ما هو إشعاع هوكينغ

يصف إشعاع هوكينغ جسيمات افتراضية تكونت من حدود الثقب الأسود، ويشير هذا الإشعاع إلى أن للثقوب السوداء درجات حرارة تتناسب عكسياً مع كتلتها، بعبارة أخرى كلما كان الثقب الأسود أصغر، كان يجب أن يكون أكثر سخونة.

إشعاع هوكينج

تعتمد فكرة إشعاع هوكينغ على حقيقة أن الفضاء الفارغ ليس فارغًا في الواقع، وربما يكون هذا مفهومًا صعب الفهم، وعلى الرغم من أن الفضاء الفارغ لا يحتوي على كتلة أو جسيمات أو كمية من الطاقة، إلا أن الحقول الكمومية التي تحددها لا تزال موجودة في فراغ الفضاء.

التفسير المعتاد هو أن هذه الحقول نظرًا لأنها ليست مطلوبة من حيث الطاقة الصفرية، يمكن أن تخلق أزواجًا من الجسيمات الافتراضية، وعادةً ما يكون زوجًا من الجسيمات المضادة يقضي على بعضهما البعض بسرعة، لكن بالقرب من الثقب الأسود وحسب التفسير من الممكن أن يختفي أحد هذه الجسيمات داخل الثقب الأسود ويضيع إلى الأبد، بينما يفلت الآخر مثل إشعاع هوكينغ.

وعلى الرغم من أنه لم يتم رصد إشعاع هوكينغ بشكل مباشر، إلا أنه هو تنبؤ مدعوم بنماذج مجمعة للنسبية العامة وميكانيكا الكم، حيث تم تسميته على اسم عالم الفيزياء البارز ستيفن هوكينج، الذي نشر في عام 1974 ورقة بعنوان انفجارات الثقب الأسود.

شعاع هوكينج والثقوب السوداء

عندما تدخل المادة إلى ثقب أسود، فإنها تنغلق فعليًا بعيدًا عن بقية الكون، وهذا أيضا يزيل قدرا من الفوضى. يسمي الفيزيائيون خاصية الانتروبيا، ونظرًا لأن إزالة المادة هذه تترك الكون أقل اضطرابًا، فقد كان يُعتقد أنه يخالف القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

أشار طالب فيزياء من جامعة برينسستون في الولايات المتحدة يُدعى جاكوب إلى أن الحدود المحيطة بالفضاء الأكثر تأثراً بالجاذبية المجنونة للثقب الأسود يسمى أفق الحدث، حيث يجب أن تزداد في المنطقة كلما سقطت المادة فيه، ولقد أظهر كيف تمثل هذه المنطقة مقياس الانتروبيا الذي كان من الممكن أن يضيع، وهو اقتراح يجب أن يحل التناقض.

لم يكن هوكينغ متأكدًا جدًا، فالانتروبيا هي طريقة أخرى لوصف الطاقة الحرارية، والتي تنبعث منها بالضرورة الإشعاع، فإذا كان أفق الحدث يحتوي على انتروبيا، فيجب أن يتوهج بطريقة ما، مما يعني أن الثقوب السوداء لن تكون سوداء على الإطلاق، وفي جهوده لدحض اقتراح (Bekenstein) الذي يبدو سخيفًا، ناقش هوكينج الأمر مع علماء فيزياء آخرين وحاول أن يثبت باستخدام النماذج الرياضية أنه لم يكن ممكنًا، وبدلاً من ذلك اكتشف أن الثقوب السوداء تبدو وكأنها تتألق بالضوء البارد.

كيف تنتج الثقوب السوداء إشعاع هوكينغ

إن العملية الفيزيائية وراء انبعاث الجسيمات من قرب أفق الحدث للثقب الأسود معقدة إلى حد ما، وتعتمد على فهم قوي لرياضيات نظرية المجال الكمومي، وتوصف عادة بأنها نتيجة لجسيمات افتراضية مزدوجة تنشأ بشكل طبيعي من الفراغ الذي تفصله الجاذبية، وعادة ما يتحدون ويلغيون، ولكن في هذه الحالة يترك الانقسام نصف كل زوج ليهرب كإشعاع حقيقي.

في الواقع، يصف تفسير هوكينج الشهير للرياضيات الجسيمات الافتراضية العابرة المتأثرة بالجاذبية الشديدة، حيث يزيل نصف الزوج الكتلة من الثقب الأسود بفضل الجاذبية الشديدة التي تزود الجسيم بالطاقة السلبية، ويرى فيزيائيون آخرون أن هذا الوصف الموضعي للجسيمات المنقسمة على خط وهمي مضلل باللمس.

كما أن الجاذبية في ميكانيكا الكم لرسم خريطة لهذا التفاعل بشكل صحيح تحتاج إلى نظرية كاملة، تُظهر استنتاجات هوكينغ كيف يمكن للفضاء المنحني أن يخل بمزيج الخصائص الكمومية في الحقول القريبة من أفق الحدث، لدرجة أن الثقوب السوداء تشتت بعض الميزات بينما تترك الأخرى سليمة، وهذه الخصائص السليمة تشبه درجات حرارة معينة للإشعاع، ويمكن أن تتسبب في تقلص الثقب الأسود.

هل يمكن الكشف عن إشعاع هوكينغ

تمكن هوكينج من الإجابة على سؤاله الأصلي حول ما إذا كان الثقب الأسود لديه درجة حرارة، لكن درجات الحرارة هذه صغيرة للغاية، علاوة على ذلك، أظهر هوكينج أن كمية الطاقة التي يطلقها الثقب الأسود تتناسب عكسًا مع كتلته، لذلك من الغريب أنه كلما زادت كتلة الثقب الأسود، قل إطلاق الطاقة ودرجة الحرارة.

إن الثقب الأسود من كتلة شمسية واحدة، قد تكون درجة حرارته حوالي 10-8 كلفن، بينما ثقب أسود كتلة مليون كتلة شمسية سيكون حوالي 10-14 كلفن؛ درجات الحرارة هذه، التي تزيد قليلاً عن الصفر المطلق، صغيرة جدًا مقارنة بدرجة حرارة الخلفية الكونية الميكروية الإشعاع، للانفجار العظيم الذي ينتشر في كل الفضاء.

يبدو أيضًا أن الكون لا يمكنه بشكل روتيني إنتاج ثقوب سوداء أصغر من حوالي 2.5 كتلة شمسية، لذا فإن العثور على ثقوب سوداء صغيرة جدًا، وبالتالي ليس خيارًا متاحًا، لذلك من المحتمل أن الكشف عن إشعاع هوكينغ يكاد يكون مستحيلاً، وهناك احتمال واحد بالرغم من ذلك.

يفترض بعض علماء الفلك وجود ثقوب سوداء بدائية، وربما تكونت بسبب تقلبات الكثافة في بدايات الكون وقد تكون مسؤولة عن بعض المادة المظلمة الغامضة التي لا تزال بعيدة عن علماء الفلك، وبشكل حاسم فإن الثقوب السوداء البدائية ليست مقيدة بحجمها، لذلك هناك احتمال لوجود ثقوب سوداء منخفضة الكتلة؛ قد تنبعث منها كمية كافية من إشعاع هوكينغ ليتم اكتشافها، وبما أن عمرها قصير مقارنة بالثقوب السوداء الكبيرة، ويمكن أن تكشف عن نفسها في وميض من أشعة جاما خلال لحظات الموت.

آلية عمل اشعاع هوكينغ في الثقب الأسود

حاول هوكينج أولاً فحص الزمكان خارج الثقب الأسود باستخدام نظرية المجال الكمي، والتي لها صورة مختلفة تمامًا للفضاء الفارغ عن التعريف الكلاسيكي، وكانت خطوته الأولى هي التفكير فيما يحدث عندما يتم تكميم أي مجال، على سبيل المثال، المجال الكهرومغناطيسي، في الجزء الخارجي من الزمكان إلى ثقب أسود.

الوصف الميكانيكي الكمومي للفراغ هو أن الفضاء مليء بالجسيمات الافتراضية والجسيمات المضادة التي لا يمكن الكشف عن وجودها مباشرة، حيث يتضمن الوصف الدقيق عاملين هرميتي، ومرة أخرى، فإن الصياغة الدقيقة تتجاوز نطاق معالجة الموضوع، ومع ذلك، يمكن الحصول على تفسير نوعي جيد من خلال النظر في شكل وقت الطاقة لمبدأ عدم اليقين في (Heisenberg)، والذي ينص على أن ناتج عدم اليقين في الطاقة وعدم اليقين في الوقت يكون بترتيب (h-bar).

وفي مقاييس زمنية قصيرة جدًا، يمكن أن يكون عدم اليقين في الطاقة كبيرًا جدًا، وفي المرحلة المتوسطة من الإنتاج الثنائي الافتراضي، يبدو أن الحفاظ على الطاقة قد انتهك، وهذا هو المكان الذي يأتي فيه مبدأ عدم اليقين للإنقاذ، حيث يتم إنشاء الجسيمات وإبادتها على نطاقات زمنية قصيرة لتتوافق مع علاقة عدم اليقين، وعندما تعتبر دلتا- t كبيرة، يتم الحفاظ على الطاقة لأنه لا يمكن أن تكون الجسيمات في المرحلة المتوسطة.

تسمح ميكانيكا الكم للفراغ بتكوين أزواج من الجسيمات، والجسيمات المضادة، ويميل المجال الكهربائي إلى فصل الشحنات، وإذا كان المجال قويًا بدرجة كافية، فإن الجسيمات تنفق عبر الحاجز الكمومي وتتجسد كجسيمات حقيقية، ويتم تحقيق المجال اللازم لإنجاز هذا العمل الفذ عندما يساوي العمل المنجز لفصل الشحنات بطول موجة كومبتون للطاقة اللازمة لتكوين الجسيمات، وتجدر الإشارة إلى أن الحفاظ على الطاقة لا يتم انتهاكه، حيث أن الطاقة التي تحتاجها تكوين الجسيمات ستكون مساوية تمامًا لانخفاض طاقة المجال الكهربائي الضعيف.

إذا ثبت أن انفجارات الثقب الأسود واقعية، فإن إشعاع هوكينغ يعني أن الثقوب السوداء يمكن أن تصدر طاقة، وبالتالي يتقلص حجمها، كما أن أصغر هذه الأجسام الكثيفة تنفجر بسرعة في نفخة من الحرارة وأكبرها يتبخر ببطء على مدى تريليونات السنين في نسيم بارد.