Излучение Хокинга

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Излуче́ние Хо́кинга — гипотетический процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, чёрной дырой. Предсказан теоретически Стивеном Хокингом в 1974 году.[1] Работе Хокинга предшествовал его визит в Москву в 1973 году, где он встречался с советскими учёными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. Они продемонстрировали Хокингу, что в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы.[2]

Испарение чёрных дыр[править | править вики-текст]

Подробное рассмотрение темы: Hawking radiation

Испарение чёрной дыры — 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 потенциальные барьеры, непреодолимые для неквантовой системы. Утверждение, что конечное состояние чёрной дыры стационарно, верно лишь в рамках обычной, не квантовой теории тяготения. Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле чёрная дыра должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теории 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 возможно, что одна из частиц (не важно какая) падает внутрь чёрной дыры, а другая улетает и доступна для наблюдения. Из закона сохранения энергии следует, что такая «упавшая» за горизонт событий частица из рождённой виртуальной пары должна обладать отрицательной энергией, так как «улетевшая» частицы, доступная для удалённого наблюдателя, обладает положительной энергией.

Также этот процесс очень грубо можно представить как «займ» энергии вакуумом у внешнего поля для рождения пары частица+античастица. В отсутствие чёрной дыры аннигиляция «возвращает» энергию полю. В описываемом случае при наличии чёрной дыры аннигиляции не происходит, одна из частиц улетает к наблюдателю, унося часть «занятой» энергии, тем самым уменьшая энергию, и следовательно массу чёрной дыры.

Важным является не только предсказываемый факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр (для безмассовых частиц). Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

T_{BH}={\hbar\,c^3\over8\pi k\,G M} \approx 1{,}227\cdot 10^{23}\; \mathrm{K}\cdot\left(\frac{M}{1\;\mathrm{kg}}\right)^{-1} \approx 6{,}169\cdot 10^{-8}\; \mathrm{K}\cdot\left(\frac{M}{M_\odot}\right)^{-1},

где ħ — приведённая постоянная Планка (постоянная Дирака), c — скорость света в вакууме, k — постоянная Больцмана, G — гравитационная постоянная, M — масса Солнца и, наконец, M — масса чёрной дыры. При этом не только спектр излучения (распределение его по частотам), но и более тонкие его характеристики (например, все корреляционные функции) точно такие же, как у излучения чёрного тела. Развивая теорию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр.

Однако такой подход к чёрной дыре оказывается внутренне противоречивым и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре. Причиной этого является отсутствие успешной теории квантовой гравитации. Существование излучения Хокинга предсказывается не всеми квантовыми теориями гравитации[3] и оспаривается рядом исследователей.[4]

Обнаружение[править | править вики-текст]

Точку в споре о существовании эффекта должны были бы поставить наблюдения, однако температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

Согласно ОТО, при образовании Вселенной могли бы рождаться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 1012 кг) должны были бы заканчивать испаряться в наше время[5]. 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.

Известно о попытке исследования «излучения Хокинга» на основе модели — аналога горизонта событий для белой дыры, в ходе физического эксперимента, проведённого исследователями из Миланского университета (англ.)[6][7].

Интересные факты[править | править вики-текст]

  • Излучение Хокинга — главный аргумент учёных относительно распада (испарения) небольших чёрных дыр, которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на БАК.[8]
  • На этом эффекте основана идея сингулярного реактора — устройства для получения энергии из чёрной дыры за счёт излучения Хокинга.[9]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания и ссылки[править | править вики-текст]

  1. S. W. Hawking. Particle Creation by Black Holes Comm. Math. Phys. 43 (1975) 199—220.
  2. Stephen Hawking. A Brief History of Time. — Bantam Books, 1988.
  3. Adam D. Helfer. Do black holes radiate? Rept. Prog. Phys. 66 (2003) 943—1008; arXiv: gr-qc/0304042v1.
  4. V. A. Belinski. On the existence of black hole evaporation yet again Phys. Lett. A 354 (2006) 249—257; arXiv:gr-qc/0607137.
  5. Квантовые черные дыры. Физика. В МИРЕ НАУКИ
  6. Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments
  7. Александр Будик. Впервые получено излучение Хоукинга. 3DNews (28 сентября 2010 года). Проверено 9 октября 2010.
  8. Ответы профессора Университетского колледжа Лондона Джонатан Батерворс на вопросы читателей bbcrussian.com о Большом адронном коллайдере. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  9. L. Crane Possible Implications of the Quantum Theory of Gravity (англ.). — 1994.

Литература[править | править вики-текст]