Они излучают свою энергию на чрезвычайно долгих временных промежутках через процесс, открытый в 1974 году и известный, как излучение Хокинга. На этой неделе один из читателей задал следующий вопрос:
С момента открытия излучения Хокинга в научных публикациях оно описывается, как постепенное испарение чёрных дыр из-за спонтанного возникновения запутанных частиц рядом с горизонтом событий. Говорят, что одну частицу засасывает в ЧД, а другая улетает и становится излучением Хокинга. Из-за этого излучения ЧД постепенно теряют массу, и в результате полностью исчезают. Вопрос в том, если одна частица падает в ЧД, а вторая улетает, почему ЧД становится меньше? Не должна ли она наоборот, набирать массу?
Большой вопрос, содержащий в себе несколько неправильных представлений, часть из которых возникла по вине самого Хокинга. Давайте разбираться!
Уже более 101 года назад было найдено самое первое точное решение Общей теории относительности: пространство-время, описывающее массивную сингулярность, окружённую горизонтом событий. Открытие сделал Карл Шварцшильд, который сразу же понял, что описал ЧД: объект, настолько плотный и массивный, что даже свет не может вырваться из его гравитационного притяжения.
Довольно долго считалось, что если собрать вместе достаточно массы, запихнув её в достаточно малую область космоса, гравитационный коллапс до состояния ЧД будет необратимым, и что вне зависимости от изначальной конфигурации массы, сингулярность будет точкой, а горизонт событий – сферой. Единственный интересующий учёных параметр – размер горизонта событий – должен определяться только массой ЧД.
С поглощением ЧД всё большего количества материи, её масса растёт, и она увеличивается в размерах. Довольно долго считалось, что это будет продолжаться до тех пор, пока не останется материи для поглощения, или пока не настанет конец Вселенной.
Но кое-то изменило это предоставление. Революционное открытие того, что наша Вселенная состоит из крохотных неделимых частиц, подчиняющихся своему набору законов, квантовому набору. Частицы взаимодействуют друг с другом через различные фундаментальные взаимодействия, каждое из которых можно представить в виде набора квантовых полей.
Хотите знать, как взаимодействуют две электрически заряженные частицы, или как взаимодействуют фотоны? Всё это управляется квантовой электродинамикой, или квантовой теорией электромагнитных взаимодействий. Что насчёт частиц, отвечающих за сильные взаимодействия: за силу, держащую протоны и другие частицы в ядрах вместе? Это квантовая хромодинамика, или квантовая теория сильных взаимодействий. А что по поводу радиоактивного распада? Это квантовая теория слабых ядерных взаимодействий.
Но в этом наборе не хватает двух компонентов. Один заметить просто: в квантовом мире не учитывается гравитационное взаимодействие, поскольку у нас нет квантовой теории гравитации. А второй сложнее: три упомянутых квантовых теории обычно работают в плоском пространстве, там, где гравитационными взаимодействиями можно пренебречь. Пространство-время, соответствующее этому в ОТО, называется пространство Минковского. Но рядом с чёрной дырой пространство искривляется и превращается в пространство Шварцшильда.
И что же случается с этими квантовыми полями не в пустом и плоском пространстве, а в искривлённом пространстве рядом с ЧД? К этой проблеме Хокинг подступился в 1974 году, продемонстрировав, что присутствие этих полей в искривлённом пространстве рядом с ЧД приводит к появлению теплового излучения чёрного тела определённой температуры. Эта температура и поток тем меньше, чем более массивна ЧД, из-за того, что кривизна пространства меньше на горизонте событий у более крупной и массивной ЧД.
В популярной научной книге, «Краткая история времени» (всё ещё находящейся на первых местах в Amazon в разделах «космология» и «релятивистская физика»), Стивен Хокинг описывает вакуум пространства, состоящий из пар виртуальных частиц/античастиц, возникающих и исчезающих. По его словам, рядом с ЧД иногда одна из двух компонентов этой виртуальной пары падает за горизонт событий, а другая остаётся снаружи. В такой момент, как он пишет, внешний член пары убегает с реальной, положительной энергией, а внутренний член обладает отрицательной энергией, из-за чего масса ЧД уменьшается, что и приводит к её постепенному испарению.
Естественно, такая картина неверна. Для начала, излучение исходит не только лишь с края горизонта событий ЧД, но из всего окружающего его пространства. Но самая большая ошибка в представлении об этом процессе состоит в том, что на самом деле ЧД испускает фотоны, а не частицы и античастицы. На самом деле излучение имеет такую малую энергию, что вообще не способно произвести пары частица/античастица.
Я пытался улучшить объяснение происходящего, подчёркивая, что речь идёт о виртуальных частицах, то есть, о способе визуализации квантовых полей в природе; это не реальные частицы. Но эти свойства могут привести, и приводят к появлению реального излучения.
Но и это не совсем соответствует действительности. Это объяснение подразумевает, что неподалёку от горизонта событий излучение будет сильным, и будет казаться слабым и низкотемпературным только на большом отдалении от ЧД. На самом же деле излучение небольшое везде, и только небольшой процент излучения можно связать с самим горизонтом событий.
