Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:26 • sest 21:28 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 21:24 • Sest 05:22 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:10 • Síðdegis: 18:30 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:11 • Síðdegis: 12:20 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hverfur allt sem fer inn í svarthol eða kemur eitthvað út úr þeim aftur?

Kristján Rúnar Kristjánsson

Samkvæmt sígildri eðlisfræði hverfur allt sem fer inn í svarthol sjónum þess sem situr fyrir utan. En ef skammtafræði er tekin með í reikninginn kemur í ljós að svarthol senda frá sér geislun.

Svarthol eru dularfull og spennandi fyrirbæri sem komu fyrst fram sem mögulegar lausnir á jöfnum almennu afstæðiskenningar Einsteins en hafa síðan fundist í náttúrunni. Samkvæmt skilgreiningu eru þau svæði í tímarúminu þar sem þyngdaraflið er svo sterkt að ekkert getur sloppið þaðan, ekki einu sinni ljósgeislar.



Teikning listamanns af svartholi og efni umhverfis það.

Eitt af því sem gerir svarthol svona spennandi er sú staðreynd að ekkert efni sem berst inn fyrir sjóndeild (e. event horizon) svarthols á þaðan afturkvæmt. En þótt athugendur í fjarska geti ekki séð efnið lengur er strangt til tekið ekki rétt að segja að það hverfi, að minnsta kosti ekki sporlaust! Massi efnisins hverfur til dæmis ekki heldur bætist hann við massa svartholsins. Það sama gildir um rafhleðslu og hverfiþunga.

Það er líka mikilvægt að gera greinarmun á mismunandi athugendum því að svartholum er lýst með almennu afstæðiskenningunni og þar gildir gamla klisjan: allt er afstætt. Athugandi sem fellur með efninu inn í svartholið verður ekki var við neitt sérstakt þegar farið er inn fyrir sjóndeildina. Frá hans bæjardyrum séð hverfur efnið alls ekki.

Ef eingöngu er stuðst við sígilda eðlisfræði og almennu afstæðiskenninguna kemur ekkert út úr svartholum. Ef skammtaáhrif eru hins vegar tekin með í reikninginn eins og Stephen Hawking gerði árið 1975 kemur í ljós að svarthol senda frá sér varmageislun sem nefnd hefur verið Hawking-geislun.

Svarthol hafa einkennandi hitastig sem nefnist Hawking-hitastig og vex það í öfugu hlutfalli við massa svartholsins. Þetta hitastig er venjulega afar lágt, fyrir svarthol sem hefur sama massa og sólin okkar er það til dæmis aðeins sextíu nanókelvín eða sextíu milljörðustu hlutar af Celsíus-gráðu yfir alkuli, en alkul er -273,15ºC. Þetta er svo lágt hitastig að nánast er útilokað að nokkurn tíma verði hægt að mæla Hawking-geislun frá slíkum svartholum.

Ef ekkert nýtt efni fellur inn í svarthol minnka þau með tímanum vegna útgeislunarinnar og gufa að lokum alveg upp. Eftir því sem massinn minnkar eykst hitastigið og útgeislunin þar með. Það tekur venjulegt svarthol þó afar langan tíma að gufa upp því áætlað er að líftími svarthols sem hefur sama massa og sólin sé 1071 sekúndur eða um það bil 1053 sinnum lengri en aldur alheimsins.

Þar sem svarthol senda frá sér geislun gæti mönnum dottið í hug að fræðilega væri unnt að lesa úr geisluninni upplýsingar um þá hluti sem hafa fallið inn í svartholið. Þannig væri hægt að endurheimta það sem áður var talið týnt og tröllum gefið. Slíkar heimtur brjóta hins vegar í bága við reglur skammtafræðinnar um tímaþróun. Það er vegna þess að varmageislun frá svartholi er alltaf blandað skammtaástand, en ef efni í hreinu ástandi hafði fallið inn ætti samkvæmt tímaþróun í skammtafræði að koma hreint ástand út aftur. Þessi þversögn kallast upplýsingagáta Hawkings og er mikilvægt vandamál í nútímaeðlisfræði sem ekki er hægt að fjalla ítarlega um í þessu svari.

Áhugasömum lesendum er bent á nýlega grein eftir Lárus Thorlacius sem kallast „Svarthol og skammtafræði“ og birtist í Tímariti um raunvísindi og stærðfræði. Greinin er aðgengileg á slóðinni: http://www.raust.is/2004/2/14/

Einnig má benda á áhugaverða gagnvirka vefsíðu um svarthol: Space Telescope Science Institute: Black Holes: Gravity's Relentless Pull.

Mynd: Imagine the Universe!

Höfundur

Kristján Rúnar Kristjánsson

doktor í eðlisfræði

Útgáfudagur

24.1.2005

Spyrjandi

Ása María, f. 1990

Efnisorð

Tilvísun

Kristján Rúnar Kristjánsson. „Hverfur allt sem fer inn í svarthol eða kemur eitthvað út úr þeim aftur?“ Vísindavefurinn, 24. janúar 2005. Sótt 23. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=4722.

Kristján Rúnar Kristjánsson. (2005, 24. janúar). Hverfur allt sem fer inn í svarthol eða kemur eitthvað út úr þeim aftur? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=4722

Kristján Rúnar Kristjánsson. „Hverfur allt sem fer inn í svarthol eða kemur eitthvað út úr þeim aftur?“ Vísindavefurinn. 24. jan. 2005. Vefsíða. 23. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=4722>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hverfur allt sem fer inn í svarthol eða kemur eitthvað út úr þeim aftur?
Samkvæmt sígildri eðlisfræði hverfur allt sem fer inn í svarthol sjónum þess sem situr fyrir utan. En ef skammtafræði er tekin með í reikninginn kemur í ljós að svarthol senda frá sér geislun.

Svarthol eru dularfull og spennandi fyrirbæri sem komu fyrst fram sem mögulegar lausnir á jöfnum almennu afstæðiskenningar Einsteins en hafa síðan fundist í náttúrunni. Samkvæmt skilgreiningu eru þau svæði í tímarúminu þar sem þyngdaraflið er svo sterkt að ekkert getur sloppið þaðan, ekki einu sinni ljósgeislar.



Teikning listamanns af svartholi og efni umhverfis það.

Eitt af því sem gerir svarthol svona spennandi er sú staðreynd að ekkert efni sem berst inn fyrir sjóndeild (e. event horizon) svarthols á þaðan afturkvæmt. En þótt athugendur í fjarska geti ekki séð efnið lengur er strangt til tekið ekki rétt að segja að það hverfi, að minnsta kosti ekki sporlaust! Massi efnisins hverfur til dæmis ekki heldur bætist hann við massa svartholsins. Það sama gildir um rafhleðslu og hverfiþunga.

Það er líka mikilvægt að gera greinarmun á mismunandi athugendum því að svartholum er lýst með almennu afstæðiskenningunni og þar gildir gamla klisjan: allt er afstætt. Athugandi sem fellur með efninu inn í svartholið verður ekki var við neitt sérstakt þegar farið er inn fyrir sjóndeildina. Frá hans bæjardyrum séð hverfur efnið alls ekki.

Ef eingöngu er stuðst við sígilda eðlisfræði og almennu afstæðiskenninguna kemur ekkert út úr svartholum. Ef skammtaáhrif eru hins vegar tekin með í reikninginn eins og Stephen Hawking gerði árið 1975 kemur í ljós að svarthol senda frá sér varmageislun sem nefnd hefur verið Hawking-geislun.

Svarthol hafa einkennandi hitastig sem nefnist Hawking-hitastig og vex það í öfugu hlutfalli við massa svartholsins. Þetta hitastig er venjulega afar lágt, fyrir svarthol sem hefur sama massa og sólin okkar er það til dæmis aðeins sextíu nanókelvín eða sextíu milljörðustu hlutar af Celsíus-gráðu yfir alkuli, en alkul er -273,15ºC. Þetta er svo lágt hitastig að nánast er útilokað að nokkurn tíma verði hægt að mæla Hawking-geislun frá slíkum svartholum.

Ef ekkert nýtt efni fellur inn í svarthol minnka þau með tímanum vegna útgeislunarinnar og gufa að lokum alveg upp. Eftir því sem massinn minnkar eykst hitastigið og útgeislunin þar með. Það tekur venjulegt svarthol þó afar langan tíma að gufa upp því áætlað er að líftími svarthols sem hefur sama massa og sólin sé 1071 sekúndur eða um það bil 1053 sinnum lengri en aldur alheimsins.

Þar sem svarthol senda frá sér geislun gæti mönnum dottið í hug að fræðilega væri unnt að lesa úr geisluninni upplýsingar um þá hluti sem hafa fallið inn í svartholið. Þannig væri hægt að endurheimta það sem áður var talið týnt og tröllum gefið. Slíkar heimtur brjóta hins vegar í bága við reglur skammtafræðinnar um tímaþróun. Það er vegna þess að varmageislun frá svartholi er alltaf blandað skammtaástand, en ef efni í hreinu ástandi hafði fallið inn ætti samkvæmt tímaþróun í skammtafræði að koma hreint ástand út aftur. Þessi þversögn kallast upplýsingagáta Hawkings og er mikilvægt vandamál í nútímaeðlisfræði sem ekki er hægt að fjalla ítarlega um í þessu svari.

Áhugasömum lesendum er bent á nýlega grein eftir Lárus Thorlacius sem kallast „Svarthol og skammtafræði“ og birtist í Tímariti um raunvísindi og stærðfræði. Greinin er aðgengileg á slóðinni: http://www.raust.is/2004/2/14/

Einnig má benda á áhugaverða gagnvirka vefsíðu um svarthol: Space Telescope Science Institute: Black Holes: Gravity's Relentless Pull.

Mynd: Imagine the Universe!...