Излучение Хокинга: понятие, характеристика и проблемы теории

Черные дыры и элементарные частицы. Современная физика увязывает вместе понятия об этих объектах, первые из которых описываются в рамках эйнштейновской теории гравитации, а вторые – в математических конструкциях квантовой теории поля. Известно, что две эти красивые и многократно подтвержденные экспериментально теории не очень "дружат" между собой. Однако существует явление, которое отражает столь разные феномены в их взаимодействии. Это излучение Хокинга или квантовое испарение черных дыр. Что это такое? Как оно работает? Может ли быть обнаружено? Об этом мы поговорим в нашей статье.

Черные дыры и их горизонты

Представим себе некоторую область пространственно-временного континуума, занятую физическим телом, например, звездой. Если эта область характеризуется таким соотношением радиуса и массы, при котором гравитационное искривление континуума не позволяет чему бы то ни было (даже световому лучу) покинуть ее, такая область называется черной дырой. В некотором смысле это действительно дыра, провал в континууме, как его часто изображают на иллюстрациях, используя двумерное представление пространства.

Однако нас в данном случае будет интересовать не зияющая глубина этого провала, а граница черной дыры, называемая горизонтом событий. В рамках рассмотрения вопроса об излучении Хокинга важной особенностью горизонта является то, что пересечение этой поверхности навсегда и полностью отделяет любой физический объект от внешнего пространства.

О вакууме и виртуальных частицах

В понимании квантовой теории поля вакуум – это вовсе не пустота, а особая среда (точнее, состояние материи), то есть поле, все квантовые параметры которого равны нулю. Энергия такого поля минимальна, однако не следует забывать о принципе неопределенности. В полном соответствии с ним вакуум проявляет спонтанную флуктуационную активность. Выражается она в энергетических колебаниях, что отнюдь не нарушает закона сохранения.

Чем выше пик энергетической флуктуации вакуума, тем короче ее длительность. Если подобное колебание будет иметь энергию 2mc², достаточную для рождения пары частиц, они возникнут, но немедленно аннигилируют, не успев разлететься. Тем самым они погасят флуктуацию. Такие виртуальные частицы рождаются за счет энергии вакуума и возвращают ему эту энергию при своей гибели. Их существование подтверждено экспериментально, например, при регистрации знаменитого эффекта Казимира, демонстрирующего давление газа виртуальных частиц на макрообъект.

Для понимания излучения Хокинга важно, что частицы в подобном процессе (будь то электроны с позитронами или фотоны) рождаются обязательно парами, а их суммарный импульс равен нулю.

Вооружившись флуктуациями вакуума в форме виртуальных пар, мы приблизимся к границе черной дыры и посмотрим, что же там происходит.

У края пропасти

Благодаря наличию горизонта событий черная дыра способна вмешаться в процесс спонтанных вакуумных колебаний. Приливные силы у поверхности дыры огромны, гравитационное поле здесь крайне неоднородно. Оно усиливает динамику этого явления. Пары частиц должны рождаться гораздо активнее, чем в отсутствие внешних сил. На этот процесс черная дыра затрачивает свою гравитационную энергию.

Ничто не запрещает одной из частиц «нырнуть» под горизонт событий, если ее импульс направлен соответствующим образом и рождение пары произошло практически у самого горизонта (при этом дыра тратит энергию на разрыв пары). Тогда никакой аннигиляции уже не будет, а партнер шустрой частицы улетит от черной дыры. В результате уменьшается энергия, значит, и масса дыры на величину, равную массе беглеца. Это «похудение» получило название испарения черной дыры.

При описании излучения черных дыр Хокинг оперировал именно виртуальными частицами. В этом состоит отличие его теории от точки зрения Грибова, Зельдовича и Старобинского, высказанной в 1973 году. Советские физики указывали тогда на возможность квантового туннелирования реальных частиц через горизонт событий, вследствие чего черная дыра должна обладать излучением.

Что такое излучение Хокинга

Черные дыры, согласно теории ученого, ничего сами не излучают. Однако фотоны, покидающие черную дыру, имеют тепловой спектр. Для наблюдателя этот «исход» частиц должен выглядеть так, словно дыра, подобно любому нагретому телу, испускает некое излучение, естественно, теряя при этом энергию. Можно даже рассчитать температуру, сопоставляемую излучению Хокинга, по формуле Т_ЧД=(h∙c³)/(16п²∙k∙G∙M), где h – постоянная Планка (не приведенная!), c – скорость света, k – постоянная Больцмана, G – гравитационная постоянная, М – масса черной дыры. Приблизительно эта температура будет равна 6,169∙10^-8 К∙(М₀/М), где М₀ – масса Солнца. Получается, чем массивнее черная дыра, тем ниже соответствующая излучению температура.

Но черная дыра – это не звезда. Теряя энергию, она не остывает. Наоборот! С уменьшением массы дыра становится все «горячее». Потеря массы означает и уменьшение радиуса. В итоге испарение идет с нарастающей интенсивностью. Отсюда следует, что маленькие дыры должны завершать свое испарение взрывом. Правда, пока само существование таких микродыр остается гипотетичным.

Есть альтернативное описание хокинговского процесса, основанное на эффекте Унру (тоже гипотетическом), предсказывающем регистрацию теплового излучения ускоряющимся наблюдателем. Если он будет связан с инерциальной системой отсчета, то никакого излучения не обнаружит. Вакуум вокруг ускоренно коллапсирующего объекта для наблюдателя также будет заполнен излучением с тепловыми характеристиками.

Проблема информации

Неприятности, которые создала теория излучения Хокинга, связаны с, так называемой, «теоремой отсутствия волос» у черной дыры. Суть ее вкратце в следующем: дыре совершенно безразлично, какими характеристиками обладал тот объект, который попал за горизонт событий. Важна лишь масса, на которую увеличилась дыра. Информация о параметрах тела, упавшего в нее, сохраняется внутри, хотя и недоступна наблюдателю. А теория Хокинга сообщает нам, что черные дыры, оказывается, не вечны. Получается, информация, которая так и хранилась бы в них, вместе с дырами и исчезает. Для физиков это ситуация нехорошая, поскольку приводит к совершенно бессмысленным вероятностям отдельных процессов.

В последнее время наметились положительные сдвиги в решении данного парадокса, включая и участие самого Хокинга. В 2015 году было заявлено, что благодаря особым свойствам вакуума возможно выявить бесконечное количество параметров излучения дыры, то есть «вытащить» из нее информацию.

Проблема регистрации

Трудность разрешения подобных парадоксов усугубляется тем, что излучение Хокинга не представляется возможным зарегистрировать. Взглянем еще раз на формулу, приведенную выше. Она показывает, насколько холодны черные дыры – стомиллионные доли Кельвина для дыр солнечной массы и трехкилометрового радиуса! Существование их весьма сомнительно.

Есть, правда, надежда на микроскопические (горячие, реликтовые) черные дыры. Но до сих никто не наблюдал этих теоретически предсказанных свидетелей самых ранних эпох Вселенной.

Напоследок нужно внести немного оптимизма. В 2016 году появилось сообщение об обнаружении аналога квантового излучения Хокинга на акустической модели горизонта событий. Аналогия тоже основана на эффекте Унру. Хотя она имеет ограниченную сферу применимости, например, не позволяет изучать исчезновение информации, однако есть надежда, что такие исследования помогут в создании новой теории черных дыр, учитывающей квантовые явления.