Maligayang Araw ng Cosmonautics! Ipinadala namin ito sa printing house . Sa mga araw na ito ipinakita ng mga astrophysicist sa buong mundo kung ano ang hitsura ng mga black hole. Pagkakataon? Sa palagay namin ay hindi 😉 Kaya maghintay, isang kamangha-manghang libro ang lalabas sa lalong madaling panahon, na isinulat ni Steven Gabser at France Pretorius, isinalin ng kahanga-hangang Pulkovo astronomer aka Astrodedus Kirill Maslennikov, siyentipikong na-edit ng maalamat na Vladimir Surdin at suportado ng publikasyon nito ng Trajectory Foundation.
Sipi "Thermodynamics ng mga itim na butas" sa ilalim ng hiwa.
Hanggang ngayon, isinasaalang-alang namin ang mga black hole bilang mga astrophysical na bagay na nabuo sa panahon ng mga pagsabog ng supernova o nakahiga sa mga sentro ng mga kalawakan. Inoobserbahan namin ang mga ito nang hindi direkta sa pamamagitan ng pagsukat ng mga acceleration ng mga bituin na malapit sa kanila. Ang sikat na pagtuklas ng mga gravitational wave ng LIGO noong Setyembre 14, 2015 ay isang halimbawa ng mas direktang mga obserbasyon ng mga banggaan ng black hole. Ang mga kasangkapang pangmatematika na ginagamit namin upang mas maunawaan ang likas na katangian ng mga black hole ay ang: differential geometry, Einstein's equation, at makapangyarihang analytical at numerical na pamamaraan na ginagamit upang lutasin ang mga equation ni Einstein at ilarawan ang geometry ng spacetime na ibinubunga ng mga black hole. At sa sandaling makapagbigay tayo ng kumpletong quantitative na paglalarawan ng space-time na nabuo ng isang black hole, mula sa astrophysical point of view, ang paksa ng black hole ay maaaring ituring na sarado. Mula sa isang mas malawak na teoretikal na pananaw, marami pa ring puwang para sa paggalugad. Ang layunin ng kabanatang ito ay upang i-highlight ang ilan sa mga theoretical advances sa modernong black hole physics, kung saan ang mga ideya mula sa thermodynamics at quantum theory ay pinagsama sa pangkalahatang relativity upang magbunga ng mga hindi inaasahang bagong konsepto. Ang pangunahing ideya ay ang mga black hole ay hindi lamang mga geometric na bagay. Mayroon silang temperatura, mayroon silang napakalaking entropy, at maaari silang magpakita ng mga pagpapakita ng quantum entanglement. Ang aming talakayan sa thermodynamic at quantum na aspeto ng pisika ng mga black hole ay magiging mas pira-piraso at mababaw kaysa sa pagsusuri ng mga purong geometriko na katangian ng space-time sa mga black hole na ipinakita sa mga nakaraang kabanata. Ngunit ang mga ito, at lalo na ang quantum, na mga aspeto ay isang mahalaga at mahalagang bahagi ng patuloy na teoretikal na pananaliksik sa mga black hole, at susubukan naming maiparating, kung hindi man ang mga kumplikadong detalye, kung gayon ang diwa ng mga gawang ito.
Sa classical general relativity - kung pag-uusapan natin ang differential geometry ng mga solusyon sa mga equation ni Einstein - ang mga black hole ay tunay na itim sa diwa na walang makakatakas sa kanila. Ipinakita ni Stephen Hawking na ganap na nagbabago ang sitwasyong ito kapag isinasaalang-alang natin ang mga quantum effect: ang mga black hole ay lumalabas na naglalabas ng radiation sa isang tiyak na temperatura, na kilala bilang temperatura ng Hawking. Para sa mga black hole ng astrophysical sizes (iyon ay, mula sa stellar-mass hanggang supermassive black hole), ang temperatura ng Hawking ay bale-wala kumpara sa temperatura ng cosmic microwave background - radiation na pumupuno sa buong Uniberso, na, sa pamamagitan ng paraan, ay maaari mismo. maituturing na variant ng Hawking radiation. Ang mga kalkulasyon ni Hawking upang matukoy ang temperatura ng mga black hole ay bahagi ng isang mas malaking programa sa pananaliksik sa isang larangan na tinatawag na black hole thermodynamics. Ang isa pang malaking bahagi ng programang ito ay ang pag-aaral ng black hole entropy, na sumusukat sa dami ng impormasyong nawala sa loob ng black hole. Ang mga ordinaryong bagay (tulad ng isang tabo ng tubig, isang bloke ng purong magnesium, o isang bituin) ay mayroon ding entropy, at isa sa mga pangunahing pahayag ng black hole thermodynamics ay ang isang black hole ng isang partikular na laki ay may higit na entropy kaysa sa anumang iba pang anyo ng bagay na maaaring mapaloob sa loob. isang lugar na may parehong laki, ngunit walang nabuong black hole.
