Эффект хокинга испарение черных дыр. Излучение хокинга

Хокинг и микрогравитация (Vomit Comet)

По такому сценарию, вся другая информация о материи, которая образовала черную дыру или падает в нее (для которой используются «волосы» как метафора), «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, сохраняется, но будет недоступна для внешних наблюдателей.

В 1973 году Хокинг ездил в Москву и виделся с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. В ходе дискуссий с ними об их работе, они показали ему, как принцип неопределенности приводит к тому, что черные дыры должны излучать частицы. Это поставило под вопрос второй закон термодинамики черной дыры Хокинга (то есть черные дыры не могут становиться меньше), поскольку за счет энергии они должны терять и массу.

Более того, это поддерживало теорию, выдвинутую Якобом Бекенштейном, аспирантом Университета Джона Уилера, что черные дыры должны иметь конечную ненулевую температуру и энтропию. Все это противоречило «теореме об отсутствии волос». Хокинг вскоре пересмотрел свою теорему, показав, что когда учитываются квантово-механические эффекты, оказывается, что черные дыры испускают тепловое излучение определенной температуры.

В 1974 году Хокинг представил свои выводы и показал, что черные дыры излучают радиацию. Этот эффект стал известен как «излучение Хокинга» и сначала был противоречивым. Но к концу 70-х и после публикации дальнейших исследований открытие было признано в качестве существенного прорыва в области теоретической физики.

Тем не менее одним из следствий такой теории было то, что черные дыры постепенно теряют массу и энергию. Из-за этого черные дыры, которые теряют больше массы, чем приобретают, должны сжиматься и в конечном счете исчезать - сейчас это явление известно как «испарение» черной дыры.

В 1981 году Хокинг предположил, что информация в черной дыре необратимо теряется, когда черная дыра испаряется, что стало известно как «информационный парадокс черной дыры». Он утверждал, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре, позволяя множеству физических состояний приходить к единому.

Теория оказалась спорной, поскольку нарушала два фундаментальных принципа квантовой физики. Квантовая физики утверждает, что полная информация физической системы - состояние ее материи (масса, положение, спин, температура и т. п.) - закодирована в ее волновой функции до тех пор, пока функция не коллапсирует. Это, в свою очередь, приводит к двум другим принципам.

Первый - квантовый детерминизм - утверждает, что - учитывая настоящую волновую функцию - будущие изменения уникально определяются оператором эволюции. Второй - обратимость - утверждает, что оператор эволюции имеет обратную сторону, а значит прошлые волновые функции также уникальны. Сочетание этих принципов приводит к тому, что информация о квантовом состоянии материи всегда должна сохраняться.

Хокинг в Белом доме на вручении Медали свободы

Предположив, что информация исчезает после испарения черной дыры, Хокинг по сути создал фундаментальный парадокс. Если черная дыра может испаряться, тем самым приводя к исчезновению всей информации о квантовой волновой функции, тогда информация может быть в принципе утрачена навсегда. Этот вопрос стал предметом дискуссий среди ученых и остается практически нерешенным по сей день.

И все же к 2003 году среди физики сложился определенный консенсус на тему того, что Хокинг был неправ о потере информации в черной дыре. На лекции в Дублине в 2004 году он признал, что проиграл пари на эту тему Джону Прескиллу из Калтеха (которое заключил в 1997 году), но описал собственное и несколько спорное решение проблемы парадокса: возможно, черные дыры могут иметь больше чем одну топологию.

В работе 2005 года, которую он опубликовал на эту тему - «Потеря информации в черных дырах», - он утверждал, что информационный парадокс объясняется изучением всех альтернативных историй вселенных, когда информационная потеря в одной с черными дырами компенсируется в другой без них. В итоге в январе 2014 года Хокинг назвал информационный парадокс черной дыры своей «крупнейшей ошибкой».

Хокинг и Питер Хиггс на Большом адронном коллайдере

В дополнение к расширению нашего понимания черных дыр и космологии с применением ОТО и квантовой механики, Стивен Хокинг также сыграл важную роль в привлечении к науке широкой аудитории. За свою долгую научную карьеру он также опубликовал много популярных книг, много путешествовал и читал лекции, появлялся на телешоу и в фильмах.

