Zwarte gaten worden met de dag vreemder. Toen wetenschappers in de jaren zeventig voor het eerst het bestaan van de kolossen bevestigden, dachten we dat het heel eenvoudige inerte lijken waren. Toen ontdekte de beroemde natuurkundige Stephen Hawking dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn en dat ze eigenlijk warmte afgeven. En nu hebben een paar natuurkundigen zich gerealiseerd dat donkere objecten ook op hun omgeving drukken.
Onze conclusie dat zo’n eenvoudig, niet-periodiekzwarte gaten “Het hebben van druk en temperatuur is nog spannender, aangezien het een complete verrassing was”, zei co-auteur Xavier Calmette, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Sussex in Engeland, in een verklaring.
Verwant: 8 manieren waarop we weten dat zwarte gaten echt bestaan
Calmette en zijn afstudeerstudent Volkert Kuipers hebben onderzoek gedaan naar kwantumeffecten nabij de waarnemingshorizon van zwarte gaten, die uiterst moeilijk te bepalen zijn. Om dit aan te pakken, gebruikten de onderzoekers een techniek om hun berekeningen te vereenvoudigen. Tijdens hun werk verscheen er een vreemde term in de wiskunde van hun oplossing. Na maanden van verwarring beseften ze wat deze nieuw ontdekte term betekende: het was een uitdrukking van druk van een zwart gat. Niemand wist eerder dat dit mogelijk was, en het verandert de manier waarop wetenschappers denken over zwarte gaten en hun relaties met de rest van het universum.
Hawking-motor
In de jaren zeventig werd Hawking een van de eerste natuurkundigen die zich toepast Kwantummechanica Om te proberen te begrijpen wat er gebeurt aan de waarnemingshorizon – het gebied rond een zwart gat waarachter niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen. Voorafgaand aan dit werk was iedereen er gewoon van uitgegaan dat zwarte gaten simpele dingen zijn. volgens algemene relativiteitstheorie, de zwaartekrachttheorie die voor het eerst het bestaan van zwarte gaten voorstelde, is er absoluut niets opmerkelijks aan de waarnemingshorizon. De waarnemingshorizon is de “grens” van het zwarte gat en definieert het gebied waarin de uitgang van zwart sneller dan het licht moet reizen. Maar het was gewoon een denkbeeldige lijn in de ruimte – als je die zou overschrijden, zou je niet eens weten dat je dat deed, totdat je probeerde om te draaien en weg te gaan.
Verwant: 8 manieren om Einsteins relativiteitstheorie in het echt te zien
Hawking heeft dat allemaal veranderd. Hij realiseerde zich dat kwantumschuim, dat verwijst naar een zee van deeltjes die constant in het vacuüm van de ruimtetijd verschijnt, dat vereenvoudigde beeld van de waarnemingshorizon zou kunnen beïnvloeden. Soms verschijnen paren deeltjes spontaan vanuit de lege ruimte van Vrije tijden vernietigen elkaar vervolgens in een flits van energie, waardoor de leegte in zijn oorspronkelijke staat wordt teruggebracht. Maar wanneer dit in de buurt van het zwarte gat gebeurt, kan het ene paar achter de waarnemingshorizon vast komen te zitten en het andere paar ontsnappen. Het zwarte gat houdt de energierekening van het ontsnappende deeltje vast en moet dus zijn massa verliezen.
Dit proces staat nu bekend als Hawking-straling en door deze berekeningen hebben we ontdekt dat zwarte gaten niet helemaal, 100% zwart zijn. Ze glimmen een beetje. Deze gloed, bekend als ‘zwarte lichaamsstraling’, betekent dat ze ook warmte, entropie (ook wel ’turbulentie’ genoemd) hebben en alle andere termen die we gewoonlijk toepassen op gewone dingen zoals koelkasten en automotoren.
Effectieve technologie
Hawking richtte zich op hoe de kwantummechanica de omgeving van een zwart gat beïnvloedt. Maar dit is niet het hele verhaal. Kwantummechanica omvat geen kracht zwaartekracht, en een volledige beschrijving van wat er gebeurt op de nabije gebeurtenishorizon zou kwantumzwaartekracht moeten bevatten, of een beschrijving van hoe sterke zwaartekracht zeer kleine schalen beïnvloedt.