Реальное объяснение гораздо более сложное, и показывает, что у этой примитивной картинки есть свои ограничения. Корень проблем в том, что у разных наблюдателей получаются разные картины происходящего и восприятие частиц, и эта проблема более сложна в искривлённом пространстве, чем в плоском. Проще говоря, один наблюдатель увидит пустое пространство, но другой, ускоренно движущийся, увидит в нём частицы. Суть излучения Хокинга непрерывно связана с тем, где находится наблюдатель и что он видит, в зависимости от того, ускоренно он движется или покоится.
Создавая ЧД на том месте, где её не было, вы ускоряете частицы снаружи горизонта событий, которые в итоге попадают внутрь этого горизонта. Этот процесс и является источником этого излучения, и подсчёты Хокинга показывают, насколько невероятно сильно растянут во времени этот процесс испарения. У ЧД массой в одну солнечную испарение займёт 1067 лет. У крупнейшей во Вселенной ЧД массой в 10 млрд солнечных это займёт 10100 лет. При этом возраст сегодняшней вселенной составляет всего примерно 1010 лет, и скорость испарения настолько мала, что пройдёт ещё 1020 лет, прежде чем ЧД начнут испаряться быстрее, чем они растут из-за случайных столкновений с межзвёздными протонами, нейтронами или электронами.
Поэтому, отвечая коротко на вопрос читателя, можно сказать, что картина, нарисованная Хокингом, чрезмерно упрощена до такой степени, что становится неправильной. Более длинный ответ – к появлению излучения приводит падение в ЧД материи, а из-за чрезвычайно искривлённого пространства вокруг горизонта событий это излучение испускается так медленно, на таких длительных промежутках времени и в таких больших объёмах пространства. Для ещё более длинных и технических объяснений рекомендую обратиться (по увеличению сложности) к текстам Сабины Хоссенфелдер, Джона Баеза и Стива Гиддингса.
Комментарии (20)
black_semargl
13.01.2017 09:25А вот интересный момент — в видимой чести вселенной ЧД образуются из вещества, а вылетать из них будет поровну вещества и антивещества. (ну или фотоны, что то же самое)
nvksv
13.01.2017 09:50+4Это и есть основная головная боль физиков, пытающихся совместить ОТО и квантовую механику — при падении в ЧД от частицы остаются лишь масса, момент импульса и заряд. Все остальное теряется, а квантовая механика хочет, чтобы все преобразования были унитарными, т.е. обратимыми по времени.
black_semargl
14.01.2017 13:36Не исключено, что при уменьшении диаметра ЧД менее 21 километра
внезапно покажется дноиз-под радиуса Шварцшильда вылезет сидящая в центре сингулярности нейтронная звездаnvksv
15.01.2017 21:33Нет. Гравитационный коллапс по современным представлениям необратим. ЧД может терять массу (испаряться), оставаясь при этом ЧД. Так что рассказ Ларри Нивена «Дырявый» с точки зрения ОТО вполне правдоподобен (а излучение Хокинга, от которого упомянутая в рассказе «квантовая черная дыра» должна была бы просто взорваться — это уже квантовый эффект).
black_semargl
16.01.2017 10:48Современная наука о том что под радиусом — как понимаю просто молчит. Потому как нет способа вынуть оттуда информацию.
Для расчётов мы вполне можем считать сингулярность в центре точечной. Но она — противоречит любой физике, ибо не бывает физических объектов нулевого размера.nvksv
16.01.2017 10:58Для моделирования и расчетов достаточно горизонта событий. И да, то, что внутри него — тайна, о которой мы можем только предполагать (всякие двери в десятые измерения, кротовые норы и прочее, включая точечные сингулярности — это только ничем не подтверждаемые гипотезы). Насколько я могу судить, в настоящее время наука пытается построить физику ЧД, опираясь только на свойства поверхности горизонта событий (голографические принципы, огненные стены, «высовывающиеся струны» и т.п.).
willmore
13.01.2017 09:59+4Очередная статья Итана, которая ничего не объясняет, а рождает больше вопросов, чем ответов. На мой взгляд, наиболее полно, но при этом достаточно популярно об этом говорил Эмиль Ахмедов.
Представьте себе эффект Казимира. Две металлические пластинки в вакууме, расположенные в микрометрах друг от друга, между которым возникает сила притяжения. Она связана с тем, что вакуум — это не просто пустое пространство, а пространство, заполненное всеми существующими полями в наинизшем энергетическом состоянии, но при этом поля совершают нулевые колебания из-за принципа неопределенности. Между пластинами некоторые колебания взаимно гасятся, в то время как снаружи — нет, снаружи давление оказывается больше, пластины притягиваются. Если вы «руками» раздвините пластины, вы сообщите энергию полю между ними — родятся частицы, излучение.
Теперь представим себе звезду на грани коллапса. Вокруг нее существуют какие-то поля. Звезда начинает схлопываться — вы отодвигаете одну из пластин из опыта про эффект Казимира — в пространстве вокруг звезды возникает излучение. Казалось бы, ну сколлапсирует она, образуется горизонт событий и все устаканится. Ан нет, в действие вступают эффекты ОТО. Находясь снаружи черной дыры, вы кидаете в нее кирпич: по мере приближения к горизонту событий он будет краснеть, его ход времени будет замедляться, но для вас — внешнего бесконечно удаленного наблюдателя — он никогда не достигнет горизонта (хотя в своей системе отсчета, конечно, кирпич благополучно отправится к сингулярности). По аналогии с падающим кирпичом для внешнего наблюдателя процесс образования горизонта тоже никогда не завершится, а «зависнет», асимптотически к нему приближаясь. Значит и излучение вокруг формирующегося горизонта тоже никогда не прекратится — это и есть излучение Хокинга.nvksv
13.01.2017 11:43Если вы «руками» раздвините пластины, вы сообщите энергию полю между ними — родятся частицы, излучение.
Да ну? Вот две ровные полированные пластины, плотно прижатые друг к другу. Я их раздвигаю. Согласно Вашим словам, должна произойти вспышка излучения, так? А потом я их снова свожу — и поскольку энергия системы должна вернуться в то же состояние, я должен буду затратить дополнительную энергию, т.е. между пластинами возникнет отталкивание?
Перечитайте Эмиля Ахмедова, раз уж на него ссылаетесь. Излучение будет возникать именно при сдвигании пластин — вакуум между пластинами меняет энергию с «нулевой» на «отрицательную», это соответствует притяжению между пластинами (а скорее всего, излучения и не будет, при сдвигании Вы просто совершите меньшую работу или пластины приобретут большую скорость). При раздвигании, наоборот, Вы будете работать против притяжения и вернете вакууму его энергию.
Звезда начинает схлопываться — вы отодвигаете одну из пластин из опыта про эффект Казимира
Вы, видимо, пропустили пару страниц выкладок. Лично я логики не вижу. Только притянутую за уши аналогию. Не говоря уже о неверном понимании самого эффекта Каземира (см. выше).
Значит и излучение вокруг формирующегося горизонта тоже никогда не прекратится — это и есть излучение Хокинга.
Берем Полярную звезду, сжимаем ее до образования ЧД, ждем ее испарения. В итоге масса звезды полностью перешла в излучение Хокинга. По Вашим словам, это все эффект Каземира, причем все излучение целиком образовалось в момент коллапса и просто долго улетало от ЧД. Мощная штука — это излучение, оказывается. Содержит всю mc^2 бывшей звезды. Вопрос только в том, а какую энергию содержит сама ЧД? Видимо, никакой, если после испарения (отлета всего излучения Каземира) не месте ЧД не осталось ничего.
Следующим логичным шагом будет сказать, что ЧД в классическом понимании нет — есть только кугельблицы.willmore
13.01.2017 13:29Что ж, допускаю, что своими словами я передал содержание не совсем верно (или по крайней мере не совсем понятно). Дабы не было вопросов лично ко мне и каждый мог расставить точки над i, я ссылаюсь вот на эту публикацию. В общем-то, перечитал, и значимых различий с изложенным мной не обнаружил. Далее оставляю вас тет-а-тет со ссылкой.
Eugney
13.01.2017 12:42Из этого следует, что гипотетическая чёрная дыра, существовавшая вечно, не будет излучать.
willmore
13.01.2017 13:36Пожалуй, вы правы. Собственно, таких черных дыр не бывает, это раз. О том, что они должны излучать я не слышал, это два. Если вы где-то такое читали, поделитесь, пожалуйста, ссылкой.
Delics
13.01.2017 10:02а внутренний член обладает отрицательной энергией, *** из-за чего масса ЧД уменьшается
Только недавно читал эту книгу Хокинга. И там написано иначе.
Там, где я поставил звездочки, у Хокинга было ключевое связующее объяснение. Вероятно, оно совсем не вписывается в мировоззрение Итана, поэтому он его проигнорировал. С другой стороны — игнорировал бы уж всё тогда.
Зачем приводить только часть теории и её высмеивать?
Jetmanman
13.01.2017 11:34+2Сколько раз буквально одни и те же темы от Итана будете выкладывать? Это уже было, в чем разница с предыдущей статьей? Раньше тоже повторы тем были, не всегда от имени Итана.
CrashLogger
Все равно непонятно, почему излучение уносит больше энергии, чем приносит падающая в ЧД материя. Разве это не противоречит законам термодинамики? Это как если бы мы обдували кусок льда горячим воздухом, а он при этом еще охлаждался.
xxvy
Система терморегуляции живых организмов, основанная на потоотделении, так и работает.
nvksv
В настоящее время черные дыры не уменьшаются, а только растут — даже если в них не падает материя. Эффективная температура ЧД все равно получается много меньшей, чем температура реликтового излучения, а значит, плотность излучаемой энергии много меньше плотности энергии поглощаемой. Испарение как таковое начнется только в далеком будущем, когда Вселенная расширится и температура реликтового излучения значительно упадет.