Что такое излучение Хокинга?

Излучение Хокинга - это тепловое излучение, спонтанно испускаемое черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи их горизонта событий. Постепенно уменьшается энергия вращения и масса черных дыр. Тем не менее, это просто теория; такого излучения еще не наблюдалось.

В 1974 году Стивен Хокинг потряс мир физики, показав, что черные дыры могут испускать субатомные частицы, пока они не исчерпают свою энергию и не испарятся полностью.

До этого черные дыры, как правило, считались идеальными черными объектами, из которых никакие частицы и излучение не могут вырваться. Однако статья Хокинга под названием «Создание частиц черными дырами» (опубликованная в 1975 году) дала совершенно новую перспективу для изучения черных дыр.

Что такое излучение Хокинга? (Объясняется простыми словами)

Принимая во внимание квантовую теорию поля, Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение, известное как излучение Хокинга, вблизи своего горизонта событий.

С точки зрения непрофессионалов, излучение Хокинга - это тепловое излучение, которое спонтанно испускается черными дырами. Оно постепенно уменьшает энергию вращения и массу черных дыр. Таким образом, неактивные черные дыры (не потребляющие вещества), как ожидается, уменьшатся и в конце концов исчезнут. Этот процесс также называется испарением чёрных дыр.

Излучение Хокинга было спорным открытием, но к концу 1970-х годов оно было широко признано как крупный прорыв в теоретической физике.

Небольшое отступление

В начале 1970-х годов исследования, проведенные Джеймсом Бардином, Стивеном Хокингом и другими физиками, привели к формулировке термодинамики черной дыры, в которой можно исследовать поведение черной дыры, связывая площадь с энтропией, массу с энергией и поверхностную гравитацию с температурой.

Хокинг, используя много математики, объединил идеи как из теории относительности Эйнштейна, так и из квантовой механики. В то время как теория относительности описывает гравитацию в областях большого масштаба и большой массы (галактики, звезды), квантовая механика фокусируется на невесомости в областях малого масштаба и малой массы (молекулы, атомы).

Ученые десятилетиями пытались объединить эти две основные теории: они пытались разработать теорию всего, что могло бы полностью объяснить и связать воедино все физические аспекты вселенной.

Оказывается, обе теории вступают в игру на горизонте событий "черной дыры" - границе, за которой ничто не может уйти (даже свет).

Стивен Хокинг использовал квантовую теорию поля, чтобы показать, что черные дыры должны излучать как черное тело. И подобно многим другим объектам в нашей Вселенной, черные дыры сжимаются и умирают. Его расчеты показали, что как вращающиеся, так и невращающиеся черные дыры испускают излучение. Он даже превратил свои находки в небольшой совет:

"Если ты чувствуешь, что находишься в черной дыре, не сдавайся. Здесь есть выход".- Стивен Хокинг на публичной лекции в Стокгольме, Швеция.

Как работает излучение Хокинга?

Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной.

Эти пары частица-античастица также создаются рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга.

Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы "поднимаются" под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы.

Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра только что выпустила частицу, потеряв свою массу.

Это явление также можно рассматривать как эффект квантового туннелирования, в котором пара (частицы и античастица) образуется из вакуума и одного из парных туннелей за пределами горизонта событий.

Информационный парадокс черной дыры

Основное различие между тепловым излучением, испускаемым черным телом, и излучением черной дыры (по оценке Хокинга) заключается в том, что первое является статистическим по своей природе.

Тепловое излучение несет информацию о теле своего источника, тогда как излучение Хокинга, по-видимому, не несет такой информации: оно зависит исключительно от массы, заряда и углового момента черной дыры.

Так что же происходит с веществом, поглощенным черными дырами? Согласно нашему пониманию общей теории относительности, информация уничтожается. Но если бы это было так, то это нарушило бы законы квантовой механики.

Эта головоломка называется информационным парадоксом черной дыры.

В 2015 году Стивен Хокинг представил идею о том, как этот парадокс может быть решен. Он предположил, что информация на самом деле хранится не внутри черной дыры, а на ее границе – горизонте событий.

Информация хранится в виде суперпереводов, голограммы входящих частиц. Это выпущено в квантовых колебаниях, которые создают черные дыры, хотя в бесполезной, хаотической форме.

Излучение Хокинга - медленный процесс

Температура излучения Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры. Поэтому более мелкие черные дыры испускают больше излучения и рассеиваются быстрее, чем более крупные.

Расчеты показывают, что для испарения черной дыры с одной массой Солнца потребуется 10 ⁶⁷ лет; сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути потребует 10 ⁸⁷ лет, а еще более массивные во Вселенной могут занять 10 ¹⁰⁰ лет.

Экспериментальные наблюдения

В 2008 году НАСА запустило космическую обсерваторию под названием Fermi Gamma-ray Space Telescope, которая в настоящее время ищет испаряющиеся первичные микро-черные дыры из их предполагаемого излучения Хокинга.

Ученые считают, что микро-черные дыры могут быть экспериментально созданы в искусственной среде на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. В случае успеха они могут наблюдать испарение черной дыры, а также подтвердить некоторые теоретические предсказания теории суперструн относительно гравитации.

Источник: new-science.ru