Випромінювання Хокінга: поняття, характеристика і проблеми теорії

Чорні діри та елементарні частинки. Сучасна фізика пов'язує разом поняття про цих об'єктах, перші з яких описуються в рамках ейнштейнівської теорії гравітації, а другі – 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 настільки різні феномени в їх взаємодії. Це випромінювання Хокінга або квантове випаровування чорних дір. Що це таке? Як воно працює? Може бути виявлено? Про це ми поговоримо в нашій статті.

Чорні діри та їх горизонти

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


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

Про вакуумі і віртуальних частинках

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

Чим вищий пік енергетичної флуктуації вакууму, тим коротше її тривалість. Якщо подібне коливання буде мати енергію 2mc 2 , достатню для народження пари частинок, вони виникнуть, але негайно анігілюють, не встигнувши розлетітися. Тим самим вони погасять флуктуації. 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, демонструє тиск газу віртуальних частинок на об'єкт. Для розуміння випромінювання Хокінга важливо, що частинки в подібному процесі (будь то електрони з позитронами або фотони) обов'язково народжуються парами, а їх сумарний імпульс дорівнює нулю. Озброївшись флуктуаціями вакууму у формі віртуальних пар, ми наблизимося до межі чорної діри і подивимося, що ж там відбувається.

У краю прірви

Завдяки наявності горизонту подій чорна діра здатна втрутитися в процес спонтанних вакуумних коливань. Приливні сили у поверхні величезні діри, гравітаційне поле тут вкрай неоднорідне. Воно підсилює динаміку цього явища. Пари частинок повинні народжуватися набагато активніше, ніж у відсутність зовнішніх сил. На цей процес чорна діра витрачає свою гравітаційну енергію.
Ніщо не забороняє однією з частинок «пірнути» під горизонт подій, якщо її імпульс спрямований відповідним чином і народження пар відбулося практично у самого горизонту (при цьому дірка витрачає енергію на розрив пари). Тоді ніякої анігіляції вже не буде, а партнер спритною частинки відлетить від чорної діри. В результаті зменшується енергія, отже, і маса дірки на величину, рівну масі втікача. Це «схуднення» отримало назву випаровування чорної діри. При описі випромінювання чорних дірок Він оперував саме віртуальними частинками. У цьому полягає відмінність його теорії від точки зору Грибова, Зельдовича і Старобинского, висловленої в 1973 році. Радянські фізики тоді вказували на можливість квантового тунелювання реальних частинок через горизонт подій, внаслідок чого чорна діра повинна володіти випромінюванням.

Що таке випромінювання Хокінга

Чорні діри, згідно теорії вченого, нічого самі не випромінюють. Однак фотони, виконуються чорну діру, мають тепловий спектр. Для спостерігача цей «результат» частинок повинен виглядати так, ніби дірка, подібно будь-якому нагрітому тілу, випромінює якесь випромінювання, природно, втрачаючи при цьому енергію. Можна навіть розрахувати температуру, сопоставляемую випромінювання Хокінга, за формулою Т ЧД =(h•c 3 )/(16п 2 •k•G•M), де h – постійна Планка (не наведена!), c – швидкість світла, k – постійна Больцмана, G – гравітаційна постійна, М – маса чорної діри. Приблизно ця температура дорівнює 6169•10 -8 До•(М 0 /М), де М 0 – маса Сонця. Виходить, чим масивніше чорна діра, тим нижче відповідна випромінювання температура.

Але чорна діра – це не зірка. Втрачаючи енергію, вона не остигає. Навпаки! З зменшенням маси діра стає «гаряче». Втрата маси означає і зменшення радіусу. У результаті випаровування йде з наростаючою інтенсивністю. Звідси випливає, що маленькі дірки повинні завершувати своє випаровування вибухом. Правда, поки саме існування таких микродыр залишається гіпотетичним. Є альтернативне опис хокинговского процесу, засноване на ефекті Унру (теж гіпотетичному), пророкувати реєстрацію теплового випромінювання зростає спостерігачем. Якщо він буде пов'язаний з інерціальною системою відліку, то ніякого випромінювання не виявить. Вакуум навколо прискорено коллапсирующего об'єкта для спостерігача також буде заповнений випромінюванням з тепловими характеристиками.

Проблема інформації

Неприємності, які створила теорія випромінювання Хокінга, пов'язані з, так званої, «теорема відсутність волосся» у чорної діри. Суть її коротко в наступному: дірі 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, що зберігається всередині, хоча і недоступна спостерігачеві. А теорія Хокінга повідомляє нам, що чорні діри, виявляється, не вічні. Виходить, інформація, яка зберігалася в них, разом з дірками і зникає. Для фізиків це нехороша ситуація, оскільки призводить до абсолютно безглуздим ймовірностей окремих процесів. Останнім часом намітилися позитивні зрушення у вирішенні даного парадоксу, включаючи й участь самого Хокінга. У 2015 році було заявлено, що завдяки особливим властивостям вакууму можливо виявити нескінченну кількість параметрів випромінювання дірки, тобто «витягнути» з неї інформацію.

Проблема реєстрації

Складність вирішення подібних парадоксів посилюється тим, що випромінювання Хокінга не представляється можливим зареєструвати. Поглянемо ще раз на формулу, наведену вище. Вона показує, наскільки холодні чорні діри – стомиллионные частки Кельвіна для дірок сонячної маси і трехкилометрового радіусу! Існування їх вельми сумнівно. Є, щоправда, надія на мікроскопічні (гарячі, реліктові) чорні діри. Але досі ніхто не спостерігав цих теоретично передбачених свідків самих ранніх епох Всесвіту. Наостанок потрібно внести трохи оптимізму. У 2016 році з'явилося повідомлення про виявлення аналога квантового випромінювання Хокінга на акустичної моделі горизонту подій. Аналогія теж заснована на ефекті Унру. Хоча вона має обмежену сферу застосування, наприклад, не дозволяє вивчати зникнення інформації, однак є надія, що такі дослідження допоможуть у створенні нової теорії чорних дір, що враховує квантові явища.