Частицы хокинга. Испарение черных дыр

Вторая редакция

Цитата из Википедии.
«Изучая поведение квантовых полей вблизи чёрной дыры, Хокинг предсказал, что чёрная дыра обязательно излучает частицы во внешнее пространство и тем самым теряет массу. Этот эффект называется излучением (испарением) Хокинга. Упрощённо говоря, гравитационное поле поляризует вакуум, в результате чего возможно образование не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица. Одна из частиц, оказавшаяся чуть ниже горизонта событий, падает внутрь чёрной дыры, а другая, оказавшаяся чуть выше горизонта, улетает, унося энергию (то есть часть массы) чёрной дыры.

Как происходит испарение.
У границы черной дыры физический вакуум находится в условно напряженном состоянии, вследствие чего он квантовым образом поляризуется (так решил Хокинг). Из ТО ничего подобного не следует. ТО Эйнштейна, вообще, несовместима с квантовыми представлениями. А квантовая теория, в свою очередь, не может оперировать безразмерными материальными точками, которыми манипулирует ТО.

Здесь требуется пояснение. Содружество релятивистов и некоторой части квантовиков, решившее примирить две несовместимые теории, пришло к следующему соглашению. Физический вакуум – это неисчерпаемое хранилище энергии в неизвестной нам форме. Это хранилище они образно назвали бушующим океаном (естественно четырехмерным, чтобы никто не мучился, пытаясь его представить). Наша Вселенная – является всего лишь пеной на поверхности этого бушующего океана. В результате этого бушевания, в нашем измерении происходит спонтанное рождение пар частица-античастица. Но это излучение мы не можем обнаружить в силу его скоротечности, т.е. оно для нас виртуальное. Дело в том, что каждая пара, еще не возникнув, уже аннигилирует . Случайные сбои в процессе моментальной аннигиляции, называемые флуктуациями этого бушевания, мы и наблюдаем как реальное рождение пары, что в обычных условиях происходит чрезвычайно редко. А вот в зоне горизонта событий ЧД, это уже обычное событие.

Каждая пара частиц характеризуется скоростью и направлением разлета частиц. И то, и другое – случайные величины. Ну вот, добрались до сути фокуса Хокинга: на поверхности горизонта событий направление разлета рожденных частиц перестает быть случайным, т.е. становится поляризованным, а именно, ортогональным к поверхности ЧД.

Однако у Хокинга по поводу полной поляризации вакуума подробностей нет, это всего лишь наши догадки. Можно мыслить поляризованное испарение и как изотропное рождение пар, но тогда испарение будет возможно только для пар, случайно оказавшихся ортогональными к горизонту событий. В этом случае возникает проблема с определением допустимых отклонений, т.к. в идеальном представлении, вероятность абсолютного совпадения направлений стремится к нулю.

Если подходящая для испарения пара рождается на поверхности ЧД (а поверхность эта, у Хокинга, бесконечно тонкая, хотя у других авторов - пенообразная), то неизбежно одна из частиц этой пары оказывается внутри ЧД, а вторая снаружи. У частицы, которая снаружи, появляется шанс покинуть ЧД. Но, как говорится, не каждая птица сможет перелететь Днепр. Чтобы покинуть ЧД частица снаружи должна иметь скорость, практически равную скорости света. Экспериментально, спонтанное рождении пар таких частиц еще не обнаружено. Но сделаем Хокингу уступку, пусть невозможное в природе, для него, станет возможным.

Итак, пусть с поверхности ЧД происходит (стартует) корпускулярное излучение. Рассмотрим процесс излучения с учетом начальных условий. Выберем самый простейший вариант ЧД, т.е. ЧД Шварцшильда. Как известно, такая ЧД имеет всего один первичный параметр, а именно, массу Mчд. В общем случае ЧД может иметь еще заряд Q и момент инерции MчдR, где R=0! Вся масса ЧД по определению (в соответствии с постулатом ТО Эйнштейна) сосредоточена в центре ЧД в одной безразмерной точке, называемой точкой сингулярности. При этом масса ЧД вполне конкретна и конечна. Ещё один размер ЧД, уже конечный, определяется условной границей, называемой «горизонтом событий». Горизонт событий материально никак не обозначен, есть только косвенный признак: ни один объект Вселенной, включая фотоны и нейтрино, не может покинуть область ЧД, ограниченную горизонтом событий.

