Время жизни черной дыры



Испаряются ли черные дыры?

С точки зрения общей теории относительности, срок жизни, отпущенный черным дырам, бесконечно велик. Так считали много лет, пока британский физик Стивен Хокинг не исследовал их по законам квантовой механики (законы эти действуют в мире элементарных частиц). До тех пор не удавалось свести воедино общую теорию относительности и квантовую механику. И все же Хокинг попытался это сделать и столкнулся с поразительным эффектом. Он обнародовал свои выводы в 1975 году; попробуем о них рассказать.

Для физика вакуум – это нечто иное, чем пустота, чем ничто. В вакууме беспрерывно рождаются и гибнут элементарные частицы. Их называют виртуальными, поскольку они существуют лишь краткие мгновения. Виртуальные частицы всегда возникают попарно. Когда подобная пара частиц образуется в непосредственной близости от черной дыры, на границе горизонта событий, то под действием гравитации уже через 10—24 секунды эта пара распадается.


на из частиц исчезает в недрах черной дыры, а другая успевает ускользнуть. Получая энергию извне, эта частица из виртуальной становится реальной. Удаляясь от черной дыры, она только увеличивает свою энергию. Поток подобных частиц и называется «излучением Хокинга»; он позволяет обнаружить присутствие поблизости черной дыры. Первой же частице следует соответственно приписать отрицательную энергию. В таком случае, по знаменитому закону Эйнштейна (E = mc2), с ее появлением внутри черной дыры та не только теряет некоторое количество энергии, но и ее масса уменьшается на величину, исчисленную по этой формуле. Со стороны это выглядит так, словно черная дыра «испаряется», постепенно уменьшаясь в размерах. Гигантские черные дыры испускают в основном такие частицы, как фотоны и нейтрино. В спектре небольших черных дыр присутствуют и тяжелые частицы.

Время жизни черной дыры

Излучение Хокинга позволяет обнаружить присутствие черной дыры

Итак, черные дыры тоже убывают в размерах. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, например, черную дыру, что весит в три раза (всего в три раза!) больше нашего Солнца. Пройдет 1067 лет, прежде чем она испарится почти полностью. Что означает этот промежуток времени? Он примерно в 1057 раз превышает теперешний возраст Вселенной.

На месте черной дыры может остаться лишь крохотный, но стабильный сгусток размером порядка 10—33 сантиметра, что соответствует известной константе – так называемой длине Планка.
зможно, подобные «сгустки» – реликты бывших черных дыр – образуют новый, не известный науке тип элементарных частиц. Пока их существование не доказано, но ученые уже подобрали им многочисленные имена: «максимоны», «планкеоны», «информоны», «инфотоны» или «корнукопионы» (от английского cornucopia, «рог изобилия»).

Тогда же, в начале 1970-х годов, Стивен Хокинг первым предположил, что помимо громадных черных дыр, возникающих на месте взорвавшихся звезд, на ранней стадии развития Вселенной могли существовать и миниатюрные («примордиальные», как их еще называют) черные дыры. Они образовались сразу после Большого взрыва на тех участках пространства, где локальная плотность массы и энергии была необычайно высока. Согласно расчетам, через тысячную долю секунды после Большого взрыва плотность этих «сгустков» превышала плотность атомного ядра.

Анализ космического фонового излучения подтверждает, что такие флуктуации и впрямь появлялись. Это стало причиной зарождения звезд, галактик и, может быть, миниатюрных черных дыр. Не будь этих флуктуаций, вероятно, вещество и теперь было бы равномерно распределено во Вселенной.

Масса миниатюрных черных дыр, как показали расчеты, составляла в среднем 1018 граммов, или 10—15 солнечных масс. Это соответствует массе какой-нибудь земной горы. Радиус горизонта событий подобного объекта равнялся 10—12 метров. Таким образом, примордиальные черные дыры имели субатомарный размер.


Опять же, согласно расчетам, чем меньше масса черной дыры, тем быстрее та испаряется, поскольку сила ее притяжения не так велика и все больше и больше частиц улетучивается. При этом возрастает и ее температура. Миниатюрная черная дыра буквально пышет жаром. В конце концов она разогревается до температуры в несколько миллионов кельвинов. При ее испарении выделяется энергия, сопоставимая со взрывом нескольких миллионов водородных бомб. Продолжительность жизни миниатюрных дыр составляет около 13,5 миллиардов лет. Вполне возможно, что сейчас они одна за другой испаряются, и грандиозные гамма-вспышки, которые иногда наблюдают астрономы, – это живое свидетельство их испарения. Впрочем, доказать эту гипотезу пока не удалось.

Что же касается черных дыр, которые образовались на месте взорвавшихся звезд, то они, наоборот, очень холодные, а потому интенсивность их излучения мала, они медленно уменьшаются в размерах. Так, температура черной дыры, чья масса в 10 раз выше массы Солнца, составляет всего несколько миллиардных долей кельвина. Эта черная дыра значительно холоднее окружающего ее пространства (средняя температура в ее окрестностях – около 4 кельвинов). Она, очевидно, разогревается, увеличивая при этом свою массу. В итоге, как уже говорилось, продолжительность жизни такой черной дыры больше возраста самой Вселенной.


Итак, излучение Хокинга доказывает, что черные дыры все-таки не являются абсолютно черными. Еще в 1960-е годы некоторые физики пришли к выводу, что почти вся информация о теле, угодившем в черную дыру, теряется. Могут уцелеть лишь сведения о его массе, моменте количества движения и электрическом заряде.

«Эта потеря информации отнюдь не представляла собой проблемы для классической физики, – вспоминает Стивен Хокинг. – Согласно традиционным представлениям, черная дыра живет вечно, и можно предполагать, что информация сохранится в ее недрах, хотя и останется не очень-то доступной. Ситуация изменилась, когда я открыл, что черная дыра вследствие квантовых эффектов испускает излучение. Делая допустимое приближение, можно предположить, что это излучение является полностью тепловым, а значит, не может нести в себе никакой информации. Что же произойдет с той информацией, которая заключена в недрах черной дыры, когда та испарится и перестанет существовать?»

Если эта информация безвозвратно погибнет, значит, мир – в новейших прозрениях физиков – превратится в коварный хаос, где произойти может, что угодно, вопреки всяким правилам. Иными словами: не всякое конечное физическое состояние объекта будет однозначно соотноситься с его начальным состоянием.

Впоследствии появились гипотезы, согласно которым черные дыры все-таки должны содержать информацию о своих предшественниках – об объектах, из которых возникли. Излучение Хокинга может впитывать эту информацию и, рассеиваясь в пространстве, окружающем черную дыру, уносить ее с собой. Как заявил Хокинг: «Это позволит нам сделать вывод, что сохраняется и информация, попавшая в недра черной дыры; она оказывается на бесконечно далеком расстоянии от нее».


Бесконечность, в рассуждениях Хокинга принимающая все, что вырвалось из недр черной дыры, тем и хороша, что в ней можно не учитывать влияние самой черной дыры. Там на поведении частиц, излучаемых этой дырой, никак не сказываются флуктуации пространства-времени, создаваемые ей. Там классическая теория сохраняет свои права. С такой же убедительностью можно сказать, что и человек – сгусток информации, исчезающий в черной дыре смерти, – сохраняется на бесконечно далеком расстоянии от нее, от себя прежнего.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Источник: info.wikireading.ru

Согласно наиболее популярной теории эволюции Вселенной, смерть последней будет холодной. Звезды догорят, останутся лишь массивные черные дыры, но и они в конце концов испарятся. Мысль о том, что черные дыры могут рассеиваться, была высказана Стивеном Хокингом, по мнению которого при определенных условиях черные дыры излучают элементарные частицы, по большей части фотоны. Но тут может возникнуть вполне закономерные вопросы. Если черные дыры могут испаряться, означает ли это, что запертая в них материя покидает сингулярность? И вообще, что происходит при этом с самой сингулярностью?


Прежде чем давать ответ на поставленные вопросы, следует напомнить, что представляет собой черная дыра. По сути, это звезда, но такая массивная, что под действием нарастающих сил гравитации вся материя в ней устремляется к центру, образуя сингулярность — точку, в которой метрические величины стремятся к бесконечности. Обычно черные дыры образуются вследствие коллапсирования тяжелых нейтронных звезд, впрочем, черной дырой может стать любое тело, сжатое до критически малого объема. Ее гравитация настолько сильна, что оказавшаяся вблизи нее материя будет поглощена сингулярностью, причем при достижении горизонта событий частицы достигнут скорости света.

Это означает, что ни частицы материи, ни излучение, оказавшись по ту сторону горизонта событий, не смогут вернуться, ведь для этого им бы пришлось двигаться быстрее скорости света, а это невозможно.

Но если это так, каким образом черные дыры могут терять массу и испаряться?

С точки зрения Хокинга, процесс испарения черных дыр обуславливается взаимодействием виртуальных частиц, которые, оказавшись в непосредственной близости от горизонта событий не аннигилируют, а растягиваются в противоположных направлениях под действием мощной силы гравитации. При этом одна частица «улетает» в космос, а другая, имеющая отрицательную энергию, оказывается поглощена черной дырой.


В результате черная дыра отдает энергию, равную той, которой обладает «отрицательная» частица. Если таких частиц окажется много, коллапсар потеряет свою энергию и в конце концов испарится. Некоторое время эта теория в ее примитивном представлении пользовалась такой популярностью, что ее приняли на веру даже некоторые физики. Результатом такого недопонимания связи частиц Хокинга с гравитацией стал вывод о невозможности существования самих черных дыр, что было проиллюстрировано на примере исследований профессора Лоры Мерсини-Хоутон из университета Северной Каролины . Но черные дыры существуют, следовательно, испарение должно объясняться иными причинами. В общем, так оно и есть.

Если в расчеты взять квантовую физику, все становится на свои места

Согласно квантовой теории, энергия неотделима от пространства, которая ему присуща по определению. Этот феномен именуется квантовым вакуумом. Так вот, этот самый квантовый вакуум в искаженном пространстве черной дыры ведет себя совершенно иначе, чем в пространстве плоском. Излучение черного тела в область пространства, окружающего сферу Шварцшильда вполне реально, квантовая теория поля это вполне допускает. Чем меньше радиус горизонта событий, тем более выраженное искривление имеет пространство вокруг него, а чем сильнее оно искривлено, тем сильнее проявляет себя излучение Хокинга. Это вполне объясняет, почему небольшие черные дыры испаряются быстрее, чем массивные.


Интересно, что черная дыра будет сохранять свои свойства до самого конца, вплоть до того момента, когда ее масса станет нулевой. По расчетам, в последнюю секунду существования черной дыры ее масса составит всего 228 тонн, а размер сферы Шварцшильда — ничтожные 340 йоктометров. Смерть черной дыры ознаменуется мощным взрывом с выбросом энергии равной той, которая была бы выделена при взрыве 5 триллионов тонн тротила. Все, что было поглощено черной дырой за время ее существования, будет «переработано» в чистую энергию и выплеснуто в окружающее пространство в виде излучения. Что после этого останется? Почти ничего, если не считать остатков уходящего излучения, остывающего в бездонной пустоте темного мертвого космоса.

Источник: ucrazy.ru

Согласно наиболее популярной теории эволюции Вселенной, смерть последней будет холодной. Звезды догорят, останутся лишь массивные черные дыры, но и они в конце концов испарятся. Мысль о том, что черные дыры могут рассеиваться, была высказана Стивеном Хокингом, по мнению которого при определенных условиях черные дыры излучают элементарные частицы, по большей части фотоны. Но тут может возникнуть вполне закономерные вопросы. Если черные дыры могут испаряться, означает ли это, что запертая в них материя покидает сингулярность? И вообще, что происходит при этом с самой сингулярностью?


Источник изображения: interestingengineering.com

Прежде чем давать ответ на поставленные вопросы, следует напомнить, что представляет собой черная дыра. По сути, это звезда, но такая массивная, что под действием нарастающих сил гравитации вся материя в ней устремляется к центру, образуя сингулярность — точку, в которой метрические величины стремятся к бесконечности. Обычно черные дыры образуются вследствие коллапсирования тяжелых нейтронных звезд, впрочем, черной дырой может стать любое тело, сжатое до критически малого объема. Ее гравитация настолько сильна, что оказавшаяся вблизи нее материя будет поглощена сингулярностью, причем при достижении горизонта событий частицы достигнут скорости света.

Это означает, что ни частицы материи, ни излучение, оказавшись по ту сторону горизонта событий, не смогут вернуться, ведь для этого им бы пришлось двигаться быстрее скорости света, а это невозможно.


Но если это так, каким образом черные дыры могут терять массу и испаряться?

С точки зрения Хокинга, процесс испарения черных дыр обуславливается взаимодействием виртуальных частиц, которые, оказавшись в непосредственной близости от горизонта событий не аннигилируют, а растягиваются в противоположных направлениях под действием мощной силы гравитации. При этом одна частица «улетает» в космос, а другая, имеющая отрицательную энергию, оказывается поглощена черной дырой.

Источник изображения: space.com

В результате черная дыра отдает энергию, равную той, которой обладает «отрицательная» частица. Если таких частиц окажется много, коллапсар потеряет свою энергию и в конце концов испарится. Некоторое время эта теория в ее примитивном представлении пользовалась такой популярностью, что ее приняли на веру даже некоторые физики. Результатом такого недопонимания связи частиц Хокинга с гравитацией стал вывод о невозможности существования самих черных дыр, что было проиллюстрировано на примере исследований профессора Лоры Мерсини-Хоутон из университета Северной Каролины . Но черные дыры существуют, следовательно, испарение должно объясняться иными причинами. В общем, так оно и есть.

Если в расчеты взять квантовую физику, все становится на свои места

Согласно квантовой теории, энергия неотделима от пространства, которая ему присуща по определению. Этот феномен именуется квантовым вакуумом. Так вот, этот самый квантовый вакуум в искаженном пространстве черной дыры ведет себя совершенно иначе, чем в пространстве плоском. Излучение черного тела в область пространства, окружающего сферу Шварцшильда вполне реально, квантовая теория поля это вполне допускает. Чем меньше радиус горизонта событий, тем более выраженное искривление имеет пространство вокруг него, а чем сильнее оно искривлено, тем сильнее проявляет себя излучение Хокинга. Это вполне объясняет, почему небольшие черные дыры испаряются быстрее, чем массивные.

Источник изображения: reserchfeatures.com

Интересно, что черная дыра будет сохранять свои свойства до самого конца, вплоть до того момента, когда ее масса станет нулевой. По расчетам, в последнюю секунду существования черной дыры ее масса составит всего 228 тонн, а размер сферы Шварцшильда — ничтожные 340 йоктометров. Смерть черной дыры ознаменуется мощным взрывом с выбросом энергии равной той, которая была бы выделена при взрыве 5 триллионов тонн тротила. Все, что было поглощено черной дырой за время ее существования, будет «переработано» в чистую энергию и выплеснуто в окружающее пространство в виде излучения. Что после этого останется? Почти ничего, если не считать остатков уходящего излучения, остывающего в бездонной пустоте темного мертвого космоса.

Источник: zen.yandex.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.