, чёрной дырой . В силу энерги и" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8">закона сохранения энерги и , этот процесс сопровождается уменьшением массы чёрной дыры, т. е. её «испарением». Предсказан теор етически Стивеном Хокингом в году. Работе Хокинга предшествовал его визит в Москву в 1973 году, где он встречался с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Александром Старобинским. Они продемонстрировали Хокингу, что в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы.

Испарение чёрной дыры - чисто 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 Потенциал ьный барьер" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B1%D0%B0%D1%80%D1%8C%D0%B5%D1%80">потенциал ьные барьеры , непреодолимые для неквантовой системы.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теор ии 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 энерги я античастицы оказывается отрицательной, а полная энерги я частицы - положительной. Падая в чёрную дыру, античастица уменьшает её полную энерги ю 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 факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр . Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

где - постоянная Планка , c - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана , G - гравитационная постоянная , и, наконец, M - масса чёрной дыры. Развивая теор ию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр .

Однако, такой подход к чёрной дыре оказывается в противоречии с квантовой механикой и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре .

До сих пор эффект не подтверждён наблюдениями. Согласно ОТО , при образовании Вселенной должны были родиться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 10 12 кг) должны заканчивать испаряться в наше время . Так как интенсивность испарения растёт с уменьшением размера чёрной дыры, то последние стадии должны быть по сути взрывом чёрной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Экспериментальное подтверждение

Исследователи из университета Милана (University of Milan) утверждают, что им удалось наблюдать эффект радиации Хокинга, создав антипод черной дыры - так называемую белую дыру. В отличие от белой дыры, «засасывающей» извне всю материю и излучение, белая дыра полностью останавливает свет, попадающий в нее, создавая, таким образом, границу, горизонт событий. В эксперименте роль белой дыры играл кристалл кварца, имеющий определенную структуру и помещенный в особые условия, внутри которого происходила полная остановка фотонов света. Освещая светом инфракрасного лазера вышеупомянутый кристалл, ученые обнаружили и подтвердили существование эффекта переизлучения, радиации Хокинга.

Физик Джефф Штейнхауэр (Jeff Steinhauer) из Израильского технологического института в Хайфе зафиксировал излучение, предсказанное Стивеном Хокингом еще в 1974 году. Ученый создал акустический аналог черной дыры и показал в экспериментах, что от нее исходит излучение, имеющее квантовую природу. Статья опубликована в журнале Nature Physics, кратко об исследовании сообщает BBC News.
...Зафиксировать это излучение на настоящей черной дыре пока не представляется возможным, поскольку оно слишком слабое. Поэтому Штейнхауэр использовал ее аналог - так называемую «глухую дыру». Для моделирования горизонта событий черной дыры он взял конденсат Бозе-Эйнштейна из охлажденных до близких к абсолютному нулю температур атомов рубидия.
Скорость распространения звука в нем очень мала - около 0,5 мм/сек. И если создать границу, с одной стороны от которой атомы движутся с дозвуковой скоростью, а с другой - ускоряются до сверхзвуковой скорости, то эта граница будет аналогична горизонту событий черной дыры. Кванты атомов - в данном случае фононы - в эксперименте захватывались областью со сверхзвуковой скоростью. Пары фононов были разорваны, один находился в одной области, а второй - в другой. Зафиксированные ученым корреля ции говорят о том, что частицы оказываются квантово запутанными.

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.

Курсовая работа

по дисциплине

«Квантовая теория и статистическая физика»

Черные дыры. Эффект Хоккинга.

Испарение чёрных дыр.

Введение.

Среди великого разнообразия небесных тел особое место занимает класс объектов, называемых черными дырами (ЧД). Их поле тяготения столь велико, что никакая частица, включая частицу (квант) света, не может вырваться изнутри такого объекта и уйти на бесконечность. Поэтому его поверхность действует как своего рода клапан, пропускающий вещество лишь в одну сторону – внутрь ЧД (отсюда и это название: вещество валится в ЧД как в дыру, а свет из нее выйти не в состоянии). Это уникальное свойство черных дыр прямо ведет к уникальному факту – внешнему наблюдателю оно представляется как горячее тело, служащее источником теплового излучения. Это и другие тепловые свойства черных дыр описываются специальной теорией – термодинамикой черных дыр.

Черные дыры.