Sinds de jaren zeventig hebben veel natuurkundigen hun geluk beproefd bij het ontwikkelen van de theorie van de kwantumzwaartekracht en het toepassen van die theorieën op de fysica van de gebeurtenishorizon. De laatste poging komt uit dit nieuwe onderzoek van Calmet en Kuipers, dat in september in het tijdschrift verscheen fysieke beoordeling d.
“Hoewel de druk die wordt uitgeoefend door het zwarte gat dat we bestudeerden minimaal is, opent het feit dat het bestaat meerdere nieuwe mogelijkheden, waaronder de studie van astrofysica, deeltjesfysica en kwantumfysica.”
Xavier Calmette
“Hawking’s historische intuïtie dat zwarte gaten niet zwart zijn, maar een stralingsspectrum hebben dat erg lijkt op een zwart lichaam, maakt zwarte gaten een ideaal laboratorium voor het onderzoeken van de interactie tussen kwantummechanica, zwaartekracht en thermodynamica,” zei Calmette.
Zonder een complete theorie van kwantumzwaartekracht, gebruikte het duo een benaderingstechniek die effectieve veldtheorie of EFT wordt genoemd. Deze theorie gaat ervan uit dat de zwaartekracht op kwantumniveau zwak is – een aanname die je in staat stelt enige vooruitgang te boeken in de berekeningen zonder dat alles uit elkaar valt, zoals gebeurt wanneer de zwaartekracht in een kwantumsysteem te sterk is. Hoewel deze berekeningen niet het volledige beeld van de waarnemingshorizon onthullen, kunnen ze inzicht geven in en in het zwarte gat.
Calmette legde uit: “Als we zwarte gaten alleen in de algemene relativiteitstheorie beschouwen, kan men aantonen dat ze singulariteiten hebben in hun centra waar de wetten van de fysica zoals we die kennen, verstoord zouden moeten worden.” “Het is te hopen dat wanneer de kwantumveldentheorie wordt opgenomen in de algemene relativiteitstheorie, we misschien een nieuwe beschrijving van zwarte gaten kunnen vinden.”
Hier komt de druk
Calmet en Kuipers waren de thermodynamica van zwarte gaten aan het onderzoeken met behulp van elektronentransductie in de buurt van de waarnemingshorizon toen ze een vreemde wiskundige term in hun vergelijkingen zagen verschijnen. In het begin verbijsterden ze de term volledig – ze wisten niet wat het betekende of hoe ze het moesten interpreteren. Maar dat veranderde tijdens een gesprek op eerste kerstdag 2020.
Ze realiseerden zich dat de term in de vergelijkingen stress vertegenwoordigt. Echte echte druk. Dezelfde druk die wordt uitgeoefend door de hete lucht in de stijgende ballon, of de druk op een zuiger in de motor van uw auto.
“Het moment waarop we de speld lieten vallen toen we ons realiseerden dat het mysterieuze resultaat in onze vergelijkingen ons vertelde dat het zwarte gat dat we bestudeerden onder druk stond – na maanden van worstelen – was opwindend”, herinnert Kuipers zich.
Deze druk is bijna minuscuul, het is minder dan 10^54 keer de standaard Druk Op de grond. Maar het is er. Ze ontdekten ook dat de druk positief of negatief kan zijn, afhankelijk van het specifieke mengsel van kwantumdeeltjes in de buurt van het zwarte gat. Positieve druk is het soort dat de ballon opgeblazen houdt, terwijl negatieve druk de spanning is die je voelt in een uitgerekte rubberen band.
Hun resultaat breidt het idee van zwarte gaten uit als thermodynamische entiteiten die niet alleen temperatuur en entropie bevatten, maar ook druk. Omdat hun werk alleen zwakke kwantumzwaartekracht weergeeft en sterke zwaartekracht verwaarloost, kan het het gedrag van zwarte gaten niet volledig verklaren, maar het is een belangrijke stap.
“Ons werk is een stap in deze richting, en hoewel de druk die wordt uitgeoefend door het zwarte gat dat we hebben bestudeerd klein is, opent het feit dat het bestaat meerdere nieuwe mogelijkheden, waaronder de studie van astrofysica, deeltjesfysica en kwantumfysica.” besloot Calmet.
Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
