Возможно, величайшим открытием Стивена Хокинга, и причиной, по которой он так известен среди физиков, было то, что чёрные дыры не живут вечно.

Они излучают свою энергию на чрезвычайно долгих временных промежутках через процесс, открытый в 1974 году и известный, как излучение Хокинга. На этой неделе один из читателей задал следующий вопрос:

С момента открытия излучения Хокинга в научных публикациях оно описывается, как постепенное испарение чёрных дыр из-за спонтанного возникновения запутанных частиц рядом с горизонтом событий. Говорят, что одну частицу засасывает в ЧД, а другая улетает и становится излучением Хокинга. Из-за этого излучения ЧД постепенно теряют массу, и в результате полностью исчезают. Вопрос в том, если одна частица падает в ЧД, а вторая улетает, почему ЧД становится меньше? Не должна ли она наоборот, набирать массу?

Большой вопрос, содержащий в себе несколько неправильных представлений, часть из которых возникла по вине самого Хокинга. Давайте разбираться!

Уже более 101 года назад было найдено самое первое точное решение Общей теории относительности: пространство-время, описывающее массивную сингулярность, окружённую горизонтом событий. Открытие сделал Карл Шварцшильд, который сразу же понял, что описал ЧД: объект, настолько плотный и массивный, что даже свет не может вырваться из его гравитационного притяжения.

Довольно долго считалось, что если собрать вместе достаточно массы, запихнув её в достаточно малую область космоса, гравитационный коллапс до состояния ЧД будет необратимым, и что вне зависимости от изначальной конфигурации массы, сингулярность будет точкой, а горизонт событий – сферой. Единственный интересующий учёных параметр – размер горизонта событий – должен определяться только массой ЧД.

С поглощением ЧД всё большего количества материи, её масса растёт, и она увеличивается в размерах. Довольно долго считалось, что это будет продолжаться до тех пор, пока не останется материи для поглощения, или пока не настанет конец Вселенной.

Но кое-то изменило это предоставление. Революционное открытие того, что наша Вселенная состоит из крохотных неделимых частиц, подчиняющихся своему набору законов, квантовому набору. Частицы взаимодействуют друг с другом через различные фундаментальные взаимодействия, каждое из которых можно представить в виде набора квантовых полей.

Хотите знать, как взаимодействуют две электрически заряженные частицы, или как взаимодействуют фотоны? Всё это управляется квантовой электродинамикой, или квантовой теорией электромагнитных взаимодействий. Что насчёт частиц, отвечающих за сильные взаимодействия: за силу, держащую протоны и другие частицы в ядрах вместе? Это квантовая хромодинамика, или квантовая теория сильных взаимодействий. А что по поводу радиоактивного распада? Это квантовая теория слабых ядерных взаимодействий.

Но в этом наборе не хватает двух компонентов. Один заметить просто: в квантовом мире не учитывается гравитационное взаимодействие, поскольку у нас нет квантовой теории гравитации. А второй сложнее: три упомянутых квантовых теории обычно работают в плоском пространстве, там, где гравитационными взаимодействиями можно пренебречь. Пространство-время, соответствующее этому в ОТО, называется пространство Минковского. Но рядом с чёрной дырой пространство искривляется и превращается в пространство Шварцшильда.

И что же случается с этими квантовыми полями не в пустом и плоском пространстве, а в искривлённом пространстве рядом с ЧД? К этой проблеме Хокинг подступился в 1974 году, продемонстрировав, что присутствие этих полей в искривлённом пространстве рядом с ЧД приводит к появлению теплового излучения чёрного тела определённой температуры. Эта температура и поток тем меньше, чем более массивна ЧД, из-за того, что кривизна пространства меньше на горизонте событий у более крупной и массивной ЧД.

В популярной научной книге, «Краткая история времени» (всё ещё находящейся на первых местах в Amazon в разделах «космология» и «релятивистская физика»), Стивен Хокинг описывает вакуум пространства, состоящий из пар виртуальных частиц/античастиц, возникающих и исчезающих. По его словам, рядом с ЧД иногда одна из двух компонентов этой виртуальной пары падает за горизонт событий, а другая остаётся снаружи. В такой момент, как он пишет, внешний член пары убегает с реальной, положительной энергией, а внутренний член обладает отрицательной энергией, из-за чего масса ЧД уменьшается, что и приводит к её постепенному испарению.

