The Brain
21 марта 2019
Что может вырваться из черной дыры?
Черная дыра – это область пространства-времени с огромным гравитационным притяжением. Любое тело в космосе обладает гравитационным полем, которое хоть сколько-нибудь искривляет пространство-время. Например, чтобы преодолеть гравитационное поле нашей Земли, объекту необходимо достигнуть первой и второй космической скорости. Современные двигатели вполне способны придать космическому кораблю необходимый импульс.
Но чтобы покинуть пределы черной дыры, объекту необходимо разогнаться до скорости, превышающей скорость света. Современная физика считает, что ничто во Вселенной не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света – и кванты самого света, конечно, тоже. Именно поэтому мы можем утверждать, что ничто, даже свет, не может покинуть черную дыру.
Или все-таки может? Удивительный мир квантовой механики утверждает, что и черная дыра может излучать в пространство. Чтобы понять, как это становится возможно, необходимо рассказать о том, что представляет наше пространство на уровне элементарных частиц.
Квантовая теория поля утверждает, что все пространство-время Вселенной в любой точке различными энергетическими полями. Если взять пустое пространство – физический вакуум — измерить его точнейшими современными приборами и увидеть, что в этом пространстве не наблюдается ни одного фотона, то можно сказать что поле находится в состоянии наименьшей энергии, то есть не способно отдавать энергию. Получается, энергия поля равна нулю? Вовсе нет. Даже в этом случае невозможно точно (определенно) измерить энергию данного поля, иначе это нарушило бы принцип неопределенности (или принцип Гейзенберга) – основу квантовой механики. Получается, что даже в состоянии с наименьшей энергией мы можем задать значение энергии поля только лишь распределением вероятности. А это значит, что в физическом вакууме будут всегда происходить различные флуктуации.
Квантовая теория объясняет их наличие постоянным рождением и уничтожением виртуальных частиц и античастиц. Почему виртуальных? Потому что происходит это в столь короткие промежутки времени (около 10-24 сек.), что мы просто не сможем эти частицы зарегистрировать. Изначально существование виртуальных частиц было обнаружено на бумаге – во время вывода формул – и долгое время подвергалось сомнению, как лишь математическое описание реальности. Однако теперь ученые точно знают, что виртуальные частицы существуют – они реагируют с обычными реальными частицами, изменяя характеристики последних, что было многократно подтверждено различными экспериментами. Да, мир на квантовом уровне выглядит совсем не так, как наш обыденный мир, а представляет собой некий кипящий бульон, в котором из ниоткуда постоянно рождаются и уничтожаются новые частицы. Теоретически, при воздействии на вакуум внешним полем, пару виртуальных частиц можно превратить в пару реальных, приложив для этого энергию.
А теперь представим, что пары виртуальных частиц рождаются на самом горизонте событий черной дыры. Среди бесчисленного множество таких пар может возникнуть и такая, которая под воздействием гравитационного поля перейдет в реальное состояние. При этом когда-нибудь наступит такой момент, что одна из частиц упадет в черную дыру, а другая сможет избежать падения, выйдя на удачную траекторию полета, которая словно из пращи «отшвырнет» частицу обратно в космос, придав ей огромное ускорение.
Заметим, что реальные частицы не родились сами по себе – их своей энергией создала черная дыра, излучив затем одну из частиц в космос. Можно подсчитать, что упавшая за горизонт событий первая частица не смогла компенсировать черной дыре потерю в энергии, которую она расходовала на превращение виртуальных частиц в реальные, а затем на придание импульса второй частице. Получается, черная дыра не только излучила в космос частицу, но и потеряла из-за этого часть своей энергии, а значит и массы. Теоретически, со временем она должна просто испариться – ведь каждое мгновение рождается бесчисленное множество виртуальных частиц, а материя вблизи черной дыры рано или поздно заканчивается.
Данное излучение носит имя известного физика-теоретика Стивена Хокинга и называется «излучением Хокинга». Доказать или опровергнуть теорию Стивена Хокинга можно измерив тепловой спектр излучения вблизи горизонта событий черной дыры, однако современная техника пока что не достигла должного уровня для столь сложных наблюдений. Вокруг существования излучения Хокинга по сей день ведутся ожесточенные дискуссии.
Это интересно: некоторые физики полагают, что именно излучение Хокинга испаряет те микроскопические черные дыры, которые могли бы теоретически возникнуть во время экспериментов на Большом адронном коллайдере.
Точку в спорах могло бы поставить обнаружение исчезающих черных дыр – каждое испарение теоретически должно оканчиваться грандиозным взрывом. Однако пока что никаких следов подобных происшествий не обнаружено – скорее всего, возраст Вселенной пока еще слишком мал, чтобы даже первые образовавшиеся в ней черные дыры подошли к концу своей жизни.
