиба зиёдтар инкишоф диханд. Албатта, барои Алис тоб овардан ба чунин суръатбахшӣ осон нест, аммо, тавре ки ҳоло мебинем, ин рақамҳо барои як мақсад интихоб карда шудаанд; Дар охири рӯз, мо танҳо имкониятҳои потенсиалиро муҳокима мекунем, тамом. Маҳз дар лаҳзае, ки Алис ба мушаки худ ҷаҳида, Боб ва Билл ба ӯ ишора мекунанд. (Мо ҳақ дорем, ки ибораи "маҳз дар лаҳзае, ки ..." -ро истифода барем, зеро дар ҳоле ки Алис ҳанӯз парвози худро оғоз накардааст, вай дар ҳамон чаҳорчӯбаи истинод бо Боб ва Билл қарор дорад, бинобар ин ҳама онҳо метавонанд соатҳои худро ҳамоҳанг созанд. .) Алис бо ҷунбонидан, албатта, Биллро ба ӯ мебинад: аммо, дар мушак буданаш, вай ӯро барвақттар хоҳад дид, ки агар вай дар ҷояш меистод, ин ҳодиса рӯй медод, зеро мушаки вай бо ӯ дақиқ ба сӯи ӯ парвоз мекунад. Баръакс, вай аз Боб дур мешавад, бинобар ин мо метавонем ба таври оқилона тахмин кунем, ки вай каме дертар аз он ки агар вай дар ҳамон ҷо мемонд, ба сӯи ӯ даст мезанад. Аммо ҳақиқат боз ҳам тааҷҷубовартар аст: вай Бобро тамоман намебинад! Ба ибораи дигар, фотонҳое, ки аз дасти ҷунбони Боб ба сӯи Алис парвоз мекунанд, ҳеҷ гоҳ ба ӯ расида наметавонанд, ҳатто агар вай ҳеҷ гоҳ ба суръати рӯшноӣ расида наметавонад. Агар Боб ба Алис каме наздиктар шуда даст ба мавҷ мезад, пас фотонҳое, ки ҳангоми рафтанаш аз ӯ дур мешуданд, аз ӯ пеш мегаштанд ва агар каме дуртар мебуд, аз ӯ пеш намерафтанд. Маҳз ба ҳамин маъно мо мегӯем, ки Алис танҳо нисфи вақти фазоро мебинад. Дар лаҳзае, ки Алис ба ҳаракат оғоз мекунад, Боб каме дуртар аз уфуқе аст, ки Алис мушоҳида мекунад.
Ҳангоми муҳокимаи мо дар бораи печидагии квантӣ, мо ба чунин ақида одат кардаем, ки ҳатто агар системаи механикии квантӣ дар маҷмӯъ ҳолати муайяни квантӣ дошта бошад ҳам, баъзе қисматҳои он онро надоранд. Дарвоқеъ, вақте ки мо дар бораи системаи мураккаби квантӣ сӯҳбат мекунем, як қисми онро аз рӯи термодинамика беҳтар тавсиф кардан мумкин аст: сарфи назар аз ҳолати квантии тамоми система, ба он ҳарорати хуб муайян кардан мумкин аст. Ҳикояи охирини мо бо иштироки Алис, Боб ва Билл каме ба ин вазъият монанд аст, аммо системаи квантӣ, ки мо дар ин ҷо гап мезанем, вақти холӣ аст ва Алис танҳо нисфи онро мебинад. Биёед қайд кунем, ки кайҳон-вақт дар маҷмӯъ дар ҳолати заминии худ қарор дорад, яъне дар он зарраҳо вуҷуд надоранд (албатта, Алиса, Боб, Билл ва мушакро ба ҳисоб намегиранд). Аммо қисми вақти фазо, ки Алис мебинад, на дар ҳолати заминӣ, балки дар ҳолати печида бо қисми он, ки вай намебинад, хоҳад буд. Фазо-вақте, ки аз ҷониби Алис дарк карда мешавад, дар ҳолати мураккаб ва номуайяни квантӣ мебошад, ки бо ҳарорати ниҳоӣ тавсиф мешавад. Ҳисобҳои Унруҳ нишон медиҳанд, ки ин ҳарорат тақрибан 60 нанокелвин аст. Хулоса, вақте ки Алис суръат мегирад, вай ба назар мерасад, ки вай дар ваннаи гарми радиатсионӣ бо ҳарорати баробар (ба воҳидҳои мувофиқ) ба суръат тақсим карда мешавад.
