Черные дыры. Лекции BBC - [5]

Черные дыры не так черны, как их малюют Радиотрансляция 2 февраля 2016 года

В первой лекции я остановился на самом интересном: на парадоксе о природе черных дыр, невероятно плотных объектов, порожденных коллапсом звезд. Согласно одной из теорий, черные дыры с одинаковыми параметрами могут сформироваться из бесконечного разнообразия звезд. Другая теория говорит о том, что число возможных типов исходных объектов должно быть конечно. В этом заключается проблема информации, а именно: каждая частица и каждая сила во Вселенной в самой основе своей содержит ответ на закрытый вопрос – «да» или «нет».

Поскольку, как выразился физик-теоретик Джон Уилер, «у черной дыры нет волос», находясь снаружи черной дыры, невозможно сказать, что находится у нее внутри. Наблюдателю известно только три параметра черной дыры: ее масса, угловая скорость вращения и величина электрического заряда. Это означает, что черная дыра содержит огромное количество информации, которая скрыта от внешнего мира. Если количество информации, спрятанное внутри черной дыры, зависит от размера черной дыры, то, исходя из общих физических принципов, можно ожидать, что черная дыра обладает температурой и, следовательно, должна светиться как раскаленный металл. Но это невозможно, потому что, как всем известно, ничто не может покинуть пределы черной дыры, в том числе и тепловое излучение. По крайней мере, так считалось.

Этот парадокс просуществовал до начала 1974 года, когда я исследовал поведение вещества вблизи черной дыры в свете законов квантовой механики[6].

Д. Ш.: Квантовая механика – наука о физических явлениях на микромасштабах [7]; она призвана объяснить поведение мельчайших частиц. Законы квантовой механики отличаются от законов, регулирующих поведение больших объектов, таких как планеты, то есть законов, впервые сформулированных Исааком Ньютоном. Использование этой «науки о малом» в изучении очень большого – основа оригинального подхода Стивена Хокинга.

К моему огромному изумлению, я обнаружил, что черная дыра, похоже, испускает частицы с постоянной интенсивностью. Соглашаясь с тогдашним общепринятым мнением, я принял постулат о том, что черная дыра ничего не излучает. И поэтому пришлось приложить немало усилий в попытке избавиться от полученного мной досадного эффекта. Однако чем больше я работал над этим, тем более серьезные доводы получал в его защиту. В конце концов мне все же пришлось его принять. Окончательно я убедился в том, что это действительный физический процесс, когда математические расчеты показали: длины волн исходящих частиц в точности соответствовали тепловому излучению[8]. Согласно моим расчетам, черная дыра рождает и испускает частицы и излучение так же, как если бы она была обычным нагретым телом с температурой, пропорциональной ее поверхностной гравитации и обратно пропорциональной ее массе.

Д. Ш.: Это были первые расчеты, показавшие, что черная дыра – это не улица с односторонним движением, заканчивающаяся тупиком. Неудивительно, что найденное излучение получило имя автора и сегодня носит название «излучение Хокинга», или «испарение Хокинга».

С того времени правильность математических вычислений, доказавших тот факт, что черные дыры испускают тепловое излучение, подтвердили многие ученые, которые использовали разные подходы и методы. И вот один из способов понять, что собой представляет такое излучение. Согласно законам квантовой механики все пространство заполнено виртуальными парами частиц и античастиц, которые постоянно материализуются из вакуума, а затем тут же исчезают, аннигилируют друг с другом.

Д. Ш.: Эта концепция опирается на представление о том, что вакуум никогда не бывает абсолютно пустым. Согласно квантово-механическому принципу неопределенности всегда есть вероятность того, что частицы существуют, но недолго[9]. Таким образом, пары частиц с противоположными характеристиками будут постоянно появляться и исчезать.

Эти частицы называются виртуальными, потому что в отличие от реальных частиц их нельзя регистрировать непосредственно с помощью детектора частиц. Однако косвенные следствия их присутствия могут быть измерены. Существование этих частиц подтверждается небольшим сдвигом, называемым лэмбовским сдвигом, который они производят для одного уровня энергетического спектра возбужденных атомов водорода[10]. В присутствии черной дыры одна виртуальная частица пары может влететь под горизонт, пропав навсегда, а вторая частица этой пары останется без партнера, необходимого для взаимной аннигиляции. Оставшаяся частица (или античастица) может и сама упасть в черную дыру вслед за своим партнером, но она может и уйти от черной дыры на бесконечность и тогда будет выглядеть как излучение черной дыры[11].

Д. Ш.: Ключевым моментом в таком процессе является то, что рождение и исчезновение виртуальных частиц, как правило, проходит незамеченным. Однако если это происходит непосредственно на краю черной дыры, то одна частица пары может оказаться втянутой в черную дыру, а другая – нет. И убегающая частица будет выглядеть в точности так, как если бы черная дыра «выплюнула» ее.