Γιατί δεν μας έχουν “καταπιεί” οι μαύρες τρύπες που παράγονται στο πείραμα του CERN;

Πριν ξεκινήσει να λειτουργεί ο επιταχυντής LHC (Large HadronCollider) στο CERN είχε ακουστεί από πολλούς ότι κινδυνεύαμε να μας “καταπιούν” οι μαύρες τρύπες που θα παράγονταν κατά τη λειτουργία του. Τελικά ο επιταχυντής μπήκε σε λειτουργία (παρά τα προβλήματα που αντιμετώπισε), οι μαύρες τρύπες δημιουργήθηκαν και εμείς βρισκόμαστε ακόμα εδώ. Όπως είχε προβλεφτεί οι μαύρες τρύπες, λόγω του μεγέθους τους, εξαϋλώθηκαν σε πολύ μικρό χρόνο…

Το φαινόμενο αυτό είναι καθαρά κβαντομηχανικό, η κλασική φυσική δεν είναι σε θέση να το εξηγήσει (καθώς τίποτα δεν είναι σε θέση να ξεφύγει από το βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας). Για τους μη μυημένους στην κβαντομηχανική αυτά που θα αναλύσω παρακάτω θα ακουστούν πολύ περίεργα. Παρόλα αυτά, είναι αυτό που πιστεύει η φυσική σήμερα και επιβεβαιώθηκε από το γεγονός ότι δεν μας έχει καταπιεί κάποια μαύρη τρύπα που παράχθηκε στον LHC. Αυτό το φαινόμενο είναι ένα καλό παράθυρο στον κόσμο της κβαντομηχανικής και αξίζει να διαβάσετε αυτό το άρθρο ακόμα και όσοι δεν είστε μυημένοι στην κβαντομηχανική!

Τη θεωρεία γύρω από αυτό το φαινόμενο την ανέλυσε ο Stephen Hawking. Τα επιμέρους φαινόμενα ήταν γνωστά πολύ πριν τον Hawking, αλλά αυτός τα συνδύασε για να προβλέψει αυτό το φαινόμενο.

Για να κατανοήσουμε αυτό το φαινόμενο πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τι σημαίνει κενό στην κβαντομηχανική. Κλασικά το κενό ήταν το απόλυτο τίποτα. Κβαντομηχανικά, όμως, το κενό είναι ένα μέρος που συμβαίνουν πολλά φαινόμενα. Δεν υπάρχει μηδενική ενέργεια, αλλά πεπερασμένη. Στο κενό δημιουργούνται και εξαϋλώνονται συνεχώς σωματίδια, κάτι που το επιτρέπει η αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg.

Η αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg είναι η:

Δx∙Δp≥ħ/2

η οποία απλά σημαίνει ότι δεν μπορούμε να καθορήσουμε συγχρόνως την θέση και την ορμή ενός σώματος με μεγαλύτερη ακρίβεια από ħ/2. Το νούμερο δεν είναι τόσο σημαντικό για εμάς αφού δεν ψάχνουμε αριθμητικά αποτελέσματα, αρκεί να θυμόμαστε ότι δεν μπορούμε να ξέρουμε την ορμή και τη θέση ενός σώματος συγχρόνως με απόλυτη ακρίβεια.

Με τη χρήση μαθηματικών μπορούμε να μετατρέψουμε τη σχέση μεταξύ αβεβαιότητας της θέσης και αβεβαιότητας της ταχύτητας σε σχέση αβεβαιότητας της ενέργειας και αβεβαιότητας του χρόνου. Χωρίς νούμερα πάλι, απλά μας ενδιαφέρει ότι αυτά τα δύο δεν μπορούν να έχουν μηδενική αβεβαιότητα συγχρόνως.

Η αβεβαιότητα, όμως, δεν είναι απλά μια αδυναμία του ανθρώπου να πάρει σωστές μετρήσεις, αλλά ένα φυσικό φαινόμενο (ούτε η φύση είναι σίγουρη για την ποσότητα των δύο μεγεθών!!!). Κι αυτό της δίνει τη δυνατότητα να “σπάσει” την αρχή διατήρησης της ενέργειας, αρκεί αυτή η διαδικασία να γίνει πάρα πολύ γρήγορα ούτως ώστε το γινόμενο ΔΕ∙Δt να μην ξεπερνά την ποσότητα ħ/2 (αυτή είναι η ποσότητα που βγαίνει μαθηματικά). Έτσι η φύση μπορεί να “δανειστεί” μια ποσότητα ενέργειας, αρκεί να την επιστρέψει πίσω αρκετά γρήγορα.

Όμως, ο Einstein μας είπε ότι η ενέργεια και η ύλη είναι οι δύο πλευρές του ίδιου νομίσματος. Η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ύλη και το αντίστροφο. Έτσι, η ενέργεια που “δανείζεται” η φύση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λεγόμενη δίδυμη γένεση. Κατά τη δίδυμη γένεση ένα ποσό ενέργειας μετατρέπεται σε ένα ζεύγος σωματιδίων αποτελούμενο από ένα σωματίδιο και το αντισωματίδιό του. Αν η ενέργεια αυτή υπήρχε τότε τα σωματίδια αυτά θα συνεχίσουν να υπάρχουν, αν όμως η φύση “δανείστηκε” αυτή την ενέργεια τότε το ζεύγος σωματιδίων εξαϋλώνεται σε ένα χρόνο Δt (ανάλογο του ΔΕ). Στο φαινόμενο που μελετάμε μας ενδιαφέρει η δεύτερη περίπτωση.

Έτσι, ακόμα και γύρω από τις μαύρες τρύπες (όπως και παντού) η φύση συνεχώς δανείζεται ποσότητες ενέργειας, δημιουργεί ένα ζεύγος σωματιδίων και στη συνέχεια αυτά τα σωματίδια εξαϋλώνονται. Για να εξαϋλωθούν, όμως, πρέπει αυτά τα σωματίδια να ξαναβρεθούν στο ίδιο σημείο. Αυτό κανονικά δεν είναι πρόβλημα, αλλά στις μαύρες τρύπες υπάρχει περίπτωση ένα από τα δύο σωματίδια να πέσει μέσα της. Κι έτσι δεν μπορεί να της διαφύγει για να εξαϋλωθεί με το ζεύγος του.

Με αυτόν τον τρόπο ένα σωματίδιο που δημιουργήθηκε με “δανεική” ενέργεια, συνεχίζει να υπάρχει, καθώς δεν μπορεί να εξαϋλωθεί αφού περάσει χρόνος Δt. Αυτό, όμως, δεν μπορεί να το επιτρέψει η φύση, παραβιάζει την αρχή διατήρησης της ενέργειας. Κάποιος πρέπει να δώσει την ενέργεια. Και αυτό το κάνει η μαύρη τρύπα, αφού αυτή απορρόφησε το άλλο σωματίδιο. Έτσι η μαύρη τρύπα απορροφώντας το σωματίδιο χάνει ενέργεια, άρα χάνει και μάζα. Αυτό ονομάζεται ακτινοβολία Hawking.

Οι δίδυμες γενέσεις γίνονται με κάποιο συγκεκριμένο ρυθμό και η πιθανότητα ενός σωματιδίου να απορροφηθεί από τη μαύρη τρύπα είναι επίσης συγκεκριμένη. Έτσι μπορεί να υπολογιστεί ο χρόνος ζωής μιας μαύρης τρύπας, αφού όταν θα χάσει όλη της τη μάζα θα εξαϋλωθεί.

Ακολουθεί ένα βίντεο για τον LHC:

Πηγή: Γιατί Μπαμπά;

This entry was posted in Ανιχνεύσεις and tagged , , , . Bookmark the permalink.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s