Райс. 7.1. Алис бо суръат аз истироҳат ҳаракат мекунад, дар ҳоле ки Боб ва Билл бе ҳаракат мемонанд. Шитоби Алиса чунин аст, ки вай ҳеҷ гоҳ фотонҳоеро, ки Боб ба роҳи худ дар t = 0 мефиристад, намебинад. Аммо, вай фотонҳоеро, ки Билл ба ӯ дар t = 0 фиристодааст, қабул мекунад. Натиҷа ин аст, ки Алис танҳо як нисфи вақти фазоро мушоҳида карда метавонад.
Аҷиб дар ҳисобҳои Унруҳ дар он аст, ки ҳарчанд онҳо аз аввал то ба охир ба фазои холӣ ишора мекунанд, аммо бо суханони машҳури шоҳ Лир, “аз ҳеҷ чиз чизе намеояд” мухолифат мекунанд. Чӣ тавр фазои холӣ метавонад ин қадар мураккаб бошад? Зарраҳо аз куҷо пайдо шуда метавонанд? Гап дар сари он аст, ки тибқи назарияи квантӣ, фазои холӣ умуман холӣ нест. Дар он ҷо ва дар он ҷо ҳаяҷонҳои кӯтоҳмуддат пайваста пайдо мешаванд ва нопадид мешаванд, ки онҳоро зарраҳои виртуалӣ меноманд, ки энергияи онҳо ҳам мусбат ва ҳам манфӣ буда метавонад. Мушоҳидае, ки аз ояндаи дур аст, - биёед ӯро Кэрол меномем, ки тақрибан тамоми фазои холиро дида метавонад, тасдиқ мекунад, ки дар он зарраҳои дарозмуддат вуҷуд надоранд. Гузашта аз ин, мавҷудияти зарраҳои дорои энергияи мусбат дар он қисмати вақти фазоӣ, ки Алис метавонад аз сабаби печидани квантӣ мушоҳида кунад, бо ҳаяҷонҳои баробар ва муқобили энергия дар қисми вақти фазо барои Алис мушоҳиданашаванда алоқаманд аст. Тамоми ҳақиқат дар бораи вақти холӣ ба Кэрол ошкор мешавад ва ин ҳақиқат ин аст, ки дар он ҷо зарраҳо вуҷуд надоранд. Аммо, таҷрибаи Алис ба ӯ мегӯяд, ки зарраҳо дар он ҷо ҳастанд!
Аммо баъд маълум мешавад, ки њарорати њисобкардаи Унрўх ба назар фаќат афсона аст - он на он ќадар хосияти фазои њамвор аст, балки хосияти мушоњидаест, ки дар фазои њамвор шитоби доимиро аз сар мегузаронад. Бо вуҷуди ин, худи ҷозиба ҳамон як қувваи "фикрӣ" аст, ки "шитоб", ки боиси он мегардад, ҷуз ҳаракат дар баробари геодезӣ дар метрикаи каҷ чизи дигаре нест. Тавре ки мо дар боби 2 шарҳ додем, принсипи эквивалентии Эйнштейн мегӯяд, ки шитоб ва ҷозиба аслан баробаранд. Аз ин нуктаи назар, дар бораи уфуки сурохии сиёх дорои харорате, ки ба хисоби Унрух дар бораи харорати нозири шитобкунанда баробар аст, чизи бахусус тааччубовар нест. Аммо, оё мо метавонем бипурсем, ки барои муайян кардани ҳарорат мо бояд кадом қимати суръатро истифода барем? Бо дуртар аз сӯрохи сиёҳ, мо метавонем ҷалби ҷозибаи онро ба қадри имкон заиф созем. Оё ин маънои онро дорад, ки барои муайян кардани ҳарорати самараноки сӯрохи сиёҳ, ки мо чен мекунем, мо бояд арзиши мутаносибан хурди шитобро истифода барем? Ин савол хеле маккорона мегардад, зеро, чунон ки мо бовар дорем, ҳарорати объект худсарона паст шуда наметавонад. Тахмин карда мешавад, ки он дорои арзиши муайяни ниҳоӣ мебошад, ки онро ҳатто нозири хеле дур чен кардан мумкин аст.
Манбаъ: will.com