Излучение Хокинга

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск

Излуче́ние Хо́кингагипотетический 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 учеными 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]

Испарение чёрной дырыквантовый 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 черной дыры стационарно, правильно лишь в рамках обычной, не квантовой теории тяготения. Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле черная 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 возможен случай, когда полная энергия античастицы оказывается отрицательной, а полная энергия частицы — положительной. Падая в чёрную дыру, античастица уменьшает её полную энергию 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 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 $$T_{BH}={\hbar\,c^3\over8\pi k\,G M},$$

где \( \hbar\) — постоянная Планка, разделенная на \(2\pi\), cскорость света в вакууме, kпостоянная Больцмана, Gгравитационная постоянная, 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 черного 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.[3] и оспаривается рядом исследователей[4]

Обнаружение[править]

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, проведенного исследователями из Миланского университета(англ.)[6][7].

Интересные факты[править]

  • 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]

Примечания и ссылки[править]

  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. Retrieved 9 октября 2010.  Unknown parameter |datepublished= ignored (help); Check date values in: |accessdate= (help)
  8. "Ответы профессора Университетского колледжа Лондона Джонатан Батерворс на вопросы читателей bbcrussian.com о Большом адронном коллайдере". Archived from the original on 2011-08-22. 
  9. L. Crane «Possible Implications of the Quantum Theory of Gravity». — 1994.