Испаряются ли черные дыры? Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры

Все рождается и умирает. Умирают и черные дыры. Их губят их же суперсильные гравитационные поля, в которых квантовые процессы протекают по-особому. Чтобы понять эти процессы, надо рассмотреть свойства физического вакуума.

Пустоты как таковой в природе нет. Есть вакуум, физический вакуум, в котором находится море не рожденных (виртуальных) частиц и античастиц. Никаким вакуумным насосом убрать эти не рожденные частицы нельзя. Нет и других способов устранить их. Эти не рожденные частицы рождаются только в том случае, если появится энергия. Тогда они превратятся в реальные частицы. Носители этой энергии могут быть разные - сильные электромагнитные поля, сильное гравитационное поле и т. д. В обычных же условиях только на короткий миг в каждой точке физического вакуума появляется пара - частица и античастица. Но они тут же сливаются и исчезают. Они возвращаются в свое «эмбриональное» состояние.

Рождение частиц и античастиц происходит, в частности, в переменном поле. Это может быть переменное гравитационное поле. Если гравитационное поле изменяется во времени, то из физического вакуума рождаются фотоны. Их частота соответствует времени изменения поля. В слабом гравитационном поле такой эффект очень мал. Но в сильном поле ситуация меняется. Подобным образом сильное электрическое поле вызывает рождение из физического вакуума пар заряженных частиц - электронов и позитронов.

Из сказанного выше ясно, что в сильных переменных гравитационных полях черных дыр могут рождаться (и рождаются) элементарные частицы и античастицы. При сжатии электрически заряженного тела и превращении его в заряженную черную дыру электрическое поле усиливается настолько, что оно порождает электроны и позитроны. Элементарные частицы рождаются и в эргосфере вращающейся черной дыры. При этом часть энергии вращения черной дыры уходит на рождение частиц. Но, по сути, здесь речь идет не об энергии самой черной дыры, а об энергии полей вокруг черной дыры. В результате рождения частиц и расхода на этот процесс энергии эти поля уменьшают свою энергию.

Однако оказалось, что и сама черная дыра может рождать элементарные частицы. То есть на переход частиц из виртуального состояния в реальное тратится энергия самой черной дыры. Естественно, что это энергия гравитационного поля черной дыры. В результате уменьшается как масса черной дыры, так и ее размеры.

Частица и античастица в физическом вакууме являются сиамскими близнецами. Они превращаются в реальные частицу и античастицу только вместе. Вместе они должны и исчезать, а точнее, возвращаться в физический вакуум. Так всегда и бывает в обычных физических условиях. Но в условиях черной дыры частица и античастица могут оказаться в разных мирах: одна из них может оказаться в области, откуда путь один - падать на черную дыру, а другая в это время может убежать от черной дыры. Рубиконом служит горизонт черной дыры. Если частица и античастица оказались по разные стороны горизонта черной дыры, то они уже никогда не могут слиться и уйти в физический вакуум, превратиться в физическое «ничто». Та частица, которая окажется по эту сторону горизонта черной дыры, спокойно уйдет в космос, унося с собой частичку энергии и массы черной дыры. Но на самом деле это процесс очень маломощный, и он с лихвой компенсируется тем, что на черную дыру непрерывно падает вещество из межзвездного пространства.

Черная дыра рождает не только фотоны, но и другие частицы. Если черная дыра обладает массой, равной массе нескольких Солнц, то их температура настолько низкая, что они могут производить только такие частицы, которые не обладают массой покоя. Это фотоны, электронные и мюонные нейтрино, а также их античастицы. Излучаются такой черной дырой и кванты гравитационных волн - гравитоны. Типичная звездная дыра рождает больше всего нейтрино всех сортов (84 % от всех частиц). Количество рожденных при этом фотонов составляет 17 %. Гравитонов рождается 2 %.

Черная дыра излучает больше всего нейтрино, потому что их квантовое вращение (спин) минимально. Оно равно 1/2. У гравитонов спин равен 2, поэтому их меньше всего.

Черная дыра с малой массой имеет высокую температуру. Такие черные дыры порождают кроме этих частиц и электронно-позитронные пары. Но речь идет о черных дырах, размеры которых в тысячу раз меньше атома. Это, конечно, очень похоже на фантастику. Но, оказывается, должны быть и черные дыры, которые еще меньше. Такие микроскопические черные дыры, как полагают физики, способны излучать также мюоны и более тяжелые элементарные частицы. Эти черные дыры не просто микроскопические. Их размер меньше атомного ядра. Ясно, что такие черные дыры не могут возникать путем бесконечного сжатия звезд. Полагают, что в далеком прошлом могли быть условия, необходимые для рождения таких черных дыр.

Черные дыры могут испаряться. Но это испарение является квантовым. Суть этого испарения состоит в следующем. По законам классической физики у частицы нет возможности вырваться из черной дыры. Но по законам квантовой механики у определенной доли частиц имеется возможность «просочиться» через запретный энергетический барьер. Запретный потому, что у частицы нет достаточного количества энергии для того, чтобы это сделать законно. Она просачивается через энергетический барьер вопреки всем законам физики. Именно вследствие такого процесса просачивания частиц и происходит испарение черных дыр. Получается, что черные дыры сами затягиваются без всяких внешних воздействий. Они просто превращаются в тепловое излучение.

Физики установили, что по мере уменьшения массы черной дыры в процессе испарения температура черной дыры увеличивается. Это значит, что испарение ускоряется. Так этот процесс постепенно нарастает. Когда масса черной дыры уменьшается до тысячи тонн, температура ее излучения увеличивается до 1CF". Это фантастическая температура. Следствием этого может быть только взрыв. Дело в том, что это вещество (последние тысячи тонн, которые остались от черной дыры) упаковано в очень маленьком, микроскопическом объеме. Оно взрывается и за одну десятую долю секунды превращается в излучение. При таком взрыве черной дыры выделяется энергия, которая эквивалентна взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Так кончает свою жизнь черная дыра. Что же касается жизни черной дыры, то она может быть долгой даже в космических масштабах.

от обычной звезды до черной дыры

Активный период жизни звезды определяется скоростью потери энергии на излучение и запасами топлива. Это зависит от массы звезды. Продолжительность жизни звезды определяется ее массой. Если масса звезды равна массе Солнца, то такая звезда живет активной жизнью примерно десять миллиардов лет. Чем массивнее звезда, тем короче ее активная жизнь. Если масса звезды составляет три массы Солнца, то такая звезда живет всего один миллиард лет. Звезда с массой, равной 10 масс Солнца, живет всего сто миллионов лет.

Когда ядерное топливо звезды заканчивается, звезда продолжает терять энергию. Она ее излучает и поэтому сжимается. Если масса звезды не превышает массу Солнца более чем в 1,2 раза, то сжатие ее закончится тогда, когда радиус звезды составит несколько тысяч километров. Плотность вещества таких звезд огромная. Один квадратный сантиметр этого вещества весит тысячу тонн. Такие звезды получили название белых карликов. Превратившись в белого карлика, звезда остывает и не изменяет своих размеров. Дальнейшему сжатию белого карлика препятствует давление газа. Оно обеспечивается квантовыми силами, возникающими между достаточно тесно упакованными электронами плазмы, которые составляют звезду. В этих условиях давление не зависит от температуры вещества звезды. Поэтому белый карлик остывает и превращается в черного карлика. Размер его при этом не изменяется.

В том случае, если масса звезды больше 1,2 массы Солнца, то в результате сжатия плотность ее вещества станет еще больше. При такой плотности начнут протекать ядерные реакции, которые поглощают много энергии. Поэтому звезда начинает стремительно сжиматься. Такое сжатие может закончиться ядерным взрывом, он называется вспышкой сверхновой звезды. В результате ядерного взрыва звезда сбрасывает оболочку и превращается в нейтронную звезду. В центре звезды плотность достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре. Примерно такова плотность атомного ядра. Собственно, специалисты считают, что нейтронная звезда есть что-то вроде атомного ядра размером в несколько километров. Ядерные частицы-нуклоны очень тесно упакованы в нейтронной звезде.

Если масса звезды не превосходит две массы Солнца, то нук-лонный газ способен квантовыми силами воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды. Тогда нейтронная звезда перестанет сжиматься и будет существовать в этом качестве. Нейтронные звезды считают холодными. Но на самом деле в ее центре температура достигает сотен - миллионов градусов, а на поверхности миллиона градусов. Тут нет никакого противоречия. При таком состоянии вещества как у нейтронной звезды понятие температуры является формальным, вычислительным и не имеет ничего общего с тем, к которому мы привыкли в повседневной жизни. Собственно, таково положение не только на нейтронной звезде, но даже в нашей атмосфере на высоте в сотни километров. Там ситуация обратная - плотность атмосферного газа столь мала, что можно говорить о вакууме. При такой малой плотности газа, как и при чрезмерно большой плотности, как в нейтронных звездах, температура является чисто вычислительной.

Испарение чёрных дыр

Испарение чёрной дыры - квантовый процесс. Дело в том, что понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает , а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты . В квантовой же механике, благодаря туннелированию , появляется возможность преодолевать потенциальные барьеры , непреодолимые для неквантовой системы. Утверждение, что конечное состояние черной дыры стационарно, верно лишь в рамках обычной , не квантовой теории тяготения . Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле чёрная дыра должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теории поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать и «виртуальными частицами »). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица . Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможен случай, когда полная энергия античастицы оказывается отрицательной, а полная энергия частицы - положительной. Падая в чёрную дыру, античастица уменьшает её полную энергию покоя , а значит, и массу, в то время как частица оказывается способной улететь в бесконечность. Для удалённого наблюдателя это выглядит как излучение чёрной дыры.

Важным является не только предсказываемый факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр (для безмассовых частиц). Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

где - постоянная Планка , разделенная на , c - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана , G - гравитационная постоянная , и, наконец, M - масса чёрной дыры. При этом не только спектр излучения (распределение его по частотам), но и более тонкие его характеристики (например, все корреляционные функции) точно такие же, как у излучения черного тела. Развивая теорию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр .

Однако такой подход к чёрной дыре оказывается внутренне противоречивым и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре . Причиной этого является отсутствие успешной теории квантовой гравитации . Существование излучения Хокинга предсказывается не всеми квантовыми теориями. и оспаривается рядом исследователей

Обнаружение

Точку в споре о существовании эффекта должны были бы поставить наблюдения, однако температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать - массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

См. также

Примечания и ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Излучение Хокинга" в других словарях:

Процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц. В подавляющем большинстве случаев под излучением понимают электромагнитное излучение, которое в свою очередь можно разделить по источникам излучения на тепловое излучение,… … Википедия

Эффект Унру (излучение Унру) предсказываемый квантовой теорией поля эффект наблюдения планковского излучения в ускоряющейся системе отсчёта при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчёта. Другими словами, ускоряющийся наблюдатель… … Википедия

Излучение Хокинга процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, чёрной дырой. В силу закона сохранения энергии, этот процесс сопровождается уменьшением массы чёрной дыры, т. е. её «испарением». Предсказан… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Чёрная дыра (значения). Изображение, полученное с помощью телескопа «Хаббл»: Активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится чёрная дыра. На сни … Википедия

Запрос «Хокинг» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Стивен Уильям Хокинг Stephen William Hawking Дата рождения: 8 января 1942 … Википедия

Хокинг, Стивен Уильям Запрос «Хокинг» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Стивен Уильям Хокинг Stephen William Hawking Дата рождения: 8 января … Википедия - В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

100 великих загадок астрономии Волков Александр Викторович

Испаряются ли черные дыры?

Испаряются ли черные дыры?

С точки зрения общей теории относительности, срок жизни, отпущенный черным дырам, бесконечно велик. Так считали много лет, пока британский физик Стивен Хокинг не исследовал их по законам квантовой механики (законы эти действуют в мире элементарных частиц). До тех пор не удавалось свести воедино общую теорию относительности и квантовую механику. И все же Хокинг попытался это сделать и столкнулся с поразительным эффектом. Он обнародовал свои выводы в 1975 году; попробуем о них рассказать.

Для физика вакуум – это нечто иное, чем пустота, чем ничто. В вакууме беспрерывно рождаются и гибнут элементарные частицы. Их называют виртуальными, поскольку они существуют лишь краткие мгновения. Виртуальные частицы всегда возникают попарно. Когда подобная пара частиц образуется в непосредственной близости от черной дыры, на границе горизонта событий, то под действием гравитации уже через 10-2 4 секунды эта пара распадается. Одна из частиц исчезает в недрах черной дыры, а другая успевает ускользнуть. Получая энергию извне, эта частица из виртуальной становится реальной. Удаляясь от черной дыры, она только увеличивает свою энергию. Поток подобных частиц и называется «излучением Хокинга»; он позволяет обнаружить присутствие поблизости черной дыры. Первой же частице следует соответственно приписать отрицательную энергию. В таком случае, по знаменитому закону Эйнштейна (E = mc 2), с ее появлением внутри черной дыры та не только теряет некоторое количество энергии, но и ее масса уменьшается на величину, исчисленную по этой формуле. Со стороны это выглядит так, словно черная дыра «испаряется», постепенно уменьшаясь в размерах. Гигантские черные дыры испускают в основном такие частицы, как фотоны и нейтрино. В спектре небольших черных дыр присутствуют и тяжелые частицы.

Излучение Хокинга позволяет обнаружить присутствие черной дыры

Итак, черные дыры тоже убывают в размерах. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, например, черную дыру, что весит в три раза (всего в три раза!) больше нашего Солнца. Пройдет 10 67 лет, прежде чем она испарится почти полностью. Что означает этот промежуток времени? Он примерно в 10 57 раз превышает теперешний возраст Вселенной.

На месте черной дыры может остаться лишь крохотный, но стабильный сгусток размером порядка 10 -33 сантиметра, что соответствует известной константе – так называемой длине Планка. Возможно, подобные «сгустки» – реликты бывших черных дыр – образуют новый, не известный науке тип элементарных частиц. Пока их существование не доказано, но ученые уже подобрали им многочисленные имена: «максимоны», «планкеоны», «информоны», «инфотоны» или «корнукопионы» (от английского cornucopia, «рог изобилия»).

Тогда же, в начале 1970-х годов, Стивен Хокинг первым предположил, что помимо громадных черных дыр, возникающих на месте взорвавшихся звезд, на ранней стадии развития Вселенной могли существовать и миниатюрные («примордиальные», как их еще называют) черные дыры. Они образовались сразу после Большого взрыва на тех участках пространства, где локальная плотность массы и энергии была необычайно высока. Согласно расчетам, через тысячную долю секунды после Большого взрыва плотность этих «сгустков» превышала плотность атомного ядра.

Анализ космического фонового излучения подтверждает, что такие флуктуации и впрямь появлялись. Это стало причиной зарождения звезд, галактик и, может быть, миниатюрных черных дыр. Не будь этих флуктуаций, вероятно, вещество и теперь было бы равномерно распределено во Вселенной.

Масса миниатюрных черных дыр, как показали расчеты, составляла в среднем 10 18 граммов, или 10-1 5 солнечных масс. Это соответствует массе какой-нибудь земной горы. Радиус горизонта событий подобного объекта равнялся 10-1 2 метров. Таким образом, примордиальные черные дыры имели субатомарный размер.

Опять же, согласно расчетам, чем меньше масса черной дыры, тем быстрее та испаряется, поскольку сила ее притяжения не так велика и все больше и больше частиц улетучивается. При этом возрастает и ее температура. Миниатюрная черная дыра буквально пышет жаром. В конце концов она разогревается до температуры в несколько миллионов кельвинов. При ее испарении выделяется энергия, сопоставимая со взрывом нескольких миллионов водородных бомб. Продолжительность жизни миниатюрных дыр составляет около 13,5 миллиардов лет. Вполне возможно, что сейчас они одна за другой испаряются, и грандиозные гамма-вспышки, которые иногда наблюдают астрономы, – это живое свидетельство их испарения. Впрочем, доказать эту гипотезу пока не удалось.

Что же касается черных дыр, которые образовались на месте взорвавшихся звезд, то они, наоборот, очень холодные, а потому интенсивность их излучения мала, они медленно уменьшаются в размерах. Так, температура черной дыры, чья масса в 10 раз выше массы Солнца, составляет всего несколько миллиардных долей кельвина. Эта черная дыра значительно холоднее окружающего ее пространства (средняя температура в ее окрестностях – около 4 кельвинов). Она, очевидно, разогревается, увеличивая при этом свою массу. В итоге, как уже говорилось, продолжительность жизни такой черной дыры больше возраста самой Вселенной.

Итак, излучение Хокинга доказывает, что черные дыры все-таки не являются абсолютно черными. Еще в 1960-е годы некоторые физики пришли к выводу, что почти вся информация о теле, угодившем в черную дыру, теряется. Могут уцелеть лишь сведения о его массе, моменте количества движения и электрическом заряде.

«Эта потеря информации отнюдь не представляла собой проблемы для классической физики, – вспоминает Стивен Хокинг. – Согласно традиционным представлениям, черная дыра живет вечно, и можно предполагать, что информация сохранится в ее недрах, хотя и останется не очень-то доступной. Ситуация изменилась, когда я открыл, что черная дыра вследствие квантовых эффектов испускает излучение. Делая допустимое приближение, можно предположить, что это излучение является полностью тепловым, а значит, не может нести в себе никакой информации. Что же произойдет с той информацией, которая заключена в недрах черной дыры, когда та испарится и перестанет существовать?»

Если эта информация безвозвратно погибнет, значит, мир – в новейших прозрениях физиков – превратится в коварный хаос, где произойти может, что угодно, вопреки всяким правилам. Иными словами: не всякое конечное физическое состояние объекта будет однозначно соотноситься с его начальным состоянием.

Впоследствии появились гипотезы, согласно которым черные дыры все-таки должны содержать информацию о своих предшественниках – об объектах, из которых возникли. Излучение Хокинга может впитывать эту информацию и, рассеиваясь в пространстве, окружающем черную дыру, уносить ее с собой. Как заявил Хокинг: «Это позволит нам сделать вывод, что сохраняется и информация, попавшая в недра черной дыры; она оказывается на бесконечно далеком расстоянии от нее».

Бесконечность, в рассуждениях Хокинга принимающая все, что вырвалось из недр черной дыры, тем и хороша, что в ней можно не учитывать влияние самой черной дыры. Там на поведении частиц, излучаемых этой дырой, никак не сказываются флуктуации пространства-времени, создаваемые ей. Там классическая теория сохраняет свои права. С такой же убедительностью можно сказать, что и человек – сгусток информации, исчезающий в черной дыре смерти, – сохраняется на бесконечно далеком расстоянии от нее, от себя прежнего.