Естественно, такая картина неверна. Для начала, излучение исходит не только лишь с края горизонта событий ЧД, но из всего окружающего его пространства. Но самая большая ошибка в представлении об этом процессе состоит в том, что на самом деле ЧД испускает фотоны, а не частицы и античастицы. На самом деле излучение имеет такую малую энергию, что вообще не способно произвести пары частица/античастица.

Я пытался улучшить объяснение происходящего, подчёркивая, что речь идёт о виртуальных частицах, то есть, о способе визуализации квантовых полей в природе; это не реальные частицы. Но эти свойства могут привести, и приводят к появлению реального излучения.

Но и это не совсем соответствует действительности. Это объяснение подразумевает, что неподалёку от горизонта событий излучение будет сильным, и будет казаться слабым и низкотемпературным только на большом отдалении от ЧД. На самом же деле излучение небольшое везде, и только небольшой процент излучения можно связать с самим горизонтом событий.

Реальное объяснение гораздо более сложное, и показывает, что у этой примитивной картинки есть свои ограничения. Корень проблем в том, что у разных наблюдателей получаются разные картины происходящего и восприятие частиц, и эта проблема более сложна в искривлённом пространстве, чем в плоском. Проще говоря, один наблюдатель увидит пустое пространство, но другой, ускоренно движущийся, увидит в нём частицы. Суть излучения Хокинга непрерывно связана с тем, где находится наблюдатель и что он видит, в зависимости от того, ускоренно он движется или покоится.

Создавая ЧД на том месте, где её не было, вы ускоряете частицы снаружи горизонта событий, которые в итоге попадают внутрь этого горизонта. Этот процесс и является источником этого излучения, и подсчёты Хокинга показывают, насколько невероятно сильно растянут во времени этот процесс испарения. У ЧД массой в одну солнечную испарение займёт 10 67 лет. У крупнейшей во Вселенной ЧД массой в 10 млрд солнечных это займёт 10 100 лет. При этом возраст сегодняшней вселенной составляет всего примерно 10 10 лет, и скорость испарения настолько мала, что пройдёт ещё 10 20 лет, прежде чем ЧД начнут испаряться быстрее, чем они растут из-за случайных столкновений с межзвёздными протонами, нейтронами или электронами.

Поэтому, отвечая коротко на вопрос читателя, можно сказать, что картина, нарисованная Хокингом, чрезмерно упрощена до такой степени, что становится неправильной. Более длинный ответ – к появлению излучения приводит падение в ЧД материи, а из-за чрезвычайно искривлённого пространства вокруг горизонта событий это излучение испускается так медленно, на таких длительных промежутках времени и в таких больших объёмах пространства. Для ещё более длинных и технических объяснений рекомендую обратиться (по увеличению сложности) к текстам Сабины Хоссенфелдер, Джона Баеза и Стива Гиддингса.

Проблема барионной симметрии давно занимает физиков, поскольку без такой асимметрии существование звезд, планет, людей и многого другого было бы невозможно. Текст соответствующей работы доступен на сервере препринтов Корнелльского университета.

Из имеющихся представлений о законах природы неясно, как в ней могло возникнуть явно наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом. В то же время вопрос этот явно ключевой для эволюции Вселенной в известном нам виде. Не будь обычного вещества много больше, каждый антиатом прореагировал бы с атомом, и вся Вселенная превратилась бы в гамма-фотоны, из которых, разумеется, не могли бы возникнуть небесные тела.

Авторы рассматривают возможные последствия распада первичных черных дыр для баланса вещества и антивещества в ранней Вселенной. Первичными черными дырами называют до сих не открытые, но постулируемые рядом научных групп объекты, которые имеют массу сильно меньше одной солнечной и, как считается, возникли в первую секунду после Большого взрыва.

Такие черные дыры, в случае если они имеют достаточно низкую массу, должны быстро испаряться (крупные черные дыры, напротив, испаряются крайне медленно, зато окружающее вещество поглощают быстро, что и обеспечивает их длительное существование). Исследователи показывают, что если испарение черных дыр произошло в эпоху до остывания Вселенной, когда она была насыщена главным образом излучением, то никакого особого влияния на ее эволюцию такое испарение оказать не могло. Однако, если первичные ЧД испарились несколько позже, когда пространство-время уже в основном было заполнено веществом, а не излучением, ситуация резко изменяется.

При испарении черных дыр кроме фотонов должны возникать еще электроны и позитроны (антиэлектроны). Электроны и антиэлектроны должны аннигилировать и порождать новые фотоны высоких энергий. В итоге количество фотонов во Вселенной, по расчетам авторов, должно было стать огромным. Настолько, что та временно вернулась бы в состояние, при котором в ней доминирует излучение.

Это достаточно неожиданный вывод. Если такой сценарий осуществлялся на практике, то ранняя история Вселенной протекала не так, как ее представляли раньше - вместо одной эпохи доминирования излучения было две, и причиной начала второй эпохи стало испарение черных дыр (на конечном этапе выглядящее как взрыв крошечной черной дыры). В таком случае наблюдаемая сейчас барионная асимметрия была сильно разбавлена последующей второй эпохой доминирования излучения, и, следовательно, причины возникновения барионной асимметрии Вселенной также могут несколько отличаться от тех, что считались возможными ранее.

100 великих загадок астрономии Волков Александр Викторович

Испаряются ли черные дыры?

Испаряются ли черные дыры?

С точки зрения общей теории относительности, срок жизни, отпущенный черным дырам, бесконечно велик. Так считали много лет, пока британский физик Стивен Хокинг не исследовал их по законам квантовой механики (законы эти действуют в мире элементарных частиц). До тех пор не удавалось свести воедино общую теорию относительности и квантовую механику. И все же Хокинг попытался это сделать и столкнулся с поразительным эффектом. Он обнародовал свои выводы в 1975 году; попробуем о них рассказать.

Для физика вакуум – это нечто иное, чем пустота, чем ничто. В вакууме беспрерывно рождаются и гибнут элементарные частицы. Их называют виртуальными, поскольку они существуют лишь краткие мгновения. Виртуальные частицы всегда возникают попарно. Когда подобная пара частиц образуется в непосредственной близости от черной дыры, на границе горизонта событий, то под действием гравитации уже через 10-2 4 секунды эта пара распадается. Одна из частиц исчезает в недрах черной дыры, а другая успевает ускользнуть. Получая энергию извне, эта частица из виртуальной становится реальной. Удаляясь от черной дыры, она только увеличивает свою энергию. Поток подобных частиц и называется «излучением Хокинга»; он позволяет обнаружить присутствие поблизости черной дыры. Первой же частице следует соответственно приписать отрицательную энергию. В таком случае, по знаменитому закону Эйнштейна (E = mc 2), с ее появлением внутри черной дыры та не только теряет некоторое количество энергии, но и ее масса уменьшается на величину, исчисленную по этой формуле. Со стороны это выглядит так, словно черная дыра «испаряется», постепенно уменьшаясь в размерах. Гигантские черные дыры испускают в основном такие частицы, как фотоны и нейтрино. В спектре небольших черных дыр присутствуют и тяжелые частицы.

Излучение Хокинга позволяет обнаружить присутствие черной дыры

Итак, черные дыры тоже убывают в размерах. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, например, черную дыру, что весит в три раза (всего в три раза!) больше нашего Солнца. Пройдет 10 67 лет, прежде чем она испарится почти полностью. Что означает этот промежуток времени? Он примерно в 10 57 раз превышает теперешний возраст Вселенной.

На месте черной дыры может остаться лишь крохотный, но стабильный сгусток размером порядка 10 -33 сантиметра, что соответствует известной константе – так называемой длине Планка. Возможно, подобные «сгустки» – реликты бывших черных дыр – образуют новый, не известный науке тип элементарных частиц. Пока их существование не доказано, но ученые уже подобрали им многочисленные имена: «максимоны», «планкеоны», «информоны», «инфотоны» или «корнукопионы» (от английского cornucopia, «рог изобилия»).

Тогда же, в начале 1970-х годов, Стивен Хокинг первым предположил, что помимо громадных черных дыр, возникающих на месте взорвавшихся звезд, на ранней стадии развития Вселенной могли существовать и миниатюрные («примордиальные», как их еще называют) черные дыры. Они образовались сразу после Большого взрыва на тех участках пространства, где локальная плотность массы и энергии была необычайно высока. Согласно расчетам, через тысячную долю секунды после Большого взрыва плотность этих «сгустков» превышала плотность атомного ядра.

Анализ космического фонового излучения подтверждает, что такие флуктуации и впрямь появлялись. Это стало причиной зарождения звезд, галактик и, может быть, миниатюрных черных дыр. Не будь этих флуктуаций, вероятно, вещество и теперь было бы равномерно распределено во Вселенной.

Масса миниатюрных черных дыр, как показали расчеты, составляла в среднем 10 18 граммов, или 10-1 5 солнечных масс. Это соответствует массе какой-нибудь земной горы. Радиус горизонта событий подобного объекта равнялся 10-1 2 метров. Таким образом, примордиальные черные дыры имели субатомарный размер.

Опять же, согласно расчетам, чем меньше масса черной дыры, тем быстрее та испаряется, поскольку сила ее притяжения не так велика и все больше и больше частиц улетучивается. При этом возрастает и ее температура. Миниатюрная черная дыра буквально пышет жаром. В конце концов она разогревается до температуры в несколько миллионов кельвинов. При ее испарении выделяется энергия, сопоставимая со взрывом нескольких миллионов водородных бомб. Продолжительность жизни миниатюрных дыр составляет около 13,5 миллиардов лет. Вполне возможно, что сейчас они одна за другой испаряются, и грандиозные гамма-вспышки, которые иногда наблюдают астрономы, – это живое свидетельство их испарения. Впрочем, доказать эту гипотезу пока не удалось.

Что же касается черных дыр, которые образовались на месте взорвавшихся звезд, то они, наоборот, очень холодные, а потому интенсивность их излучения мала, они медленно уменьшаются в размерах. Так, температура черной дыры, чья масса в 10 раз выше массы Солнца, составляет всего несколько миллиардных долей кельвина. Эта черная дыра значительно холоднее окружающего ее пространства (средняя температура в ее окрестностях – около 4 кельвинов). Она, очевидно, разогревается, увеличивая при этом свою массу. В итоге, как уже говорилось, продолжительность жизни такой черной дыры больше возраста самой Вселенной.

Итак, излучение Хокинга доказывает, что черные дыры все-таки не являются абсолютно черными. Еще в 1960-е годы некоторые физики пришли к выводу, что почти вся информация о теле, угодившем в черную дыру, теряется. Могут уцелеть лишь сведения о его массе, моменте количества движения и электрическом заряде.

«Эта потеря информации отнюдь не представляла собой проблемы для классической физики, – вспоминает Стивен Хокинг. – Согласно традиционным представлениям, черная дыра живет вечно, и можно предполагать, что информация сохранится в ее недрах, хотя и останется не очень-то доступной. Ситуация изменилась, когда я открыл, что черная дыра вследствие квантовых эффектов испускает излучение. Делая допустимое приближение, можно предположить, что это излучение является полностью тепловым, а значит, не может нести в себе никакой информации. Что же произойдет с той информацией, которая заключена в недрах черной дыры, когда та испарится и перестанет существовать?»

Если эта информация безвозвратно погибнет, значит, мир – в новейших прозрениях физиков – превратится в коварный хаос, где произойти может, что угодно, вопреки всяким правилам. Иными словами: не всякое конечное физическое состояние объекта будет однозначно соотноситься с его начальным состоянием.

Впоследствии появились гипотезы, согласно которым черные дыры все-таки должны содержать информацию о своих предшественниках – об объектах, из которых возникли. Излучение Хокинга может впитывать эту информацию и, рассеиваясь в пространстве, окружающем черную дыру, уносить ее с собой. Как заявил Хокинг: «Это позволит нам сделать вывод, что сохраняется и информация, попавшая в недра черной дыры; она оказывается на бесконечно далеком расстоянии от нее».

Бесконечность, в рассуждениях Хокинга принимающая все, что вырвалось из недр черной дыры, тем и хороша, что в ней можно не учитывать влияние самой черной дыры. Там на поведении частиц, излучаемых этой дырой, никак не сказываются флуктуации пространства-времени, создаваемые ей. Там классическая теория сохраняет свои права. С такой же убедительностью можно сказать, что и человек – сгусток информации, исчезающий в черной дыре смерти, – сохраняется на бесконечно далеком расстоянии от нее, от себя прежнего.