Излучение Хокинга и гибель черных дыр
Черные дыры не абсолютно черные. На протяжении огромных периодов времени они чрезвычайно медленно излучают в космическое пространство тепло. Тепло — это разновидность энергии, а энергия эквивалентна массе. Таким образом, объект, генерирующий тепло, также должен и медленно терять массу. По мере того как утекает масса-энергия черной дыры, скорость потери ею тепла постепенно возрастает, в силу чего черная дыра не может существовать вечно. Ей суждено испариться, превратившись в ничто.
Нам известно, что черная дыра — это-«объект, гравитация поверхности которого не позволяет оторваться от нее даже свету», и все же она может излучать энергию в пространство, что выглядит противоречивым. В самом деле, феномен излучения черной дыры — это квантово-механический эффект, который невозможно понять в рамках только лишь общей теории относительности. Испарение черной дыры — один из нескольких вычислимых результатов, относящихся к области квантовой гравитации.
Квантово-механический процесс, вызывающий испарение черной дыры, открыл в 1974 году Стивен Хокинг; именно в его честь он получил название излучения Хокинга. Излучение Хокинга, испускаемое поверхностью звездной или сверхмассивной черной дыры, состоит, главным образом, из протонов и нейтрино, а также некоторой доли гравитонов. Спектр излучения, испускаемого черной дырой, имеет точно такую же форму, как и спектр абсолютно черного тела, который испускается объектом, имеющим однородную неизменную температуру (как уже обсуждалось в первой главе). Температура конкретной черной дыры определяется ее массой: чем больше черная дыра, тем ниже ее температура. Черная дыра с массой Солнца имеет температуру лишь на 0,0000001 градуса выше абсолютного нуля, тогда как сверхмассивные черные дыры намного холоднее.
Тепловое излучение черной дыры можно объяснить квантовым принципом неопределенности Гейзенберга. Исследуя свойства белых карликов, мы видели, что принцип неопределенности не позволяет нам точно знать одновременно импульс и положение частицы. Аналогичным образом, принцип неопределенности предполагает, что энергия системы и временной промежуток, на протяжении которого эта система содержит определенное количество энергии, невозможно знать точно одновременно. Эта энерговременная форма принципа неопределенности Гейзенберга означает, что закон сохранения энергии справедлив в среднестатистическом случае, но не в абсолютно точном смысле. Закон сохранения энергии может нарушаться при условии, что это нарушение имеет место в течение достаточно короткого времени. Более значительные нарушения закона сохранения энергии происходят в течение более коротких промежутков времени. Пары частиц, называемых из-за их временного статуса виртуальными частицами, беспрерывно создаются из квантовой материи пространства. Эти частицы живут лишь очень короткое время, по истечении которого они должны вновь аннигилировать — превратиться в ничто. Один из способов, позволяющих получить хоть какое-то представление об этой необычной концепции виртуальных частиц, — вообразить, что вакуум, который считается пустым пространством, способен заимствовать энергию. Пары виртуальных частиц получают энергетическую «ссуду», после чего проживают короткий промежуток времени, «взятого взаймы», а потом бывают вынуждены отдать свой долг вакууму и исчезнуть.
Чтобы понять, как данная концепция связана с испарением Хокинга, представьте пару виртуальных частиц, образовавшихся неподалеку от горизонта событий черной дыры. В краткие мгновения существования этой пары один из ее членов может упасть в черную дыру и тем самым приобрести энергию. Если таким образом приобретается достаточное количество энергии, частицам удается продвинуться из положения временных виртуальных в разряд реально существующих. Чтобы это произошло, для создания массы-энергии частиц используется небольшая доля гравитационной энергии черной дыры. Обретя реальное существование, вторая частица из пары — та, которая не падала в черную дыру, — может спастись. Во многих случаях вновь созданная частица упадет в черную дыру и полностью компенсирует ей оказанную энергетическую поддержку. Однако может случиться и так, что вторая частица вырвется из «лап» черной дыры и улетит в космос. После такого побега масса-энергия черной дыры немного уменьшится. Получится, что черная дыра отдала часть своей энергии окружающей Вселенной.