En mecánica cuántica, vacío no significa ausencia de campos, partículas o energía. El vacío cuántico es el estado de menor energía, también conocido como "vacío". De hecho, no existe un estado de energía cero.
El vacío no está vacío
El principio de incertidumbre del tiempo y la energía explica por qué el vacío no está vacío. Debido a la equivalencia de masa y energía, las fluctuaciones de energía en el vacío pueden conducir a la formación de partículas elementales. En 1928, Paul Dirac descubrió que cada partícula elemental tiene una antipartícula correspondiente, que tiene la misma masa y otras propiedades simétricas de "imagen especular". Cuando se encuentran, se aniquilan entre sí, convirtiendo la masa en energía. Por tanto, una partícula y su antipartícula representan el doble de energía que su masa en reposo. Por el contrario, una determinada cantidad de energía también puede considerarse como un par de antipartículas. Como resultado, el vacío cuántico agitado por las fluctuaciones de energía se convierte en el llamado mar de Dirac, lleno de pares de partículas positivas y negativas que aparecen espontáneamente y desaparecen rápidamente. En un vacío cuántico sin fuerzas, se crean y destruyen constantemente pares de partículas, por lo que, en promedio, no se crean ni destruyen partículas o antipartículas. Debido a que estas partículas existen instantáneamente y no se pueden observar directamente, se denominan partículas virtuales (fotones virtuales, electrones virtuales, protones virtuales, etc.). De hecho, no existe una diferencia esencial entre las partículas virtuales y las partículas reales, pero las partículas virtuales no. Tenemos suficiente energía para existir. El tiempo es muy corto. Si puede obtener energía del exterior, puede existir el tiempo suficiente para convertirse en una verdadera partícula. Imagine un campo eléctrico que actúa sobre el vacío. Cuando un par de electrones y positrones aparecen en el cielo, son separados en direcciones opuestas por un campo eléctrico. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, estarán lo suficientemente separados como para que ya no puedan chocar y aniquilarse entre sí. En este momento, las partículas virtuales se convierten en partículas reales y se dice que el vacío en ese momento está polarizado.
Sin embargo, el vacío no se polariza fácilmente y requiere una alta densidad de energía para separar las partículas virtuales de las reales. No importa la forma de energía necesaria para crear la polarización; puede ser energía eléctrica, energía magnética, energía térmica, energía gravitacional, etc.
Problemas encontrados
El principio de incertidumbre nos dice que hay un mar de partículas virtuales por todas partes en el vacío. Este océano virtual de partículas con intenso comportamiento cuántico también aparece en el espacio alrededor del horizonte de sucesos del agujero negro.
El teorema de incertidumbre establece que si se determina la posición de una partícula, su velocidad se volverá incierta. Si una partícula cae en un agujero negro, su posición ya está determinada (en la singularidad), por lo que su velocidad es incierta, superando incluso la velocidad de la luz, escapando del horizonte de sucesos.
Dado que todas las formas de energía son equivalentes a la masa, naturalmente esperamos que la energía gravitacional también se convierta espontáneamente en partículas. Hawking descubrió que en el caso de los microagujeros negros, el vacío cuántico estará polarizado por el fuerte campo gravitacional que los rodea (esto es muy importante). En el mar de Dirac constantemente se crean y desaparecen pares de partículas virtuales, y una partícula y su antipartícula se separarán por un corto tiempo, por lo que hay cuatro posibilidades: los dos socios se reencuentran y se aniquilan (proceso I la antipartícula); es capturada por el agujero negro, las partículas positivas aparecen en el mundo exterior (proceso dos, las partículas positivas son capturadas y las antipartículas escapan (proceso III, ambas caen al agujero negro); Hawking calculó las probabilidades de estos procesos y encontró que el proceso II era el más común. Debido a su tendencia a capturar antipartículas, los agujeros negros pierden espontáneamente energía y, por tanto, masa. Dado que los microagujeros negros son similares en tamaño a las partículas elementales, el "salto" de energía puede ser suficiente para mover las partículas una distancia mayor que el radio del horizonte de sucesos, con el resultado de que las partículas escapan. Para un observador externo, el agujero negro parece estar evaporándose, emitiendo una corriente de partículas. De hecho, la partícula en realidad no salta la "pared" del horizonte de sucesos, sino que atraviesa un "túnel" abierto brevemente por el principio de incertidumbre. Este proceso ocurre repetidamente alrededor del horizonte de sucesos del agujero negro, creando una corriente continua de radiación y el agujero negro brillando.
Los cálculos de Hawking
Los cálculos de Hawking muestran que la radiación de evaporación de un agujero negro tiene todas las características de un cuerpo negro. Le da al agujero negro una temperatura real, que es la misma en todo el horizonte de sucesos y está determinada directamente por la fuerza del campo gravitacional en el horizonte de sucesos.
En los agujeros negros de Schwarzschild, la temperatura es inversamente proporcional a la masa. Un agujero negro con la misma masa que el Sol tiene una temperatura insignificante de menos siete Kelvin (es decir, por encima del cero absoluto). No es cero, pero sí lamentablemente pequeño; el agujero negro no es completamente negro, pero tampoco brillante en absoluto. Desgraciadamente, esta radiación de baja temperatura es demasiado débil para detectarla en el laboratorio.
Los cálculos de Hawking también hicieron otro descubrimiento importante: cuanto menor es la masa del agujero negro, mayor es la temperatura y más fuerte es la radiación. Obviamente, la evaporación sólo tiene un efecto especial en los microagujeros negros, que tienen temperaturas muy altas. En un agujero negro, cuanto mayor es la masa, menor es la temperatura y más lenta es la evaporación. Cuanto menor es la masa del agujero negro, mayor es la temperatura y más rápido se evapora.
En el caso de los microagujeros negros, la temperatura es muy alta, alcanzando decenas de millones o incluso cientos de millones. A medida que la evaporación se intensifica, la masa se pierde rápidamente y la temperatura aumenta rápidamente. A medida que la temperatura se acelera, la pérdida de masa será más grave y el proceso evolucionará de forma alocada. Al final, el agujero negro será destruido, terminando con una violenta explosión, y todas las partículas serán absueltas (para los agujeros negros gigantes, el proceso de emisión de partículas es muy lento, equivalente a la evaporación; para los microagujeros negros, el proceso de La emisión de partículas es muy rápida, bastante En una explosión.
Para el agujero negro gigante en el centro de la Vía Láctea, su proceso de evaporación superará con creces la edad del universo, suponiendo que el universo tenga una larga vida. vida y no se encoge, un agujero negro de este tipo eventualmente se evaporará. La acreción de este tipo de agujero negro es mucho mayor que la evaporación, principalmente solo cuando la temperatura del universo cae por debajo de la temperatura de este tipo de agujero negro. comienzan a evaporarse preferentemente. Sin embargo, este proceso es demasiado lento y estaría mucho más allá de la edad del universo, tardando aproximadamente de diez a noventa y nueve años en evaporarse.