Вернемся к нашему анализу. В исходном состоянии имеем стационарную ЧД с массой Мчд. Затем на условной поверхности ЧД происходит рождение пары. Это происходит за счет неизбывной энергии вакуумного океана, т.е. не за счет ЧД. Однако в этом случае подпорка для теории ЧД не получается. Надо, чтобы рождение пары происходило за счет ЧД. Раз надо – пусть так и будет.

Для того, чтобы одна из частиц могла покинуть ЧД, энергия каждой частицы, а с нею и её масса, должна быть близка к бесконечности,
Мисп= Мч/(1-v^2/c^2)^0,5 при «v», стремящейся к «c». Здесь Mисп - стартовая масса-энергия спонтанно рожденной частицы с массой покоя Мч. Внутренняя частица поглощается ЧД, и масса ЧД увеличивается на величину Мисп.

Здесь возникает сразу два вопроса к Хокингу. Где же тут испарение (потеря массы дырой), и кто кого захватывает? Ведь, прибавочная масса Мисп может быть сколь угодно большой, а Мчд конечна, т.е. возможна ситуация Мисп > Мчд. Но это означает, что ЧД не может родить пару, энергия которой больше энергии дыры. Вопросы, естественно, риторические, поэтому продолжим.

Раз уж мы исследуем излучение ЧД, необходимо выяснить судьбу испаренной частицы. При достаточно большой начальной скорости, близкой к скорости света, эта частица отдалится от ЧД достаточно далеко, и остановится. После чего снова начнет падать на ЧД, т.к. её стартовая скорость все-таки была меньше скорости света. Во время остановки и разворота частицы, её можно «спасти» от ЧД и даже исследовать. Окажется, что это простой электрон или позитрон с энергией равной m;c^2 или 0.5 МэВ.
У испаренной частицы нет возможности самостоятельно покинуть ЧД, т.к. частиц, рождающихся с необходимыми для этого параметрами, не существует. Таким образом, испарение частиц Черной Дырой невозможно в принципе.
Однако последнее утверждение относится только к одинокой ЧД. Если же ЧД существует в реальном космосе, то мимо неё будет пролетать множество космических объектов, которые способны уносить продукты излучения ЧД. Но эти же объекты могут являться «пищей» для ЧД.
Здесь следует напомнить читателю, что ЧД это вовсе не всё пожирающее страшилище. Представьте себе, что Солнце вдруг превратилось в ЧД. Станет темно, не будет магнитных бурь и солнечного ветра. Но все планеты будут продолжать движение по прежним орбитам. Будут прилетать и кометы. При этом часть комет, которая должна бы рванее упасть на Солнце, может в этой ситуации продлить свое существование, если траектории комет не будут пересекать границу горизонта событий ЧД.
Существует другой возможный сценарий событий. Частица снаружи горизонта событий аннигилирует с другой наружной частицей. В угоду Хокингу, обяжем образовавшиеся два гамма-кванта тоже быть поляризованными. Один из гамма-квантов устремится прочь от ЧД, и в данном варианте у него это с гарантией получится, т.к. его начальная скорость точно равна скорости света, а место старта чуточку удалено от горизонта событий.
Получив полную свободу за пределами притяжения ЧД, вырвавшийся гамма-квант окажется весьма похудевшим. Степень похудения зависит от места точки аннигиляции. Излучение должно быть представлено полным спектром, т.е. от 0 до m;c^2, и не обнаружить его, просто, не возможно. В этой ситуации Хокинг нам уже не указ. Чтобы узнать, как же происходит похудение гамма-кванта в поле гравитации, придется обратиться к наследию Эйнштейна. Но там ответа нет. А самое огорчительное, что нет ответа и на вопрос, как происходит фазовый переход от фотона-частицы (гамма-кванта) к кванту худеющего радиоизлучения, длина волны которого непрерывно скачками возрастает вплоть до максимально возможной длины – длины световой секунды. Но это огорчение уже для квантовой теории.
Есть еще один вопрос, уже к неизвестным авторам квантовых фантазий о вакуумном океане. Речь о виртуальных парах частиц, которые в огромном количестве рождаются на поверхности вакуумного океана и моментально аннигилируют. Рождение и исчезновение частиц мы не успеваем заметить, по определению. Но как можно не заметить огромное количество не исчезающих гамма-квантов, являющихся результатом аннигиляции? Ответ у авторов ЧД ошеломляюще простой: излучения нет, т.к. его наличие противоречило бы закону сохранения энергии. Вот так - изучайте классику.
Таким образом, вся теория ЧД это сплошная профанация - но она старательно замаскирована математическими зарослями, вскормленными на гидропонике произвольных предположений.
Идея же с испарением ЧД является не прикрытой ложью, и её необходимо рассматривать как бесстыдное надувательство, авторы которого уверенны в своей безнаказанности под крылом правящего учения - Теории Относительности Эйнштейна.

Здесь был рассмотрен простейший случай с ЧД Шварцшильда. Если же ЧД (безразмерную точку) раскрутить, то у нее якобы появится момент инерции (отложите классику), и все станет ещё затейливее. Но писать об этом почему-то скучно.

Нижний Новгород, октябрь 2015г.

ИСТОЧНИКИ

1. Стивен Хокинг, «Теория всего. Происхождение и судьба Вселенной».
2. Стивен Хокинг, «Краткая история времени».
3. Злосчастьев К., (кафедра гравитации и теории поля, Институт Ядерных Исследований, Национальный Автономный Университет Мексики. Доктор философии в области физики), «О сингулярности, информации, энтропии, космологии и многомерной Единой теории взаимодействий в свете современной теории черных дыр».
4. Хуан Малдасена (Juan Maldacena), (Институт высших исследований, Школа естественных наук, Принстон, Нью-Джерси, США) «Черные дыры и структура пространства-времени».
5. Новиков И.Д., Фролов В.П., «Чёрные дыры во Вселенной».
6. Паули В. «Теория относительности». - 2-е изд. - М.: Наука, 1983.
7. Новиков И.Д. «Черные дыры и Вселенная». М., Молодая гвардия, 1985.
8. Чандрасекар С. «Математическая теория черных дыр». М., Мир, 1986.
9. Черепащук А.М. «Поиски черных дыр». – Успехи физических наук, 2003, т.173, № 4.

Физик-экспериментатор Джефф Штайнхауэр из Техниона (Израиль) создал квантовый аналог черной дыры, наблюдал ее испарение (эффект Хокинга) и впервые квантовую запутанность между парой частиц, одна из которых упала на модельный объект, а другая удалилась от него. Результаты исследований, встреченные коллегами ученого с большим энтузиазмом, опубликованы в журнале Nature Physics.

Черные дыры представляют собой массивные объекты, ограниченные так называемым горизонтом событий. Любое тело, достигшее черной дыры, согласно общей теории относительности, падает в гравитационный объект и не в состоянии его покинуть. Таким образом, масса черной дыры при классическом описании не может убывать. Ситуация меняется в квантовом случае, где гравитационный объект может испариться в результате эффекта, получившего название в честь его первооткрывателя Стивена Хокинга.

Явление сводится к образованию на горизонте событий пары виртуальных частиц. Частица с положительной энергией становится реальной и улетает от черной дыры, а другая, с отрицательной энергией, падает в нее и тем самым уменьшает ее массу. Явление, описанное в 1974 году британским ученым, предполагает существование теплового излучения. В статье ученого приводилось выражение для его температуры, которая оказалась чрезвычайно мала. Например, для черной дыры солнечной массы она имеет порядок одной миллионной кельвина. Отличить столь малую температуру от шума в астрономических наблюдениях современными методами невозможно.

Об излучении черных дыр высказывался советский физик-теоретик Владимир Грибов. Ученый не написал посвященную этому работу, поскольку считал явление «само собой разумеющимся». Публикации статьи Стивена Хокинга об испарении гравитационных объектов предшествовал визит в СССР, где британец беседовал с советскими учеными.

В 1981 году канадский физик-теоретик Билл Унру предложил гидродинамическую аналогию черной дыры, которая и была реализована в экспериментах Штайнхауэра. Ситуация, аналогичная происходящему на горизонте событий реального гравитационного объекта, моделировалась при помощи сазера (акустического лазера), который создавал звуковые волны специального вида в бозе-эйнштейновском конденсате - состояние вещества из бозонов, находящихся при температуре, близкой к абсолютному нулю. В этой фазе квантовые эффекты, имеющие место на микроскопическом уровне, начинают проявляться на макроскопическом: приближенно все вещество конденсата ведет себя как одна макроскопическая квантовая частица.

Конденсат состоял из десятков тысяч атомов рубидия-87, сформированных в облако цилиндрической формы длиной несколько миллиметров. Температура такой среды - меньше одного кельвина, а скорость звука в ней - порядка полумиллиметра в секунду. Единственными возмущениями в системе являются квантовые флуктуации. Описание среды проводится гидродинамическими методами. Это допускает введение понятия фононов - квазичастиц (фиктивных частиц), описывающих звуковые колебания. Именно их виртуальное рождение вблизи аналога горизонта событий и квантовую запутанность удалось наблюдать Штайнхауэру.

Для этого в бозе-эйнштейновском конденсате была создана потенциальная яма. При ее прохождении частицы разгонялись до сверхзвуковых скоростей. Часть конденсата, частицы которого двигались со сверхзвуковой скоростью, представляли собой аналог черной дыры, а его область, где частицы перемещались точно со скоростью звука, - модельный горизонт событий. Именно на нем в результате квантовых флуктуаций происходило рождение пар фононов, квазичастицы из которых разлетались в противоположные стороны с дозвуковой и сверхзвуковой скоростями. Аналогичная ситуация должна наблюдаться и в случае с реальной черной дырой.

Штайнхауэру удалось измерить температуру такого излучения и установить корреляцию между разлетевшимися частицами. В квантовой механике запутанностью называется явление, при котором состояния частиц (например, спин или поляризация), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Корреляция проявляла себя как одинаковая плотность конденсата на противоположных, но равных расстояниях от модельного горизонта событий. Данный факт ученый фактически интерпретировал как первое экспериментальное доказательство существования квантовой запутанности между парами частиц, рожденными на горизонте событий черной дыры.

Последний эксперимент Штайнхауэра проводился 4,6 тысяч раз в течение шести суток. Все работы 50-летний ученый, выпускник Калифорнийского университета в Беркли (США), проводил в возглавляемой им лаборатории, где он с 2013 года является единственным сотрудником. Коллеги избегают сотрудничества с Штайнхауэром из-за его педантизма и высокой требовательности. Ранее ученый в 2009 году создал гидродинамический аналог черной дыры, а в 2014 году имитировал излучение Хокинга.

Штайнхауэр полагает, что его модель поможет разрешить парадокс исчезновения информации в черных дырах и укажет на пути объединения квантовой механики и общей теории относительности. Оптимизм экспериментатора разделяют не все теоретики. Например, Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (США), занимавшийся теорией струн, отмечает , что потери информации в модельной черной дыре нет, и потому она непригодна для разрешения парадокса реального объекта.

Израильский коллега Штайнхауэра, физик Ульф Леонхардт отметил, что квантовую запутанность в экспериментах с гидродинамической черной дырой удалось обнаружить лишь для высокоэнергетических фотонов. Для квазичастиц низких энергий корреляции в модельном случае слабы. Последнее обстоятельство, скорее всего, несправедливо для реальных черных дыр, где квантовая запутанность имеет место для фотонов любых энергий.

Экология познания. Наука и техника: Что случится, когда чёрная дыра потеряет достаточное количество энергии из-за излучения Хокинга, и плотности её энергии уже не будет хватать для того, чтобы поддерживать сингулярность с горизонтом событий? Иначе говоря, что произойдёт, когда чёрная дыра перестанет быть чёрной дырой из-за излучения Хокинга?

Сложно представить, учитывая разнообразие форм, принимаемых материей во Вселенной, что миллионы лет в ней существовали только нейтральные атомы водорода и гелия. Возможно, примерно так же сложно представить, что когда-нибудь, через квадриллионы лет, погаснут все звёзды. Будут существовать только останки ныне такой живой Вселенной, включая и самые впечатляющие её объекты: чёрные дыры. Но и они не вечны. Наш читатель хочет узнать, как именно это произойдёт:

Что случится, когда чёрная дыра потеряет достаточное количество энергии из-за излучения Хокинга, и плотности её энергии уже не будет хватать для того, чтобы поддерживать сингулярность с горизонтом событий? Иначе говоря, что произойдёт, когда чёрная дыра перестанет быть чёрной дырой из-за излучения Хокинга?

Чтобы ответить на этот вопрос, важно понять, что на самом деле представляет собой чёрная дыра.

Анатомия очень массивной звезды в течение её жизни, достигающая кульминации в виде сверхновой типа IIa в момент, когда в ядре заканчивается ядерное горючее

Чёрные дыры в основном формируются после коллапса ядра массивной звезды, истратившей всё ядерное топливо, и переставшей синтезировать из него более тяжёлые элементы. С замедлением и прекращением синтеза ядро испытывает сильное падение давления излучения, которое только и удерживало звезду от гравитационного коллапса. В то время, как внешние слои часто испытывают выходящую из-под контроля реакцию синтеза, и взрывают исходную звезду до сверхновой, ядро сначала сжимается до нейтронной звезды, но если его масса оказывается слишком большой, то даже нейтроны сжимаются и переходят в плотное состояние, из которого возникает чёрная дыра. ЧД также может возникнуть, когда нейтронная звезда в процессе аккреции заберёт достаточно массы у звезды-компаньона, и перейдёт рубеж, необходимый для превращения в ЧД.

Когда нейтронная звезда набирает достаточно материи, она может схлопнуться в чёрную дыру. Когда ЧД набирает материю, у неё растёт аккреционный диск и масса, поскольку материя падает за горизонт событий

С точки зрения гравитации всё, что нужно, чтобы стать ЧД - это собрать достаточно массы в достаточно малом объёме, так, чтобы свет не смог убежать из определённого участка. У каждой массы, включая планету Земля, есть своя скорость убегания: скорость, которой требуется достичь, чтобы убежать от гравитационного притяжения на определённом расстоянии (к примеру, на расстоянии от центра Земли до её поверхности) от центра масс. Но если набрать достаточно массы для того, чтобы скорость, которую вам нужно было бы набрать на определённом расстоянии от центра масс, равнялась бы световой - тогда уже ничто не сможет убежать от неё, поскольку ничто не может обогнать свет.

Масса чёрной дыры - единственный фактор, определяющий радиус горизонта событий для невращающейся изолированной ЧД

Это расстояние от центра масс, на котором скорость убегания равняется скорости света - назовём его R - определяет размер горизонта событий чёрной дыры. Но то, что при таких условиях внутри находится материя, приводит к менее известным последствиям: вся она должна схлопнуться до сингулярности. Можно представить, будто существует такое состояние материи, которое позволяет ей оставаться стабильной и иметь конечный объём внутри горизонта событий - но это физически невозможно.

Чтобы оказывать воздействие, направленное наружу, находящаяся внутри частица должна отправить частицу, переносящую взаимодействие, в сторону от центра масс к горизонту событий. Но эта переносящая взаимодействие частица также ограничена скоростью света, и, неважно, в каком месте внутри горизонта событий вы находитесь, все мировые линии заканчиваются в его центре. Для более медленных и массивных частиц всё ещё хуже. Как только появляется ЧД с горизонтом событий, вся материя внутри неё сжимается в сингулярность.

Внешнее пространство-время шварцшильдовской ЧД, известное, как параболоид Флэмма, легко подсчитать. Но внутри горизонта событий все геодезические линии ведут к центральной сингулярности.

И, поскольку ничто не может убежать, можно было бы решить, что ЧД вечна. И если бы не квантовая физика, это было бы именно так. Но в квантовой физике существует ненулевое количество энергии, присущее самому пространству: квантовый вакуум. В искривлённом пространстве квантовый вакуум приобретает немного иные свойства, чем в плоском, и нет регионов, где кривизна была бы выше, чем в окрестностях сингулярности чёрной дыры. Если сопоставить два этих закона природы - квантовую физику и пространство-время из ОТО вокруг ЧД - мы получим такое явление, как излучение Хокинга.

Если вы проведёте вычисления согласно квантовой теории поля в искривлённом пространстве, то получите удивительный ответ: из пространства, окружающего горизонт событий чёрной дыры испускается тепловое излучение чёрного тела. И чем меньше горизонт событий, тем сильнее кривизна пространства рядом с ним, и тем выше скорость излучения Хокинга. Если бы наше Солнце было чёрной дырой, его температура излучения Хокинга равнялась бы 62 нК. Если взять ЧД в центре нашей Галактики, масса которой в 4 000 000 раз больше, то тем температура будет уже 15 фК, всего 0,000025% от первой.

Композитное изображение из рентгеновского и инфракрасного диапазона, на котором видна ЧД в центре нашей Галактики: Стрелец A*. Её масса в 4 млн раз превышает солнечную, и она окружена горячим газом, испускающим рентгеновские лучи. А ещё она испускает излучение Хокинга (которое мы не в силах обнаружить), но при гораздо меньшей температуре.

Это значит, что мелкие ЧД испаряются быстрее, а крупные живут дольше. Расчёты говорят, что ЧД солнечной массы будет существовать 10 67 лет до того, как испарится, ну а ЧД в центре нашей галактики будет жить ещё в 10 20 раз больше перед испарением. Но самое безумное во всём этом - то, что до самой последней доли самой последней секунды у ЧД будет сохраняться горизонт событий, вплоть до момента, когда её масса станет нулевой.

Излучение Хокинга неизбежно следует из предсказаний квантовой физики в искривлённом пространстве-времени, окружающем горизонт событий ЧД

Но последняя секунда жизни ЧД будет охарактеризована особенным, и очень крупным выбросом энергии. Одна секунда ей останется, когда её масса упадёт до 228 тонн. Размер горизонта событий в этот момент будет составлять 340 им, то есть 3,4 × 10 -22: это длина волны фотона с энергией, превышающей всё, что удавалось пока получать на Большом адронном коллайдере. Но в эту последнюю секунду будет выпущено 2.05 × 10 22 Дж энергии, что эквивалентно 5 млн мегатонн ТНТ. Будто миллион ядерных бомб взрываются одновременно в небольшом участке пространства - такова последняя стадия излучения чёрной дыры.

В процессе того, как чёрная дыра усыхает в массе и радиусе, её излучение Хокинга становится всё больше по температуре и мощности

А что же останется? Только исходящее излучение. Там, где до этого в пространстве существовала сингулярность, в которой масса, а также, возможно, заряд и угловой момент существовали в бесконечно малом объёме, теперь ничего нет. Пространство восстановлено до предыдущего, несингулярного состояния, после промежутка, казавшегося бесконечностью: такого времени достаточно, чтобы во Вселенной произошло всё то, что произошло в ней с самого начала, триллионы триллионов раз. Когда это впервые случится, во Вселенной уже не будет никаких звёзд или источников света, и не будет никого, кто мог бы присутствовать при этом потрясающем взрыве. Но никакого «предела» для этого не существует. ЧД должна испариться полностью. А после этого, насколько нам известно, не останется ничего, кроме исходящего излучения.

На кажущемся вечным фоне постоянной тьмы появится единственная вспышка света: испарение последней чёрной дыры во Вселенной

Иначе говоря, если бы вам удалось наблюдать испарение последней ЧД во Вселенной, вы бы видели пустое пространство, в котором нет никаких признаков активности уже 10 100 лет, или более. И внезапно появится невероятная вспышка излучения определённого спектра и мощности, убегающего от одной точки в пространстве со скоростью в 300 000 км/с. И это будет последний раз в наблюдаемой Вселенной, когда какое-то событие омоет её излучением. Перед испарением последней ЧД, говоря поэтическим языком, Вселенная в последний раз скажет: «Да будет свет!». опубликовано

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

Величайший космолог и физик-теоретик нашего времени. Родившийся в 1942 году, будущий ученый уже в 20 лет начал испытывать проблемы со здоровьем. Боковой амиотрофический склероз сильно затруднял обучение на факультете теоретической физики Оксфорда, однако не мешал Стивену вести весьма активный, наполненный событиями образ жизни. Он женился в 1965, стал членом Лондонского Королевского общества в 1974. К этому времени у него уже родились дочь и два сына. В 1985 году ученый перестал говорить. Сегодня в его организме подвижность сохранила только одна на щеке. Казалось, что полностью неподвижный и приговорен. Однако в 1995 он снова женится, а в 2007… совершает полет в невесомости.

На Земле нет человека, лишенного подвижности, который жил бы настолько наполненной, полезной и интересной жизнью.

Но и это еще не все. Величайшей разработкой Хокинга стала теория Черных дыр. «Теория Хокинга», как ее теперь называют, кардинально изменила многолетние представления ученых о Черных дырах Вселенной.

В начале работы над теорией ученый, как и многие его коллеги, утверждал, навсегда уничтожается все, что попадает в них. Этот информационный парадокс не давал покоя военным и ученым всего мира. Считалось, что никаких свойств этих космических объектов, за исключением массы, установить невозможно.

Занявшись изучением Черных дыр в 1975 году, Хокинг установил, что они постоянно излучают в космос поток фотонов и некоторых других элементарных частиц. Однако даже сам ученый был уверен, что «излучение Хокинга» носит случайный, непредсказуемый характер. Ученый британец сначала думал, что это излучение не несет никакой информации.

Однако свойство гениального ума - умение постоянно сомневаться. Хокинг продолжил исследования и обнаружил, что испарение Черной Дыры (т.е. излучение Хокинга) носит квантовый характер. Это позволило ему сделать вывод, что информация, попавшая в Черную дыру, не разрушается, а изменяется. Теория о том, что состояние дыры постоянно, верно, если рассматривать его с точки зрения неквантовой физики.

С учетом квантовой теории, вакуум наполнен «виртуальными» частицами, которые излучают разные физические поля. Сила излучения меняется постоянно. Когда она становится очень сильной, непосредственно из вакуума на горизонте событий (границе) Черной дыры могут родиться пары частица-античастица. Если полная энергия одной частицы оказывается положительной, а второй - отрицательной, если при этом частицы упали в Черную дыру, то они начинают вести себя по-разному. Отрицательная античастица начинает уменьшать энергию покоя Черной дыры, а положительная частица стремится в бесконечность.

Со стороны этот процесс выглядит как испарение, идущее из Черной дыры. Именно и носит название «излучение Хокинга». Ученый установил, что это «испарение» искаженной информации имеет собственный тепловой, видимый приборами, спектр, определенную температуру.

Излучение Хокинга, по мнению самого ученого, свидетельствует о том, что не вся информация теряется и навсегда исчезает в Черной дыре. Он уверен, что квантовая физика доказывает невозможность полного уничтожения или потери информации. А это значит, что такую информацию, пусть в измененном виде, содержит излучение Хокинга.

Если ученый прав, то прошлое и будущее Черных дыр можно исследовать так же, как историю других планет.

К сожалению, мнение о возможности путешествия через время или в другие вселенные при помощи Черных дыр. Наличие излучения Хокинга доказывает, что любой объект, упавший в дыру, вернется в нашу Вселенную в виде измененной информации.

Не все ученые разделяют убеждения британского физика. Однако оспаривать их они тоже не решаются. Сегодня весь мир ждет новых публикаций Хокинга, в которых он обещал подробно и доказательно подтвердить объективность своей перевернувшей научный мир теории.

Тем более что ученым удалось получить излучение Хокинга в лабораторных условиях. Это произошло в 2010 г.

Испарение чёрных дыр

Испарение чёрной дыры - квантовый процесс. Дело в том, что понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает , а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты . В квантовой же механике, благодаря туннелированию , появляется возможность преодолевать потенциальные барьеры , непреодолимые для неквантовой системы. Утверждение, что конечное состояние черной дыры стационарно, верно лишь в рамках обычной , не квантовой теории тяготения . Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле чёрная дыра должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать и «виртуальными частицами »). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица . Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможен случай, когда полная энергия античастицы оказывается отрицательной, а полная энергия частицы - положительной. Падая в чёрную дыру, античастица уменьшает её полную энергию покоя , а значит, и массу, в то время как частица оказывается способной улететь в бесконечность. Для удалённого наблюдателя это выглядит как излучение чёрной дыры.

Важным является не только предсказываемый факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр (для безмассовых частиц). Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

где - постоянная Планка , разделенная на , c - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана , G - гравитационная постоянная , и, наконец, M - масса чёрной дыры. При этом не только спектр излучения (распределение его по частотам), но и более тонкие его характеристики (например, все корреляционные функции) точно такие же, как у излучения черного тела. Развивая теорию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр .

Однако такой подход к чёрной дыре оказывается внутренне противоречивым и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре . Причиной этого является отсутствие успешной теории квантовой гравитации . Существование излучения Хокинга предсказывается не всеми квантовыми теориями. и оспаривается рядом исследователей

Обнаружение

Точку в споре о существовании эффекта должны были бы поставить наблюдения, однако температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать - массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

См. также

Примечания и ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Излучение Хокинга" в других словарях:

Процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц. В подавляющем большинстве случаев под излучением понимают электромагнитное излучение, которое в свою очередь можно разделить по источникам излучения на тепловое излучение,… … Википедия

Эффект Унру (излучение Унру) предсказываемый квантовой теорией поля эффект наблюдения планковского излучения в ускоряющейся системе отсчёта при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчёта. Другими словами, ускоряющийся наблюдатель… … Википедия

Излучение Хокинга процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, чёрной дырой. В силу закона сохранения энергии, этот процесс сопровождается уменьшением массы чёрной дыры, т. е. её «испарением». Предсказан… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Чёрная дыра (значения). Изображение, полученное с помощью телескопа «Хаббл»: Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится чёрная дыра. На сни … Википедия

Запрос «Хокинг» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Стивен Уильям Хокинг Stephen William Hawking Дата рождения: 8 января 1942 … Википедия

Хокинг, Стивен Уильям Запрос «Хокинг» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Стивен Уильям Хокинг Stephen William Hawking Дата рождения: 8 января … Википедия - В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия