Излучение Хокинга. Это словосочетание встречалось каждому из нас, наверное, хотя бы один раз в жизни. Что же имеют в виду ученые, когда говорят об этом явлении? Излучение Хокинга – это гипотетический процесс, в ходе которого происходит испарение черных дыр. Да. Эти хищные звери космоса, абсолютный ужас Вселенной, тоже могут умирать. Эта теория впервые была предложена знаменитым физиком Стивеном Хокингом.
Излучение Хокинга. Конец Черной Дыры
До появления гипотезы Хокинга черные дыры считались конечным этапом жизни некоторых звезд. Когда в недрах подобных звезд прекращается ядерный синтез, происходит гравитационный коллапс. Звезда быстро сжимается в небольшой объект, имеющий огромную плотность. Этот объект имеет настолько сильное гравитационное поле, что ничто, даже свет, не способно преодолеть его. Так рождается черная дыра. Граница, за которой находится некая «точка невозврата» любого материального тела, получила название горизонт событий черной дыры. Никто и ничто не способно вернуться назад, преодолев эту границу.
Пространство вокруг черных дыр, особенно в бинарных системах, просто кипит от разного рода катастрофических событий. Часто астрономы фиксируют мощные гамма-всплески, возникающие в процессе падения материи в черную дыру. Но центральный объект, сама черная дыра, казалось незыблемой. Она могла только расти. И никогда не уменьшаться. Она казалась вечной.
В своей статье «Взрывы черных дыр?», опубликованной в 1974 году в журнале «Nature», молодой Хокинг предположил, что квантовые эффекты, обычно игнорируемые при описании физики черных дыр, могут нести ответственность за уменьшение массы подобных объектов. И по мере уменьшения массы черной дыры влияние этих квантовых эффектов будет увеличиваться. Что приведет к еще более быстрой потере массы.
Так как же происходит потеря массы черной дыры? Ведь выше было сказано, что ничто не может ее покинуть? Да, действительно это так. Но все же одно не противоречит другому. Все дело в квантовой физике. Которая предполагает существование так называемых «виртуальных частиц». Что же это за частицы такие? Давайте разберемся.
Виртуальные частицы: что-то из ничего
На первый взгляд вакуум космоса кажется пустым и неактивным. Но один из ключевых постулатов квантовой механики – принцип неопределенности Гейзенберга, а также тонкости квантовой теории поля ставят под сомнение эту концепцию.
Если опустить сложные для понимания выкладки и перейти сразу к финалу, получается следующая картина: в вакууме постоянно рождаются пары частиц материи и антиматерии. Которые мгновенно самоуничтожаются. Эти частицы и получили название «виртуальные частицы». Так как они существуют в течение очень короткого периода времени.
Итак, представьте себе, что в некой условной коробке вдруг появляется электрон с зарядом -0,511 МэВ. Чтобы закон сохранения энергии не был нарушен, в этой же коробке должен появиться позитрон. И тоже с зарядом 0,511 МэВ.
Квантовая теория поля утверждает, что эти частицы появляются в результате возмущения основных квантовых полей, которые существуют во всей Вселенной. Такое возмущение может быть вызвано искривлением пространства-времени. Которое, как предполагает общая теория относительности, должно быть наиболее заметным вокруг объектов невероятной массы. Таких, например, как черные дыры. И Хокинг задумался – а что будет с виртуальными частицами, которые возникли непосредственно на горизонте событий черной дыры?
На грани
Хокинг представил черную дыру, окруженную аурой постоянно формирующихся виртуальных пар частиц и античастиц. Что же произойдет, если одна частица из этой виртуальной пары попадет в горизонт событий черной дыры? Этот процесс, по крайней мере, теоретически и с небольшой, но конечной вероятностью, позволит другой частице из пары избежать уничтожения. И стать «реальной». Излучение Хокинга – это процесс излучения таких частиц от границы горизонта событий черной дыры.
И поскольку эта частица становиться реальной, та, что упала в черную дыру, приобретает отрицательную энергию. Так требует закон сохранения энергии. И этот процесс приводит к потере массы черной дыры.
Мы пока не видим излучение Хокинга
К настоящему моменту нет никаких доказательств правильности теории Хокинга относительно предложенного им вида излучения. Причиной этого является, главным образом тот факт, что те черные дыры, которые нам известны, характерны наличием в их окрестностях мощных аккреционных событий. Электромагнитные излучения от этих событий делают их самыми мощными излучающими объектами во Вселенной. И они просто затмевают довольно слабое на их фоне излучение Хокинга. Ситуация может измениться, когда ученые научатся находить черные дыры, которые не имеют на своих границах мощных явлений.
Есть и другие вопросы, касающиеся излучения Хокинга, на которые еще предстоит ответить. Например почему в предложенной модели частица материи всегда излучаются в космос, а частица антивещества поглощаются черной дырой? Ответ на этот вопрос может также со временем дать ответ на одну давнюю неразрешенную тайну астрофизики – почему во Вселенной существует очевидный дисбаланс между материей и антиматерией?