Ngunit bago tayo sumisid nang malalim sa mga isyung nakapalibot sa Hawking radiation at black hole entropy, mabilis tayong lumihis sa mga larangan ng quantum mechanics, thermodynamics, at entanglement. Ang quantum mechanics ay pangunahing binuo noong 1920s, at ang pangunahing layunin nito ay ilarawan ang napakaliit na particle ng matter, tulad ng mga atomo. Ang pag-unlad ng quantum mechanics ay humantong sa pagguho ng mga pangunahing konsepto ng pisika bilang ang eksaktong posisyon ng isang indibidwal na particle: ito ay naging, halimbawa, na ang posisyon ng isang electron habang ito ay gumagalaw sa paligid ng isang atomic nucleus ay hindi maaaring tumpak na matukoy. Sa halip, ang mga electron ay itinalaga ng tinatawag na mga orbit, kung saan ang kanilang aktwal na mga posisyon ay maaari lamang matukoy sa isang probabilistikong kahulugan. Para sa aming mga layunin, gayunpaman, mahalaga na huwag masyadong mabilis na lumipat sa probabilistic na bahaging ito ng mga bagay. Kunin natin ang pinakasimpleng halimbawa: ang hydrogen atom. Ito ay maaaring nasa isang tiyak na estado ng kabuuan. Ang pinakasimpleng estado ng isang hydrogen atom, na tinatawag na ground state, ay ang estado na may pinakamababang enerhiya, at ang enerhiya na ito ay tiyak na kilala. Sa pangkalahatan, pinapayagan tayo ng quantum mechanics (sa prinsipyo) na malaman ang estado ng anumang quantum system na may ganap na katumpakan.
Naglalaro ang mga probabilidad kapag nagtanong tayo ng ilang uri ng mga tanong tungkol sa isang quantum mechanical system. Halimbawa, kung tiyak na ang hydrogen atom ay nasa ground state, maaari nating itanong, "Nasaan ang electron?" at ayon sa mga batas ng quantum
mekanika, makakakuha lamang tayo ng ilang pagtatantya ng posibilidad para sa tanong na ito, humigit-kumulang tulad ng: "marahil ang electron ay matatagpuan sa layo na hanggang kalahating angstrom mula sa nucleus ng isang hydrogen atom" (isang angstrom ay katumbas ng 
metro). Ngunit mayroon tayong pagkakataon, sa pamamagitan ng isang tiyak na pisikal na proseso, upang mahanap ang posisyon ng elektron nang mas tumpak kaysa sa isang angstrom. Ang medyo karaniwang prosesong ito sa pisika ay binubuo ng pagpapaputok ng isang photon na napakaikling wavelength sa isang electron (o, gaya ng sinasabi ng mga physicist, pagkalat ng isang photon sa pamamagitan ng isang electron) - pagkatapos nito ay maaari nating muling buuin ang lokasyon ng electron sa sandali ng pagkalat ng isang katumpakan humigit-kumulang katumbas ng wavelength photon. Ngunit babaguhin ng prosesong ito ang estado ng elektron, upang pagkatapos nito ay hindi na ito nasa ground state ng hydrogen atom at hindi magkakaroon ng tiyak na tinukoy na enerhiya. Ngunit sa ilang panahon ang posisyon nito ay halos eksaktong matutukoy (na may katumpakan ng wavelength ng photon na ginamit para dito). Ang isang paunang pagtatantya ng posisyon ng electron ay maaari lamang gawin sa isang probabilistikong kahulugan na may katumpakan ng halos isang angstrom, ngunit kapag nasukat na natin ito alam na natin kung ano ito. Sa madaling salita, kung susukatin natin ang isang quantum mechanical system sa ilang paraan, kung gayon, kahit sa karaniwang kahulugan, "pinipilit" natin ito sa isang estado na may tiyak na halaga ng dami na ating sinusukat.
