Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры?

в 18:57, , рубрики: астрономия, излучение хокинга, Научно-популярное, спросите итана, физика, чёрные дыры

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

image

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!

Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры? - 2

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.

Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры? - 3

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.

Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры? - 4

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.

Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры? - 5

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.

Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры? - 6

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.

Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры? - 7

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.

Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры? - 8

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 1067 лет. У крупнейшей во Вселенной ЧД массой в 10 млрд солнечных это займёт 10100 лет. При этом возраст сегодняшней вселенной составляет всего примерно 1010 лет, и скорость испарения настолько мала, что пройдёт ещё 1020 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.

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля