Entropija i Hokingovo zračenje

Apr 14, 2014 by

  Stiven Hoking je 1971. godine pokazao da horizont događaja klasične crne rupe ne može nikada da se smanji. Ono što je pokazao neodoljivo je podsećalo na Drugi zakon termodinamike, to jest na fizičku veličinu poznatu kao entropija kojom se meri stepen neuređenosti nekog sistema. 

                   Crne rupe naizgled nauršavaju ovaj zakon. Ako bi crna rupa progutala materiju sa puno entropije logično bi bilo zaključiti da se entropija u protoru oko nje smanjila pošto ne možemo da zavirimo u crnu rupu i saznamo nivo entropije u njoj.

Do jednog od rešenja problema entropije oko crnih rupa došao je Džejkob Bekenstajn izlažući zamisao po kojoj je horizont crne rupe mera njene entropije jer se tokom procesa upada materije u crnu rupu njena masa povećava, time i njena gravitacija kao i horizont događaja. Ovakva zamisao je bila zaista dobra ali je takođe postavljala pitanja. Jedno od tih pitanja bilo je i da li crna rupa u tom slučaju ima neku temperaturu?

Da se podsetimo Drugog zakona termodinamike: toplota nikada ne prelazi spontano sa tela niže temperature na telo više temperature. Imajući u vidu ovaj zakon jasno je da crne rupe moraju emitovati zračenje jer je temperatura svemira skoro apsolutna nula (nešto iznad 2 kelvina) pa bi crna rupa morala da bude te temperature ili hladnija kako ne bi emitovala zračenje jer drugačije nije moguće bez dodavanja energije.  Ono što je bio problem i što je ovo pitanje činilo izuzetno teškim i izazovnim jeste sama priroda crne rupe prema kojoj ništa ne može da je napusti, čak ni svetlost. Pa ako je tako kako onda crna rupa može da emituje bilo kakvo zračenje?

Odgovor na ovo pitanje leži u kvantnoj mehanici, to jest u činjenici da vakuum ipak nije sasvim prazan prostor, već da poseduje sasvim male količine energije koje se manifestuju kao parovi čestica i antičestica. Pomenutim antičesticama je, s obzirom na činjenicu da materija u normalnim okolnostima može imati samo pozitivnu energiju, suđeno da brzo nestanu kao virtuelne čestice. No, gravitaciono polje crne rupe je toliko jako da čak i normalne čestice dobijaju negativnu energiju iz čega sledi da i antičestica može upasti u crnu rupu oslobađajući pri tom normalnu česticu materije sa kojom bi se inače potrla. Ta normalna čestica koja je ostala može i dalje upasti u crnu rupu, ali joj takođe može i pobeći u vidu stvarne čestice ili antičestice. Upravo te čestice koje su uspele da izbegnu upadanje u crnu rupu predstavljaju Hokingovo zračenje i odgovor na pitanje da li crna rupa ima temperaturu. Važno je napomenuti da bi one čestice koje su uspele da pobegnu crnoj rupi bivale zamenjene česticama suprotne energije koje bi u nju upale. Jednostavnije rečeno, ako neki broj čestica normalne materije uspe da pobegne crnoj rupi, isti broj antičestica će u nju upasti.

hawkrad                  Možda će nekome ko nije baš mnogo upućen u fiziku delovati da crna rupa ne gubi ništa jer koliko čestica izbegne gravitaciju crne rupe, toliko čestica upadne u nju samo sa energijom suprotnog znaka, to ipak nije tačno. Ajnštajnova poznata jednačina E=mcˇ2 nam govori da je energija direktno srazmerna masi, što praktično znači da čestice sa negativnom energijom zapravo oduzimaju masu crnoj rupi, to jest ona “isparava”. Ovo isparavanje crne rupe, naravno, smanjuje entropiju sistema ali se ista nadoknađuje povećanom entropijom zračenja pa
Drugi zakon termodinamike ostaje nenarušen.

Isparavanje crne rupe je sve sporiji proces što je crna rupa masivnija jer je Hokingovo zračenje obrnuto proporcionalno masi crne rupe. Drugim rečima, što je crna rupa masivnija ona će emitovati sve slabije zračenje. Ovo znači da bi crnoj rupi koja ima masu našeg Sunca bilo potrebno više vremena nego što je svemir star da potpuno ispari.

Ono što je zanimljivo, a tiče se Hokingovog zračenja, jeste to da  predstavlja fenomen koji spaja kvantnu mehaniku i gravitaciju i kamen je spoticanja u stvaranju “teorije svega” koja je najveći san i cilj moderne fizike. Svaka nova teorija u fizici koja pretenduje da bude “teorija svega” mora prvo objasniti fenomen Hokingovog zračenja da bi imala izgleda da uspešno pomiri kvantnu mehaniku sa teorijom relativnosti.

Social Comments

Related Posts

Tags

Share This

Leave a Reply