Nalalapat ang quantum mechanics hindi lamang sa maliliit na sistema, ngunit (naniniwala kami) sa lahat ng system, ngunit para sa malalaking sistema ang mga tuntunin ng quantum mechanical ay mabilis na naging napakasalimuot. Ang isang pangunahing konsepto ay ang quantum entanglement, isang simpleng halimbawa kung saan ay ang konsepto ng spin. Ang mga indibidwal na electron ay may spin, kaya sa pagsasanay ang isang electron ay maaaring magkaroon ng spin na nakadirekta pataas o pababa na may paggalang sa isang napiling spatial axis. Ang pag-ikot ng isang electron ay isang nakikitang dami dahil ang elektron ay bumubuo ng isang mahina na magnetic field, katulad ng field ng isang magnetic bar. Pagkatapos ay ang spin up ay nangangahulugan na ang north pole ng electron ay nakaturo pababa, at ang spin down ay nangangahulugan na ang north pole ay nakaturo pataas. Ang dalawang electron ay maaaring ilagay sa isang conjugated quantum state, kung saan ang isa sa kanila ay may spin up at ang isa ay may pababang spin, ngunit imposibleng sabihin kung aling electron ang mayroon kung aling spin. Sa esensya, sa ground state ng isang helium atom, dalawang electron ang nasa ganitong estado, na tinatawag na spin singlet, dahil ang kabuuang spin ng parehong electron ay zero. Kung paghiwalayin natin ang dalawang electron na ito nang hindi binabago ang kanilang mga spin, masasabi pa rin natin na sila ay mga spin singlet na magkasama, ngunit hindi pa rin natin masasabi kung ano ang magiging ikot ng alinman sa mga ito nang isa-isa. Ngayon, kung susukatin natin ang isa sa kanilang mga pag-ikot at itatag na ito ay nakadirekta paitaas, pagkatapos ay lubos nating matitiyak na ang pangalawa ay nakadirekta pababa. Sa sitwasyong ito, sinasabi namin na ang mga spin ay nakakabit-ni sa sarili nito ay walang tiyak na halaga, habang magkasama sila ay nasa isang tiyak na estado ng kabuuan.
Si Einstein ay labis na nag-aalala tungkol sa hindi pangkaraniwang bagay ng pagkakasalubong: tila nagbabanta ito sa mga pangunahing prinsipyo ng teorya ng relativity. Isaalang-alang natin ang kaso ng dalawang electron sa isang spin singlet state, kapag sila ay magkalayo sa espasyo. Para makasigurado, hayaang kunin ni Alice ang isa sa kanila at kunin ni Bob ang isa pa. Sabihin nating sinukat ni Alice ang spin ng kanyang electron at nalaman na nakadirekta ito paitaas, ngunit walang sinukat si Bob. Hanggang sa ginawa ni Alice ang kanyang pagsukat, imposibleng sabihin kung ano ang spin ng kanyang electron. Ngunit sa sandaling makumpleto niya ang kanyang pagsukat, lubos niyang alam na ang pag-ikot ng elektron ni Bob ay nakadirekta pababa (sa direksyon na kabaligtaran sa pag-ikot ng kanyang sariling elektron). Nangangahulugan ba ito na ang kanyang pagsukat ay agad na naglagay ng electron ni Bob sa isang spin-down na estado? Paano ito mangyayari kung ang mga electron ay spatially separated? Nadama ni Einstein at ng kanyang mga katuwang na sina Nathan Rosen at Boris Podolsky na ang kwento ng pagsukat ng mga gusot na sistema ay napakaseryoso na nagbanta sa mismong pagkakaroon ng quantum mechanics. Ang Einstein-Podolsky-Rosen Paradox (EPR) na kanilang binuo ay gumagamit ng isang eksperimento sa pag-iisip na katulad ng isang inilarawan lamang namin upang tapusin na ang quantum mechanics ay hindi maaaring isang kumpletong paglalarawan ng katotohanan. Ngayon, batay sa kasunod na teoretikal na pananaliksik at maraming mga sukat, ang pangkalahatang pinagkasunduan ay itinatag na ang EPR kabalintunaan ay naglalaman ng isang error at ang quantum theory ay tama. Ang quantum mechanical entanglement ay totoo: ang mga sukat ng entangled system ay magkakaugnay kahit na ang mga system ay magkalayo sa spacetime.
Bumalik tayo sa sitwasyon kung saan naglagay tayo ng dalawang electron sa isang spin singlet state at ibinigay ito kina Alice at Bob. Ano ang masasabi natin tungkol sa mga electron bago gawin ang mga pagsukat? Na pareho silang magkasama ay nasa isang tiyak na quantum state (spin-singlet). Ang pag-ikot ng electron ni Alice ay pantay na malamang na idirekta pataas o pababa. Mas tiyak, ang quantum state ng electron nito ay maaaring maging isa (spin up) o ang isa (spin down). Ngayon para sa amin ang konsepto ng probabilidad ay nagkakaroon ng mas malalim na kahulugan kaysa dati. Noong nakaraan ay tumingin kami sa isang tiyak na estado ng quantum (ang ground state ng hydrogen atom) at nakita na mayroong ilang mga "hindi maginhawa" na mga tanong, tulad ng "Nasaan ang electron?" - mga tanong kung saan ang mga sagot ay umiiral lamang sa isang probabilistikong kahulugan. Kung nagtanong tayo ng "magandang" mga tanong, tulad ng "Ano ang enerhiya ng elektron na ito?", makakakuha tayo ng mga tiyak na sagot. Ngayon, walang mga "magandang" tanong na maaari nating itanong tungkol sa electron ni Alice na walang mga sagot na nakadepende sa electron ni Bob. (Hindi natin pinag-uusapan ang mga hangal na tanong tulad ng "May spin ba ang electron ni Alice?" - mga tanong kung saan iisa lang ang sagot.) Kaya, upang matukoy ang mga parameter ng kalahati ng gusot na sistema, kakailanganin nating gamitin probabilistikong wika. Lumalabas lamang ang katiyakan kapag isinasaalang-alang natin ang koneksyon sa pagitan ng mga tanong na maaaring itanong nina Alice at Bob tungkol sa kanilang mga electron.
Sinadya naming nagsimula sa isa sa pinakasimpleng quantum mechanical system na alam namin: ang sistema ng pag-ikot ng mga indibidwal na electron. May pag-asa na ang mga quantum computer ay itatayo batay sa gayong mga simpleng sistema. Ang spin system ng mga indibidwal na electron o iba pang katumbas na quantum system ay tinatawag na ngayong qubits (maikli para sa "quantum bits"), na nagbibigay-diin sa kanilang papel sa mga quantum computer, katulad ng papel na ginagampanan ng mga ordinaryong bit sa mga digital na computer.
Isipin natin ngayon na pinalitan natin ang bawat elektron ng isang mas kumplikadong sistema ng quantum na may marami, hindi lamang dalawa, mga estado ng quantum. Halimbawa, binigyan nila sina Alice at Bob ng mga bar ng purong magnesiyo. Bago maghiwalay sina Alice at Bob, maaaring makipag-ugnayan ang kanilang mga bar, at sumasang-ayon kami na sa paggawa nito ay nakakakuha sila ng isang partikular na estado ng kabuuan. Sa sandaling maghiwalay sina Alice at Bob, huminto sa pakikipag-ugnayan ang kanilang mga magnesium bar. Tulad ng sa kaso ng mga electron, ang bawat bar ay nasa isang hindi tiyak na estado ng kabuuan, bagaman magkasama, tulad ng aming pinaniniwalaan, sila ay bumubuo ng isang mahusay na tinukoy na estado. (Sa talakayang ito, ipinapalagay namin na nagagawa nina Alice at Bob na ilipat ang kanilang mga magnesium bar nang hindi naaabala ang kanilang panloob na estado sa anumang paraan, tulad ng dati nating ipinapalagay na maaaring paghiwalayin nina Alice at Bob ang kanilang mga gusot na electron nang hindi binabago ang kanilang mga spin.) Ngunit mayroong pagkakaiba Ang pagkakaiba sa pagitan ng eksperimento sa pag-iisip na ito at ng eksperimentong elektron ay ang kawalan ng katiyakan sa estado ng kabuuan ng bawat bar ay napakalaki. Ang bar ay maaaring makakuha ng mas maraming quantum states kaysa sa bilang ng mga atomo sa Uniberso. Dito pumapasok ang thermodynamics. Gayunpaman, ang mga system na napakali-natukoy ay maaaring magkaroon ng ilang mahusay na tinukoy na macroscopic na mga katangian. Ang ganitong katangian ay, halimbawa, temperatura. Ang temperatura ay isang sukatan kung gaano malamang ang anumang bahagi ng isang sistema ay may partikular na average na enerhiya, na may mas mataas na temperatura na tumutugma sa mas malaking posibilidad na magkaroon ng mas malaking enerhiya. Ang isa pang thermodynamic parameter ay entropy, na mahalagang katumbas ng logarithm ng bilang ng mga estado na maaaring ipalagay ng isang sistema. Ang isa pang thermodynamic na katangian na magiging makabuluhan para sa isang bar ng magnesium ay ang net magnetization nito, na mahalagang parameter na nagpapakita kung gaano karaming spin-up na mga electron ang nasa bar kaysa sa mga spin-down na electron.
Dinala namin ang thermodynamics sa aming kwento bilang isang paraan upang ilarawan ang mga system na ang mga estado ng kabuuan ay hindi tiyak na kilala dahil sa pagkakabit ng mga ito sa ibang mga system. Ang Thermodynamics ay isang makapangyarihang tool para sa pagsusuri ng mga naturang sistema, ngunit hindi man lang naisip ng mga tagalikha nito ang paggamit nito sa ganitong paraan. Sina Sadi Carnot, James Joule, Rudolf Clausius ay mga pigura ng XNUMXth century industrial revolution, at interesado sila sa pinakapraktikal sa lahat ng tanong: paano gumagana ang mga makina? Ang presyon, dami, temperatura at init ay ang laman at dugo ng mga makina. Itinatag ni Carnot na ang enerhiya sa anyo ng init ay hindi kailanman ganap na maiko-convert sa kapaki-pakinabang na gawain tulad ng pagbubuhat ng mga kargada. Ang ilang enerhiya ay palaging nasasayang. Si Clausius ay gumawa ng isang malaking kontribusyon sa paglikha ng ideya ng entropy bilang isang unibersal na tool para sa pagtukoy ng mga pagkalugi ng enerhiya sa anumang proseso na kinasasangkutan ng init. Ang kanyang pangunahing tagumpay ay ang pagsasakatuparan na ang entropy ay hindi kailanman bumababa - sa halos lahat ng mga proseso ay tumataas ito. Ang mga proseso kung saan ang pagtaas ng entropy ay tinatawag na hindi maibabalik, tiyak dahil hindi sila mababaligtad nang walang pagbaba sa entropy. Ang susunod na hakbang patungo sa pag-unlad ng mga istatistikal na mekanika ay ginawa nina Clausius, Maxwell at Ludwig Boltzmann (bukod sa marami pang iba) - ipinakita nila na ang entropy ay isang sukatan ng kaguluhan. Karaniwan, kapag mas kumilos ka sa isang bagay, mas maraming kaguluhan ang iyong nalilikha. At kahit na magdisenyo ka ng isang proseso na ang layunin ay ibalik ang kaayusan, hindi maiiwasang lumikha ito ng mas maraming entropy kaysa sa masisira—halimbawa, sa pamamagitan ng pagpapakawala ng init. Ang crane na naglalagay ng mga steel beam sa perpektong pagkakasunud-sunod ay lumilikha ng kaayusan sa mga tuntunin ng pag-aayos ng mga beam, ngunit sa panahon ng operasyon nito ito ay bumubuo ng labis na init na ang pangkalahatang entropy ay tumataas pa rin.
Ngunit gayon pa man, ang pagkakaiba sa pagitan ng pananaw ng thermodynamics ng ika-XNUMX na siglong physicist at ang pananaw na nauugnay sa quantum entanglement ay hindi kasing laki ng tila. Sa bawat oras na nakikipag-ugnayan ang isang system sa isang panlabas na ahente, ang quantum state nito ay nagiging gusot sa quantum state ng ahente. Karaniwan, ang pagkakasalungat na ito ay humahantong sa pagtaas ng kawalan ng katiyakan ng quantum state ng system, sa madaling salita, sa pagtaas ng bilang ng quantum states kung saan ang system ay maaaring maging. Bilang resulta ng pakikipag-ugnayan sa ibang mga sistema, kadalasang tumataas ang entropy, na tinukoy sa mga tuntunin ng bilang ng mga quantum state na magagamit sa system.
Sa pangkalahatan, ang quantum mechanics ay nagbibigay ng isang bagong paraan upang makilala ang mga pisikal na sistema kung saan ang ilang mga parameter (tulad ng posisyon sa espasyo) ay nagiging hindi tiyak, ngunit ang iba (tulad ng enerhiya) ay kadalasang kilala nang may katiyakan. Sa kaso ng quantum entanglement, dalawang pangunahing magkahiwalay na bahagi ng system ang may kilala na karaniwang quantum state, at ang bawat bahagi ay magkahiwalay ay may hindi tiyak na estado. Ang karaniwang halimbawa ng gusot ay isang pares ng mga spin sa isang single na estado, kung saan imposibleng matukoy kung aling spin ang pataas at alin ang pababa. Ang kawalan ng katiyakan ng estado ng quantum sa isang malaking sistema ay nangangailangan ng isang thermodynamic na diskarte kung saan ang mga macroscopic na parameter tulad ng temperatura at entropy ay kilala nang may mahusay na katumpakan, kahit na ang system ay may maraming posibleng microscopic na estado ng quantum.
Matapos makumpleto ang aming maikling iskursiyon sa larangan ng quantum mechanics, entanglement at thermodynamics, subukan natin ngayon na maunawaan kung paano ang lahat ng ito ay humahantong sa pag-unawa sa katotohanan na ang mga black hole ay may temperatura. Ang unang hakbang patungo dito ay ginawa ni Bill Unruh - ipinakita niya na ang isang accelerating observer sa flat space ay magkakaroon ng temperatura na katumbas ng kanyang acceleration na hinati sa 2π. Ang susi sa mga kalkulasyon ni Unruh ay ang isang tagamasid na gumagalaw nang may patuloy na pagbilis sa isang tiyak na direksyon ay makikita lamang ang kalahati ng flat spacetime. Ang ikalawang kalahati ay mahalagang nasa likod ng isang abot-tanaw na katulad ng sa isang black hole. Sa una ay mukhang imposible: paano ang flat spacetime ay kumikilos tulad ng abot-tanaw ng isang black hole? Upang maunawaan kung paano ito mangyayari, tumawag tayo sa ating tapat na mga tagamasid na sina Alice, Bob at Bill para sa tulong. Sa aming kahilingan, pumila sila, kasama si Alice sa pagitan ni Bob at Bill, at ang distansya sa pagitan ng mga nagmamasid sa bawat pares ay eksaktong 6 na kilometro. Napagkasunduan namin na sa oras na zero si Alice ay talon sa rocket at lilipad patungo kay Bill (at samakatuwid ay palayo kay Bob) nang may patuloy na pagbilis. Napakahusay ng rocket nito, na may kakayahang bumuo ng acceleration na 1,5 trilyong beses na mas malaki kaysa sa gravitational acceleration kung saan gumagalaw ang mga bagay malapit sa ibabaw ng Earth. Siyempre, hindi madali para kay Alice na makayanan ang gayong pagbilis, ngunit, tulad ng makikita natin ngayon, ang mga numerong ito ay pinili para sa isang layunin; at the end of the day, we're just discussing potential opportunities, yun lang. Eksaktong sa sandaling tumalon si Alice sa kanyang rocket, kumaway sina Bob at Bill sa kanya. (May karapatan kaming gamitin ang expression na "eksaktong sa sandaling ...", dahil habang hindi pa nagsisimula si Alice sa kanyang paglipad, siya ay nasa parehong frame of reference bilang Bob at Bill, kaya lahat sila ay maaaring i-synchronize ang kanilang mga orasan .) Ang kumakaway kay Alice, siyempre, ay nakikita si Bill sa kanya: gayunpaman, dahil nasa rocket, makikita niya ito nang mas maaga kaysa sa mangyayari kung nanatili siya sa kanyang kinaroroonan, dahil ang kanyang rocket na kasama niya ay eksaktong lumilipad patungo sa kanya. Sa kabaligtaran, lumayo siya kay Bob, kaya makatwirang ipalagay natin na makikita niya itong kumakaway sa kanya sa ibang pagkakataon kaysa sa makikita niya kung nanatili siya sa parehong lugar. Ngunit ang katotohanan ay mas nakakagulat: hindi niya makikita si Bob! Sa madaling salita, ang mga photon na lumilipad mula sa kumakaway na kamay ni Bob kay Alice ay hinding-hindi na makakahabol sa kanya, kahit na hindi na niya maaabot ang bilis ng liwanag. Kung si Bob ay nagsimulang kumaway, na medyo malapit kay Alice, kung gayon ang mga photon na lumipad palayo sa kanya sa sandali ng kanyang pag-alis ay maabutan siya, at kung siya ay medyo malayo, hindi nila siya aabutan. Sa ganitong diwa na sinasabi natin na kalahati lang ng spacetime ang nakikita ni Alice. Sa sandaling nagsimulang gumalaw si Alice, bahagyang mas malayo si Bob kaysa sa abot-tanaw na nakikita ni Alice.
Sa ating talakayan tungkol sa quantum entanglement, nasanay na tayo sa ideya na kahit na ang isang quantum mechanical system sa kabuuan ay may partikular na quantum state, maaaring wala nito ang ilang bahagi nito. Sa katunayan, kapag tinalakay natin ang isang kumplikadong sistema ng quantum, ang ilang bahagi nito ay maaaring pinakamahusay na mailalarawan nang tumpak sa mga tuntunin ng thermodynamics: maaari itong italaga ng isang mahusay na tinukoy na temperatura, sa kabila ng lubos na hindi tiyak na estado ng kabuuan ng buong sistema. Ang aming huling kuwento na kinasasangkutan nina Alice, Bob at Bill ay medyo katulad ng sitwasyong ito, ngunit ang quantum system na pinag-uusapan natin dito ay walang laman na spacetime, at kalahati lang nito ang nakikita ni Alice. Gumawa tayo ng reserbasyon na ang space-time sa kabuuan ay nasa ground state nito, na nangangahulugang walang mga particle sa loob nito (siyempre, hindi binibilang si Alice, Bob, Bill at ang rocket). Ngunit ang bahagi ng espasyo-oras na nakikita ni Alice ay hindi nasa ground state, ngunit nasa isang estado na nakagapos sa bahagi nito na hindi niya nakikita. Ang space-time na napagtanto ni Alice ay nasa isang kumplikado, hindi tiyak na estado ng kabuuan na nailalarawan sa pamamagitan ng isang may hangganan na temperatura. Ang mga kalkulasyon ng Unruh ay nagpapahiwatig na ang temperaturang ito ay humigit-kumulang 60 nanokelvins. Sa madaling salita, habang bumibilis si Alice, tila nalulubog siya sa isang mainit na paliguan ng radiation na may katumbas na temperatura (sa naaangkop na mga yunit) sa acceleration na hinati sa
kanin. 7.1. Si Alice ay gumagalaw nang may acceleration mula sa pahinga, habang sina Bob at Bill ay nananatiling hindi gumagalaw. Ang acceleration ni Alice ay hindi na niya makikita ang mga photon na ipinadala ni Bob sa kanya sa t = 0. Gayunpaman, natatanggap niya ang mga photon na ipinadala sa kanya ni Bill sa t = 0. Ang resulta ay isang kalahati lamang ng spacetime ang namamasid ni Alice.
Ang kakaiba sa mga kalkulasyon ni Unruh ay bagama't tinutukoy nila mula simula hanggang katapusan hanggang sa bakanteng espasyo, sinasalungat nila ang mga tanyag na salita ni King Lear, "sa wala ay wala." Paano magiging kumplikado ang walang laman na espasyo? Saan maaaring magmula ang mga particle? Ang katotohanan ay ayon sa teorya ng quantum, ang walang laman na espasyo ay hindi walang laman. Sa loob nito, dito at doon, ang mga panandaliang paggulo ay patuloy na lumilitaw at nawawala, na tinatawag na mga virtual na particle, na ang enerhiya ay maaaring maging positibo at negatibo. Isang tagamasid mula sa malayong hinaharap—tawagin natin siyang Carol—na nakakakita ng halos lahat ng bakanteng espasyo ay makapagpapatunay na walang pangmatagalang mga particle sa loob nito. Higit pa rito, ang pagkakaroon ng mga particle na may positibong enerhiya sa bahaging iyon ng space-time na maaaring obserbahan ni Alice, dahil sa quantum entanglement, ay nauugnay sa mga excitations ng pantay at kabaligtaran na tanda ng enerhiya sa bahagi ng space-time na hindi napapansin para kay Alice. Ang buong katotohanan tungkol sa walang laman na spacetime sa kabuuan ay ipinahayag kay Carol, at ang katotohanang iyon ay walang mga particle doon. Gayunpaman, ang karanasan ni Alice ay nagsasabi sa kanya na ang mga particle ay naroroon!
Ngunit pagkatapos ay lumalabas na ang temperatura na kinakalkula ng Unruh ay tila isang kathang-isip lamang - hindi ito isang pag-aari ng patag na espasyo, ngunit sa halip ay isang pag-aari ng isang tagamasid na nakakaranas ng patuloy na pagbilis sa patag na espasyo. Gayunpaman, ang gravity mismo ay ang parehong "fictitious" na puwersa sa kahulugan na ang "acceleration" na dulot nito ay walang iba kundi ang paggalaw sa isang geodesic sa isang curved metric. Gaya ng ipinaliwanag namin sa Kabanata 2, ang prinsipyo ng equivalence ni Einstein ay nagsasaad na ang acceleration at gravity ay mahalagang katumbas. Mula sa puntong ito, walang partikular na nakakagulat tungkol sa abot-tanaw ng black hole na may temperatura na katumbas ng pagkalkula ng Unruh ng temperatura ng bumibilis na tagamasid. Ngunit, maaari nating itanong, anong halaga ng acceleration ang dapat nating gamitin upang matukoy ang temperatura? Sa pamamagitan ng paglipat ng sapat na malayo mula sa isang black hole, maaari nating gawing mahina ang gravity attraction nito hangga't gusto natin. Nangangahulugan ba ito na upang matukoy ang epektibong temperatura ng isang black hole na sinusukat natin, kailangan nating gumamit ng katumbas na maliit na halaga ng acceleration? Ang tanong na ito ay lumalabas na medyo mapanlinlang, dahil, tulad ng aming pinaniniwalaan, ang temperatura ng isang bagay ay hindi maaaring bumaba nang basta-basta. Ipinapalagay na mayroon itong ilang nakapirming finite value na maaaring masukat kahit ng isang napakalayo na tagamasid.
Pinagmulan: www.habr.com