Еще в 1795 г. великий французский математик Пьер-Симон Лаплас теоретическим путем пришел к выводу, что свет не может уйти от тела, если оно достаточно массивно или достаточно сильно сжато. Даже из ньютоновской теории следует, что если скорость убегания для какого-либо объекта превышает величину скорости света, то этот объект для внешнего наблюдателя будет казаться абсолютно черным. Но на протяжении почти двухсот лет никому не приходило в голову, что в природе могут действительно существовать черные дыры. Однако к середине 1960-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции. Теперь, зная больше, астрономы отчетливо понимают, что не может существовать устойчивых мертвых звезд, масса которых превышала бы три солнечные массы. Поскольку во Вселенной звезды, обладающие намного большими массами, - широко распространенное явление, астрофизики стали всерьез обсуждать возможность существования черных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной.

Черная дыра - это один из трех возможных вариантов конечной стадии эволюции звезд. Однако в отличие от белых карликов и нейтронных звезд черная дыра - это пустое место. Это то, что остается после катастрофического гравитационного коллапса массивной звезды, когда она умирает. При коллапсе - катастрофическом сжатии звезды - напряженность силы тяготения над ее поверхностью становится настолько чудовищно большой, что окружающее звезду пространство-время свертывается, и звезда исчезает из Вселенной; остается только исключительно сильно искривленная область пространства-времени.

Небесные тела со свойствами черных дыр рассматривались в рамках механики Ньютона еще в XVIII веке как объекты, вторая космическая скорость которых, превышает скорость света c. Здесь G – постоянная тяготения, M – масса объекта, R – его радиус. Приведенному условию удовлетворяет объект, масса которого сконцентрирована в очень малом объеме с радиусом

(1)

где – гравитационный радиус тела, – масса Солнца. Сферу радиуса называют горизонтом событий: именно ею ограничено поле зрения внешнего наблюдателя, лишенного информации о ее внутренней части. Условие (1) оказалось справедливым и в рамках общей теории относительности.

Для подавляющей части небесных тел условие (1) нарушено. Так, для Солнца (радиус 7· км) и Земли (масса 6· г, радиус 6· км) величина составляет соответственно всего 3 км и ~1 см. Еще контрастнее соответствующие цифры для земных объектов. Поэтому черная дыра возникает лишь при крайне необычных условиях сверхвысокой плотности вещества. Такие условия имеются прежде всего на конечном этапе эволюции звезд с массой, превышающей примерно 3; неудержимое гравитационное сжатие такой звезды – коллапс – ведет в конечном счете к выполнению условия (1) и к образованию черной дыры звездной массы. Массы таких объектов лежат в диапазоне от 3 до 100 . Более тяжелые массивные и сверхмассивные черные дыры с массами до возникают в результате коллапса больших масс газа в центрах шаровых скоплений, в ядрах галактик и в квазарах. Легкие черные дыры с массами до 3 могли бы образоваться в результате нарастания флуктуаций плотности сверхсжатого вещества ранней Вселенной (первичные ЧД).

Абсолютно твердых доказательств существования черных дыр в космосе пока нет. Однако большинство ученых сходится во мнении, что рентгеновские источники в некоторых двойных системах представляют собой звездные черные дыры, а активность многих (если не всех) ядер галактик и квазаров – результат существования массивных и сверхмассивных черных дыр в центрах этих объектов.

Предшественник черной дыры (массивная звезда, газ, флуктуация плотности) обладает множеством наблюдаемых параметров, относящихся как к его глобальным свойствам, так и к характеристикам его внутреннего строения. Информация о подавляющей части таких параметров теряется внешним наблюдателем в процессе образования черной дыры, которая не выпускает из себя никаких сигналов, характеризующих состав и структуру вещества, распределение электрических токов и пр. Этот факт образно описывают словами: черная дыра не имеет волос. Фактически наблюдатель может измерить лишь такие глобальные характеристики черной дыры, как ее масса M , вращательный момент m и полный электрический заряд Q .

Эффект Хокинга

Нарисованная картина черной дыры носит классический, неквантовый характер. Квантовая механика вносит в нее некоторые коррективы: при сохранении горизонта событий черная дыра перестает быть "черной", становясь источником излучения. Природа этого излучения та же, что и у электронно-позитронных пар, рождаемых сильным электрическим полем, которое увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие). Аналогичным образом рождает пары (в том числе и пары фотонов) и сильное поле тяготения черной дыры, действующее на частицы любого сорта. Одна из компонент пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти в бесконечность; другая частица появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь черной дыры (см. рис. 1). В итоге черная дыра становится источником непрерывного потока частиц, уходящего в бесконечность. При формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по-прежнему обладает свойствами клапана.

Рис. 1. Рождение пар частиц в гравитационном поле черной дыры. а – горизонт событий, область черной дыры заштрихована

В 1974-1975 годах английский теоретик С. Хокинг проводил вычисления характеристик излучения черных дыр, руководствуясь нарисованной выше физической картиной. Он обнаружил, что свойства такого излучения в точности такие же, как у излучения горячего черного тела радиуса нагретого до температуры (в кельвинах)

T ≈ 0,5· (/M). (2)

В описанном явлении, которое называют эффектом Хокинга, температура обратно пропорциональна массе. В процессе излучения масса черной дыры уменьшается, а ее температура растет, что усиливает излучение и тем самым ускоряет убыль массы. Поэтому со временем черная дыра "разгорается", ее температура быстро растет и за конечное время (в секундах)

t ≈ (3)

Черная дыра прекращает существование, исчерпав всю свою массу.

Существенно, что последние мгновения перед исчезновением черной дыры будут протекать в режиме мощного взрыва с выделением энергии порядка эрг за время около 0,1 с. Такие взрывы можно было бы наблюдать и на большом расстоянии от Земли. Это не относится к звездным и тем более к массивным и сверхмассивным черным дырам: уже при массе, равной солнечной, температура составляет ничтожные доли градуса, а время жизни ЧД намного больше времени существования Вселенной (см. формулы (2), (3)). Поэтому взрываться в нашу эпоху способны лишь первичные черные дыры с массой около 1015 г (масса средней горы). К сожалению, такие взрывы до сих пор не наблюдались.

Как не впечатляющи следствия эффекта Хокинга, с точки зрения теории наибольший интерес представляет природа теплового характера черных дыр – имеем ли мы здесь дело с чисто случайным сходством или же по каким-то причинам черная дыра действительно представляет собой горячее тело.

Заключение

Существование черных дыр, предсказанных в их современном понимании общей теорией относительности, с большой долей вероятности уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то роль черных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что еще не открытые первичные черные дыры, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем это кажется сегодня.

Однако уже сейчас можно говорить и о совсем иной, общефизической, роли черных дыр, обогативших наши общие представления о неорганическом мире. Появление черных дыр как продукта теоретической мысли подняло на новый уровень наше понимание теплоты. С XVIII - XIX века – времени победы кинетической теории над теорией теплорода – наука знала единственный механизм появления тепла – хаотизацию движения частиц, обладающих запасом кинетической энергии. Такой механизм проявляется при трении двух кусков дерева, с помощью чего наши предки добывали огонь, и при химических и ядерных реакциях. С наиболее общей, информационной точки зрения появление тепла во всех таких случаях отвечает утрате микроскопической информации о состоянии частиц горячего тела.

Физика черных дыр указала новый механизм возникновения тепла, когда информация о внутреннем состоянии черной дыры "отсекается" от наблюдателя мощными силами тяготения (а сам этот объект может быть уподоблен "черному ящику" – так в кибернетике называют устройство с неизвестной внутренней структурой). Этот новый механизм действует по схеме:

черная дыра → черный ящик → черное тело

А также имеет дело с хаосом, которому отвечает равновероятность (с точки зрения внешнего наблюдателя) различных микросостояний внутренней части черной дыры с заданными значениями массы, момента и заряда.

Проблема барионной симметрии давно занимает физиков, поскольку без такой асимметрии существование звезд, планет, людей и многого другого было бы невозможно. Текст соответствующей работы доступен на сервере препринтов Корнелльского университета.

Из имеющихся представлений о законах природы неясно, как в ней могло возникнуть явно наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом. В то же время вопрос этот явно ключевой для эволюции Вселенной в известном нам виде. Не будь обычного вещества много больше, каждый антиатом прореагировал бы с атомом, и вся Вселенная превратилась бы в гамма-фотоны, из которых, разумеется, не могли бы возникнуть небесные тела.

Авторы рассматривают возможные последствия распада первичных черных дыр для баланса вещества и антивещества в ранней Вселенной. Первичными черными дырами называют до сих не открытые, но постулируемые рядом научных групп объекты, которые имеют массу сильно меньше одной солнечной и, как считается, возникли в первую секунду после Большого взрыва.

Такие черные дыры, в случае если они имеют достаточно низкую массу, должны быстро испаряться (крупные черные дыры, напротив, испаряются крайне медленно, зато окружающее вещество поглощают быстро, что и обеспечивает их длительное существование). Исследователи показывают, что если испарение черных дыр произошло в эпоху до остывания Вселенной, когда она была насыщена главным образом излучением, то никакого особого влияния на ее эволюцию такое испарение оказать не могло. Однако, если первичные ЧД испарились несколько позже, когда пространство-время уже в основном было заполнено веществом, а не излучением, ситуация резко изменяется.

При испарении черных дыр кроме фотонов должны возникать еще электроны и позитроны (антиэлектроны). Электроны и антиэлектроны должны аннигилировать и порождать новые фотоны высоких энергий. В итоге количество фотонов во Вселенной, по расчетам авторов, должно было стать огромным. Настолько, что та временно вернулась бы в состояние, при котором в ней доминирует излучение.

Это достаточно неожиданный вывод. Если такой сценарий осуществлялся на практике, то ранняя история Вселенной протекала не так, как ее представляли раньше - вместо одной эпохи доминирования излучения было две, и причиной начала второй эпохи стало испарение черных дыр (на конечном этапе выглядящее как взрыв крошечной черной дыры). В таком случае наблюдаемая сейчас барионная асимметрия была сильно разбавлена последующей второй эпохой доминирования излучения, и, следовательно, причины возникновения барионной асимметрии Вселенной также могут несколько отличаться от тех, что считались возможными ранее.

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.

Из книги Экзотическая зоология автора Непомнящий Николай Николаевич

ЧЕРНЫЕ ПСЫ Одним из самых мрачных персонажей из мира психических феноменов является черный пес – существо, традиционно «населяющее» сельскую Англию и Уэльс. Легенды о бесах в собачьем обличье исходят из самых глубин британского фольклора, и в различных частях страны

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЧЕ) автора БСЭ

Из книги Тайны древних цивилизаций автора Торп Ник

Из книги 100 великих писателей автора Иванов Геннадий Викторович

Из книги Астрономия автора Брейтот Джим

Из книги Краткий справочник необходимых знаний автора Чернявский Андрей Владимирович

Из книги 100 великих тайн Вселенной автора Бернацкий Анатолий

Из книги 100 великих загадок астрономии автора Волков Александр Викторович

Из книги Спасите котика! И другие секреты сценарного мастерства автора Снайдер Блейк

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ Даже свет не может ускользнуть из черной дыры. Черная дыра является абсолютным поглотителем всех видов электромагнитного излучения (или любой другой формы излучения) точно так же, как черная поверхность полностью поглощает видимый свет. Идея черной дыры

Из книги Я познаю мир. Арктика и Антарктика автора Бочавер Алексей Львович

Черные дыры Масса нейтронной звезды не может превышать трехкратной массы Солнца. При сжатии более массивной звезды может образоваться черная дыра, поле тяготения в которой настолько сильно, что не выпускает из себя даже свет. Предполагается, что вещество в черной дыре

Из книги автора

Глава 8. Черные дыры – монстры вселенной Таинственные «провалы» В последние десятилетия двадцатого столетия астрономы обнаружили в бескрайних просторах Вселенной немало удивительных объектов. Это – и пульсары, и квазары, и нейтронные звезды. Но, наверное, самым

Из книги автора

Странный мир черной дыры Выяснив, как появляется черная дыра, астрофизики пытаются также заглянуть и вовнутрь этого космического монстра. И кое-какую информацию им удалось получить. Конечно же, с помощью теоретических моделей.Так, исследователи выяснили, что черная дыра

Из книги автора

Есть ли во Вселенной белые дыры? Тем, кто хотя бы немного знаком с теорией относительности Эйнштейна, известно, что ее уравнения применимы, когда время направлено как вперед, в будущее, так и назад, в прошлое.И хотя в понимании физиков понятие «течение времени» – выражение

Из книги автора

Существуют ли белые дыры? Во вращающихся сверхмассивных черных дырах, как полагают некоторые астрофизики, образуется неприметная вроде бы трещинка – туннель, ведущий в так называемую белую дыру. В той черной дыре, что разрастается посреди Млечного Пути, она тоже

Из книги автора

Перегруженные сцены и «черные дыры» Моя самая большая проблема состоит в том, что я могу начать записывать на карточки не только фактические эпизоды истории, но и много что еще. Это особенно актуально в самом начале пути, когда я выстраиваю установочные сцены и действие

Из книги автора

Озоновые дыры Наблюдения за составом воздуха проводятся давно, уже не первое десятилетие. И по мере того, как появляются новые способы и методы наблюдений, мы узнаем все больше нового, интересного и часто – важного. В частности, наблюдения со спутников показали, что с

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства