24 368 subscribers

Смерть через испарение: излучение Хокинга, не оставляющее шансов чёрным дырам на выживание

1,3k full reads
2,4k story viewUnique page visitors
1,3k read the story to the endThat's 56% of the total page views
4 minutes — average reading time
Смерть через испарение: излучение Хокинга, не оставляющее шансов чёрным дырам на выживание

Мы знаем, что чёрные дыры обладают очень мощной гравитацией. Они являются самыми плотными и массивными объектами во Вселенной, и их разрушительная сила столь велика, что кажется, будто они живут вечно. Но даже и чёрным дырам приходит конец! Со временем они не только перестают питаться всем, чему не посчастливится с ними столкнуться, но и даже они начинают уменьшаться, а затем – исчезают вовсе!

В 1974 году британский астрофизик Стивен Хокинг выдвинул теорию о том, что чёрные дыры со временем полностью испаряются. Об этом он писал в своих книгах и говорил, что «чёрные дыры не так уж черны», и даже несмотря на общепринятую концепцию о том, что они пожирают всё на своём пути, они тоже могут испускать частицы. Со временем это излучение лишает чёрные дыры достаточного количества массы и энергии, а это приводит к их разрушению.

Смерть через испарение: излучение Хокинга, не оставляющее шансов чёрным дырам на выживание

Космический вакуум – это совершенно не пустое пространство. Квантовая механика говорит о том, что в вакууме содержится великое множество виртуальных частиц. Они имеют пары: частицы и античастицы. Виртуальные парные частицы регулярно взаимоуничтожаются, так как контакт вещества с антивеществом приводит к аннигиляции (взаимному уничтожению). Такой процесс продолжается до тех пор, пока рядом с ними не появляется чёрная дыра. Одна из них поглощается чёрной дырой, в то время как второй удаётся ускользнуть прочь. Поглощённая частица будет иметь отрицательную энергию (согласно закону сохранения энергии), а эта отрицательная энергия будет одновременно уменьшать энергию и массу чёрной дыры. Частицы, которым удалось спастись и улететь на безопасное расстояние, - это и есть излучение Хокинга, и они несут в себе положительную энергию. Философский момент, однако…

Смерть через испарение: излучение Хокинга, не оставляющее шансов чёрным дырам на выживание

Сама по себе чёрная дыра ничего не излучает. Она тратит свою энергию на то, чтобы выбросить одну из частиц виртуальной пары в пространство – таким образом, получается некий гравитационный манёвр, только на уровне квантов.

Излучение Хокинга очень слабое. Пока нет у человечества таких технических возможностей, чтобы его зафиксировать, но это не означает, что теория Стивена Хокинга об испарении чёрных дыр – миф. В лабораторных условиях физикам удалось обнаружить этот процесс. Команда израильский физиков под руководством Джеффа Штайнхауэра провела необычный эксперимент.

Джеффа Штайнхауэр
Джеффа Штайнхауэр
Джеффа Штайнхауэр

Безобидную чёрную дыру учёные решили вырастить в лаборатории. Она была смоделирована из потока газа, состоящего из примерно 8000 атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля (- 273, 15 С) и удерживаемых вместе с помощью лазерного луча. Они создали загадочное состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю), которое позволяет тысячам атомов действовать вместе в унисон, как если бы они были одним атомом. Используя второй лазерный луч, команда создала обрыв потенциальной энергии, который заставил газ течь, как вода, устремляющаяся вниз в водопаде, тем самым, создав горизонт событий, где одна половина газа течёт быстрее скорости звука, а другая наполовину медленнее.

Фотон на более медленной половине мог двигаться против потока газа, прочь от обрыва, в то время как фотон на более быстрой половине был захвачен скоростью сверхзвукового потока газа.

Смерть через испарение: излучение Хокинга, не оставляющее шансов чёрным дырам на выживание

В итоге учёные наблюдали, как один из фотонов был затянут моделью чёрной дыры, а другой – улетел на свободу. Угодивший в чёрную дыру фотон двигался с присущей ему скоростью – скоростью света, но вырваться из ловушки он не мог, а вот его пара отдалилась от чёрной дыры на безопасное расстояние.

“Теория Хокинга была революционной, потому что он объединил физику квантовой теории поля с общей теорией относительности”, – сказал Штайнхауэр. “Учёные хотели бы изучить это квантовое излучение, но это очень сложно сделать в случае с реальной чёрной дырой, потому что излучение Хокинга очень слабо по сравнению с радиационным космическим фоном”.

Смерть через испарение: излучение Хокинга, не оставляющее шансов чёрным дырам на выживание

Виртуальные пары частиц находятся во взаимозависимом состоянии друг от друга (квантовая запутанность), поэтому, спасённая, положительная частица будет хранить информацию о состоянии её пары, угодившей в чёрную дыру. Если бы мы смогли обнаружить такие спасённые частицы, мы могли бы заглянуть за горизонт событий и узнать о том, что там, внутри, за горизонтом событий чёрной дыры – нечто похожий отдалённо процесс на восстановление информации с отформатированного диска.

Что же такое чёрная дыра? Ведь сколько материи они поглощают, а с ней, соответственно столько информации о Вселенной! Неужели они и есть те самые «флешки», где есть вся информация о нашем мире? О её прошлом?

Поскольку излучение Хокинга очень слабое, то и чёрная дыра испаряться будет очень медленно, но медленно – не значит вечно. Вернётся ли после смерти чёрной дыры вся поглощённая ею материя в космос? И «повезёт» ли ей снова опять туда угодить?

Вам может быть интересно:

Стивен Хокинг: почему я им восхищаюсь

Что прячется за границей Вселенной?

Могут ли существовать кварковые звёзды?

Квантовая теория поля для чайников

Что будет, если разогнаться до скорости света?

Теория относительности VS теория эфира

"Интерстеллар" с точки зрения астрофизики