За время своей карьеры Хокинг также стал заслуженным педагогом, лично выпустив 39 успешных студентов с докторской степенью. Его имя останется и в истории поиска внеземного разума, и развитии робототехники и искусственного интеллекта. 20 июля 2015 года Стивен Хокинг помог запустить Breakthrough Initiatives, инициативу поиска внеземной жизни во Вселенной.

Вне всяких сомнений, Стивен Хокинг - один из самых известных ученых, живущих сегодня. Его работа в области астрофизики и квантовой механики привела к прорыву в нашем понимании пространства и времени, а также породила множество споров среди ученых. Едва ли кто-нибудь из живущих ныне ученых сделал столько для привлечения внимания широкой публики к науке.

Есть в Хокинге что-то от его предшественника Альберта Эйнштейна - другого влиятельного и знаменитого ученого, который сделал все для борьбы с невежеством и развития науки. Но особенно впечатляет то, что все, что Хокинг делал в своей жизни (с определенного момента), происходило в упорной борьбе с дегенеративным заболеванием. (Почитайте, например, оставаясь совершенно недвижимым).

Больше 52 лет Хокинг прожил с болезнью, которая, по мнению врачей, должна была унести его жизнь за 2 года. И когда наступит день, когда Хокинга уже не будет с нами, время, несомненно, поместит его рядом с такими людьми, как Эйнштейн, Ньютон, Галилей и Кюри, в качестве одного из величайших ученых в истории человечества.

Величайший космолог и физик-теоретик нашего времени. Родившийся в 1942 году, будущий ученый уже в 20 лет начал испытывать проблемы со здоровьем. Боковой амиотрофический склероз сильно затруднял обучение на факультете теоретической физики Оксфорда, однако не мешал Стивену вести весьма активный, наполненный событиями образ жизни. Он женился в 1965, стал членом Лондонского Королевского общества в 1974. К этому времени у него уже родились дочь и два сына. В 1985 году ученый перестал говорить. Сегодня в его организме подвижность сохранила только одна на щеке. Казалось, что полностью неподвижный и приговорен. Однако в 1995 он снова женится, а в 2007… совершает полет в невесомости.

На Земле нет человека, лишенного подвижности, который жил бы настолько наполненной, полезной и интересной жизнью.

Но и это еще не все. Величайшей разработкой Хокинга стала теория Черных дыр. «Теория Хокинга», как ее теперь называют, кардинально изменила многолетние представления ученых о Черных дырах Вселенной.

В начале работы над теорией ученый, как и многие его коллеги, утверждал, навсегда уничтожается все, что попадает в них. Этот информационный парадокс не давал покоя военным и ученым всего мира. Считалось, что никаких свойств этих космических объектов, за исключением массы, установить невозможно.

Занявшись изучением Черных дыр в 1975 году, Хокинг установил, что они постоянно излучают в космос поток фотонов и некоторых других элементарных частиц. Однако даже сам ученый был уверен, что «излучение Хокинга» носит случайный, непредсказуемый характер. Ученый британец сначала думал, что это излучение не несет никакой информации.

Однако свойство гениального ума - умение постоянно сомневаться. Хокинг продолжил исследования и обнаружил, что испарение Черной Дыры (т.е. излучение Хокинга) носит квантовый характер. Это позволило ему сделать вывод, что информация, попавшая в Черную дыру, не разрушается, а изменяется. Теория о том, что состояние дыры постоянно, верно, если рассматривать его с точки зрения неквантовой физики.

С учетом квантовой теории, вакуум наполнен «виртуальными» частицами, которые излучают разные физические поля. Сила излучения меняется постоянно. Когда она становится очень сильной, непосредственно из вакуума на горизонте событий (границе) Черной дыры могут родиться пары частица-античастица. Если полная энергия одной частицы оказывается положительной, а второй - отрицательной, если при этом частицы упали в Черную дыру, то они начинают вести себя по-разному. Отрицательная античастица начинает уменьшать энергию покоя Черной дыры, а положительная частица стремится в бесконечность.

Со стороны этот процесс выглядит как испарение, идущее из Черной дыры. Именно и носит название «излучение Хокинга». Ученый установил, что это «испарение» искаженной информации имеет собственный тепловой, видимый приборами, спектр, определенную температуру.

Излучение Хокинга, по мнению самого ученого, свидетельствует о том, что не вся информация теряется и навсегда исчезает в Черной дыре. Он уверен, что квантовая физика доказывает невозможность полного уничтожения или потери информации. А это значит, что такую информацию, пусть в измененном виде, содержит излучение Хокинга.

Если ученый прав, то прошлое и будущее Черных дыр можно исследовать так же, как историю других планет.

К сожалению, мнение о возможности путешествия через время или в другие вселенные при помощи Черных дыр. Наличие излучения Хокинга доказывает, что любой объект, упавший в дыру, вернется в нашу Вселенную в виде измененной информации.

Не все ученые разделяют убеждения британского физика. Однако оспаривать их они тоже не решаются. Сегодня весь мир ждет новых публикаций Хокинга, в которых он обещал подробно и доказательно подтвердить объективность своей перевернувшей научный мир теории.

Тем более что ученым удалось получить излучение Хокинга в лабораторных условиях. Это произошло в 2010 г.

Преимущественно фотонов , 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 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

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 корреляции говорят о том, что частицы оказываются квантово запутанными.

Поскольку квантовая механика не играет никакой роли в общей теории относительности Эйнштейна, решение Шварцшильда для чёрных дыр основывается исключительно на классической физике. Однако надлежащее рассмотрение вещества и излучения - таких частиц, как фотоны, нейтрино и электроны, которые могут переносить массу, энергию и энтропию из одного места в другое - требует привлечения квантовой механики. Чтобы в полной мере оценить природу чёрных дыр и разобраться, как они взаимодействуют с веществом и излучением, необходимо продлить решение Шварцшильда в квантовую область. Это нелегко. Несмотря на достижения теории струн (а также других подходов, которых мы не коснулись, таких как петлевая квантовая гравитация, твисторы, теория топосов), мы по-прежнему находимся на начальном уровне в наших попытках совместить квантовую физику и теорию гравитации. А в далёких 1970-х было ещё меньше теоретических оснований для понимания того, как квантовая механика может влиять на гравитацию.

Однако были физики, которые работали в этом направлении и которым удалось добиться частичного объединения квантовой механики и общей теории относительности, рассмотрев распространение квантовых полей (квантовая часть) в фиксированной, но искривлённой пространственно-временной среде (гравитационная часть). Как было указано в главе 4, полное объединение должно, как минимум, содержать рассмотрение не только квантовых флуктуаций полей на пространстве-времени, но также квантовых флуктуаций самого пространства-времени. Простоты ради это усложнение не учитывалось в первых работах. Хокинг воспользовался частичным объединением и рассмотрел, как квантовые поля будут вести себя в очень особой области пространства-времени - в окрестности чёрной дыры. То, что он обнаружил, поразило физиков до глубины души.

Хорошо известное свойство квантовых полей в обычном, пустом, неискривлённом пространстве-времени состоит в том, что из-за квантовых флуктуаций парам частиц, например электрону и его античастице, позитрону, позволяется мгновенно возникнуть из ничего, немножко пожить, после чего столкнуться друг с другом, и в результате взаимно аннигилировать. Этот процесс, квантовое рождение пары , интенсивно изучался как теоретически, так и экспериментально, и был разобран со всех сторон.

Новой характеристикой квантового рождения пары является то, что если один партнёр имеет положительную энергию, то из закона сохранения энергии следует, что другой партнёр должен обладать тем же количеством отрицательной энергии - понятие, которое не имеет смысла в классической вселенной.Однако, благодаря принципу неопределённости имеется своеобразная лазейка, позволяющая частицам иметь отрицательную энергию, при условии, что возникнув, они не сильно долго будут злоупотреблять гостеприимством. Если частица существует лишь мимолётно, то квантовая неопределённость говорит, что никакому эксперименту не хватит времени, даже в принципе, определить знак её энергии. Именно такова основная причина, почему пара частиц обречена квантовыми законами на быструю аннигиляцию. Поэтому при квантовых флуктуациях пары частиц беспрестанно рождаются и аннигилируют, рождаются и аннигилируют, на фоне неизбежной непрекращающейся игры квантовой неопределённости в пространстве, которое иначе оставалось бы пустым.

Хокинг заново рассмотрел вездесущие квантовые флуктуации, но не в пустом пространстве, а вблизи горизонта событий чёрной дыры. Он обнаружил, что часто всё выглядит как обычно. Пары частиц образуются случайным образом; быстро находят друг друга; после чего аннигилируют. Но время от времени происходит нечто новое. Если частицы образуются достаточно близко к краю чёрной дыры, то одну из них может затянуть внутрь, а другая улетит в пространство. В отсутствии чёрной дыры такого никогда не происходит, потому что, если частицы не аннигилируют друг с другом, то частица с отрицательной энергией сможет пробиться сквозь защитную рябь квантовой неопределённости. Хокинг осознал, что столь радикальное закручивание пространства и времени чёрной дырой может привести к тому, что частицы, обладающие отрицательной энергией с точки зрения наблюдателя снаружи чёрной дыры, окажутся частицами с положительной энергией для несчастного наблюдателя внутри неё. Таким образом, чёрная дыра предоставляет частицам с отрицательной энергией надёжное убежище, поэтому нужда в квантовой маскировке отпадает. Возникшие частицы могут избежать взаимной аннигиляции и заявить о своей независимой жизни.104

Частицы с положительной энергией летят наружу от горизонта событий, поэтому издалека они выглядят как некое излучение, получившее название излучение Хокинга . Частицы с отрицательной энергией поглощаются чёрной дырой, поэтому их нельзя непосредственно наблюдать, однако их можно обнаружить косвенным способом. Подобно тому как масса чёрной дыры растёт при поглощении всего, что обладает положительной энергией, она также уменьшается при поглощении всего, что имеет отрицательную энергию. Эти два процесса в совокупности делают чёрную дыру похожей на кусок горящего угля: чёрная дыра беспрестанно излучает направленный наружу поток излучения по мере того как её масса уменьшается.105 То есть, если добавить квантовую механику, то чёрные дыры перестают быть абсолютно чёрными. Открытие Хокинга было как гром среди ясного неба.

Однако это вовсе не означает, что типичная чёрная дыра нагрета до красного свечения. По мере того как поток частицы летит от чёрной дыры, он должен преодолевать невероятное сопротивление со стороны её гравитационного притяжения. На это частицы тратят свою энергию и поэтому значительно остывают. Хокинг вычислил, что наблюдатель, находящийся достаточно далеко от чёрной дыры, обнаружит, что температура остаточного «утомлённого» излучения обратно пропорциональна массе чёрной дыры. Огромная чёрная дыра, подобная находящейся в центре нашей Галактики, имеет температуру менее триллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Чёрная дыра с массой Солнца будет иметь температуру меньше чем миллионная доля градуса, даже меньше, чем температура в 2,7 градуса реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Чтобы температура чёрной дыры была достаточно высока, чтобы приготовить барбекю для всей семьи, её масса должна быть примерно в десять тысяч раз больше массы Земли, а это экстраординарно малая величина в космических масштабах.

Однако само значение температуры чёрной дыры не столь важно. Хотя излучение, идущее от удалённых астрофизических чёрных дыр, не сможет осветить ночное небо, тот факт, что они действительно имеют температуру, что они действительно излучают, означает, что эксперты поспешили отбросить гипотезу Бекенштейна о том, что чёрные дыры действительно обладают энтропией. Хокинг великолепно справился с этой задачей. Его теоретические вычисления, определяющие температуру данной чёрной дыры и испускаемого ею излучения, дали все необходимые данные для определения количества энтропии, которую, согласно стандартным законам термодинамики, должна иметь чёрная дыра. Полученный ответ оказался пропорционален площади поверхности чёрной дыры, как и предполагал Бекенштейн.

Итак, к концу 1974 года Второй закон вновь стал законом. Открытия Бекенштейна и Хокинга выявили, что в любой ситуации полная энтропия возрастает, если при этом учитывать не только энтропию обычного вещества и излучения, но также и находящуюся внутри чёрных дыр и определяемую площадью их полной поверхности. Вместо того чтобы быть стоком для энтропии и приводить к нарушению Второго закона, чёрные дыры играют активную роль в исполнении этого закона во вселенной с постоянно увеличивающимся беспорядком.

Это заключение вызвало долгожданное облегчение. Для многих физиков Второй закон, основанный на казалось бы неоспоримых статистических рассуждениях, стал священным как практически никакой другой в науке. Его воскрешение означало, что с этим миром опять всё в порядке. Но со временем появилась небольшая, но первостепенно важная запись в бухгалтерской книге энтропии, которая показала, что вопрос о справедливости Второго закона не является самым приоритетным. Эта честь досталась задаче о месте хранения энтропии , задаче, важность которой станет очевидной, когда мы выявим глубокую связь между энтропией и центральной темой этой главы - информацией.

Следуя общей теории относительности, существование черных дыр подразумевает простой факт: как только любой объект попадает за горизонт событий, в сердце черной дыры, возврата уже нет. Гравитационная сила этих областей настолько велика, что даже свет — самое быстрое явление во Вселенной — не может развить скорость, необходимую для преодоления притяжения. Следовательно, черные дыры не порождают и электромагнитное излучение. Однако в 1974 году молодой Стивен Хокинг предположил, что какое-то излучение все-таки существует. Звучит парадоксально? Все дело в квантовой механике.

Излучение Хокинга

Это теоретическое излучение получило название «излучение Хокинга». Грубо — очень грубо — можно сказать, что оно возникает как излучение в результате температуры самой черной дыры, которая обратно пропорциональна ее массе. Если его удастся обнаружить — то это будет значить, что черные дыры рассеиваются, пусть и чрезвычайно медленно. Однако, согласно математическим расчетам, это излучение слишком слабое, чтобы его могли зарегистрировать современные приборы.

Что можно сделать? Попытаться воссоздать в лаборатории имитацию черной дыры. Не волнуйтесь, это не вызовет схлопывания пространства: ученые могут имитировать такие явления с помощью жидкости и звуковых волн внутри специальных резервуаров, из конденсатов Бозе-Эйнштейна или из света внутри оптоволокна. Физик Ульф Леонхардт на страницах журнала Physics World поясняет, что «излучение Хокинга встречается гораздо чаще, чем мы предполагали. Вероятно, оно возникает всякий раз, когда создается горизонт событий — будь то астрофизика или свет в оптических материалах, волны жидкости и даже ультрахолодные атомы».

Очевидно, что на нашей планете невозможно создать такую же мощную гравитацию, как внутри черных дыр (и спасибо за это). При этом математические измерения аналогичны той математике, что описывает черные дыры в общей теории относительности. В качестве итогового экспериментального метода команда исследователей выбрала оптоволоконную систему, разработанную Леонхардтом несколько лет назад.

Как это работает

Внутри оптического волокна существуют микроскопические узоры, играющие роль своеобразного канала. Когда свет входит в волокно, то он слегка замедляется. Для создания аналога горизонта событий по волокну пускают два очень быстрых импульса лазерного излучения разных цветов. Первый мешает второму, в результате чего и возникает эффект горизонта событий, наблюдаемый как изменение показателя преломления волокна.

Осуществив это, команда использовала дополнительное световое излучение, что привело к увеличению интенсивности излучения с отрицательной частотой. Говоря проще, «негативный» свет черпал энергию прямо из горизонтов событий — признак, который говорит об успешной симуляции излучения Хокинга.

Доказали или все-таки нет?

Несмотря на то, что результат был успешным, конечной частью исследования является излучение не вынужденного, а спонтанного излучения Хокинга. Вынужденное — как в случае этого эксперимента — требует внешнего электромагнитного воздействия, в то время как излучение Хокинга, исходящее от черной дыры, будет спонтанным, то есть без стимуляции извне.

Другое важное обстоятельство заключается в том, что невозможно в точности воссоздать в лабораторной среде условия вблизи горизонта событий. К примеру, в данном случае нельзя быть на 100% уверенным, что излучение не было создано в результате самого эксперимента, хотя ученые и уверены в обратном.

В любом случае, у команды появилась еще одна загадка — оказалось, что полученный результат не совпадает с тем, что ожидали исследователи. «На бумаге наши расчеты показывают, что излучение Хокинга должно быть более сильным чем то, что мы наблюдали в итоге», отметил Леонхардт.