Випромінювання Гокінга: поняття, характеристика і проблеми теорії

Випромінювання Гокінга: поняття, характеристика і проблеми теорії

Чорні діри та елементарні частинки. Сучасна фізика пов 'язує разом поняття про ці об' єкти, перші з яких описуються в рамках ейнштейновської теорії гравітації, а другі - в математичних конструкціях квантової теорії поля. Відомо, що дві ці красиві і багаторазово підтверджені експериментально теорії не дуже "" дружать "" між собою. Однак існує явище, яке відображає такі різні феномени в їх взаємодії. Це випромінювання Гокінга або квантове випаровування чорних дір. Що це таке? Як воно працює? Чи може бути виявлено? Про це ми поговоримо в нашій статті.

Чорні діри та їх горизонти

Уявімо собі деяку область просторово-часового континууму, зайняту фізичним тілом, наприклад, зіркою. Якщо ця область характеризується таким співвідношенням радіусу і маси, при якому гравітаційне викривлення континууму не дозволяє чому б то не було (навіть світловому променю) покинути її, така область називається чорною дірою. У певному розумінні це дійсно діра, провал у континуумі, як його часто зображують на ілюстраціях, використовуючи почесне уявлення простору.


Однак нас в даному випадку буде цікавити глибина цього провалу, а межа чорної діри, звана горизонтом подій. У рамках розгляду питання про випромінювання Гокінга важливою особливістю горизонту є те, що перетин цієї поверхні назавжди і повністю відокремлює будь-який фізичний об 'єкт від зовнішнього простору.

Про вакуум і віртуальні частинки

У розумінні квантової теорії поля вакуум - це зовсім не порожнеча, а особливе середовище (точніше, стан матерії), тобто поле, всі квантові параметри якого дорівнюють нулю. Енергія такого поля мінімальна, проте не слід забувати про принцип невизначеності. У повній відповідності з ним вакуум проявляє спонтанну флуктуаційну активність. Висловлюється вона в енергетичних коливаннях, що аж ніяк не порушує закону збереження.

Чим вище пік енергетичної флуктуації вакууму, тим коротше її тривалість. Якщо подібне коливання матиме енергію 2mc2, достатню для народження пари частинок, вони виникнуть, але негайно аннігілюють, не встигнувши розлетітися. Тим самим вони погасять флуктуацію. Такі віртуальні частинки народжуються за рахунок енергії вакууму і повертають йому цю енергію при своїй загибелі. Їх існування підтверджено експериментально, наприклад, при реєстрації знаменитого ефекту Казимира, що демонструє тиск газу віртуальних частинок на макрооб 'єкт.

Для розуміння випромінювання Гокінга важливо, що частинки в подібному процесі (будь то електрони з позитронами або фотони) народжуються обов 'язково парами, а їх сумарний імпульс дорівнює нулю.

Озброївшись флуктуаціями вакууму у формі віртуальних пар, ми наблизимося до кордону чорної діри і подивимося, що ж там відбувається.

Біля краю прірви

Завдяки наявності горизонту подій чорна діра здатна втрутитися в процес спонтанних вакуумних коливань. Приливні сили біля поверхні діри величезні, гравітаційне поле тут вкрай неоднорідне. Воно посилює динаміку цього явища. Пари частинок повинні народжуватися набагато активніше, ніж за відсутності зовнішніх сил. На цей процес чорна діра витрачає свою гравітаційну енергію.


Ніщо не забороняє одній з частинок "пірнути" під горизонт подій, якщо її імпульс спрямований відповідним чином і народження пари відбулося практично біля самого горизонту (при цьому діра витрачає енергію на розрив пари). Тоді ніякої анігіляції вже не буде, а партнер спритної частинки відлетить від чорної діри. У результаті зменшується енергія, значить, і маса діри на величину, рівну масі втікача. Це "схуднення" отримало назву випаровування чорної діри.

При описі випромінювання чорних дір Гокінг оперував саме віртуальними частинками. У цьому полягає відмінність його теорії від точки зору Грибова, Зельдовича і Старобінського, висловленої в 1973 році. Радянські фізики вказували тоді на можливість квантового тунелювання реальних частинок через горизонт подій, внаслідок чого чорна діра повинна мати випромінювання.

Що таке випромінювання Гокінга

Чорні діри, згідно з теорією вченого, нічого самі не випромінюють. Однак фотони, які покидають чорну діру, мають тепловий спектр. Для спостерігача цей "результат" частинок повинен виглядати так, немов діра, подібно будь-якому нагрітому тілу, випускає якесь випромінювання, природно, втрачаючи при цьому енергію. Можна навіть розрахувати температуру, зіставну випромінюванню Гокінга, за формулою ТЧД = (h c3 )/( 16п2, k G), де h - постійна Планка (не наведена!), c - швидкість світла, k - постійна Больцмана, G - гравітаційна постійна, М - маса чорної Приблизно ця температура дорівнюватиме 6,169 10-8 К (М0/М), де М0 - маса Сонця. Виходить, чим масивніша чорна діра, тим нижче відповідна випромінюванню температура.

Але чорна діра - це не зірка. Втрачаючи енергію, вона не остигає. Навпаки! Зі зменшенням маси діра стає все "гарячіше". Втрата маси означає і зменшення радіусу. У підсумку випаровування йде з наростаючою інтенсивністю. Звідси випливає, що маленькі діри повинні завершувати своє випаровування вибухом. Правда, поки саме існування таких мікродир залишається гіпотетичним.

Є альтернативний опис хокінговського процесу, заснований на ефекті Унру (теж гіпотетичному), що пророкує реєстрацію теплового випромінювання спостерігачем, який прискорюється. Якщо він буде пов 'язаний з інерціальною системою відліку, то ніякого випромінювання не виявить. Вакуум навколо прискорено колапсуючого об 'єкта для спостерігача також буде заповнений випромінюванням з тепловими характеристиками.

Проблема інформації

Неприємності, які створила теорія випромінювання Гокінга, пов 'язані з, так званою, "теоремою відсутності волосся" у чорної діри. Суть її коротко в наступному: дірці абсолютно байдуже, якими характеристиками володів той об 'єкт, який потрапив за горизонт подій. Важлива лише маса, на яку збільшилася діра. Інформація про параметри тіла, що впало в неї, зберігається всередині, хоча і недоступна спостерігачеві. А теорія Гокінга повідомляє нам, що чорні діри, виявляється, не вічні. Виходить, інформація, яка так і зберігалася б у них, разом з дірами і зникає. Для фізиків це ситуація недобра, оскільки призводить до абсолютно безглуздих ймовірностей окремих процесів.

Останнім часом намітилися позитивні зрушення у вирішенні цього парадоксу, включаючи і участь самого Хокінга. У 2015 році було заявлено, що завдяки особливим властивостям вакууму можливо виявити нескінченну кількість параметрів випромінювання діри, тобто "витягнути" з неї інформацію.


Проблема реєстрації

Трудність дозволу подібних парадоксів посилюється тим, що випромінювання Гокінга не представляється можливим зареєструвати. Погляньмо ще раз на формулу, наведену вище. Вона показує, наскільки холодні чорні діри - стомільйонні частки Кельвіна для дірок сонячної маси і трикілометрового радіусу! Існування їх досить сумнівне.

Є, правда, надія на мікроскопічні (гарячі, реліктові) чорні діри. Але досі ніхто не спостерігав цих теоретично передбачених свідків найбільш ранніх епох Всесвіту.

Наостанок потрібно внести трохи оптимізму. У 2016 році з 'явилося повідомлення про виявлення аналога квантового випромінювання Хокінга на акустичній моделі горизонту подій. Аналогія теж заснована на ефекті Унру. Хоча вона має обмежену сферу застосовності, наприклад, не дозволяє вивчати зникнення інформації, проте є надія, що такі дослідження допоможуть у створенні нової теорії чорних дір, що враховує квантові явища.