Излучение Хокинга
Физик Хади Годазгар о Большом взрыве, излучении черных дыр и информационном парадоксе Хокинга.
Хади Годазгар — PhD, Research Fellow, King's College and DAMTP, University of Cambridge.
Излуче́ние Хо́кинга — гипотетический процесс излучения чёрной дырой разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов; назван в честь Стивена Хокинга. Излучение Хокинга — главный аргумент учёных относительно распада (испарения) небольших чёрных дыр, которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на Большом Адронном коллайдере. На этом эффекте основана идея сингулярного реактора — устройства для получения энергии из чёрной дыры за счёт излучения Хокинга.
Что происходит после коллапса звезды? Как квантовая физика описывает излучение, которое исходит от черной дыры? Что происходит с черной дырой, когда она сокращается? На эти и другие вопросы ответил исследователь Кембриджского университета Хади Годазгар в рамках проекта Serious Science, созданного командой ПостНауки.
Излучение Хокинга — это феномен, связанный с черными дырами. Черные дыры — это особенные объекты в природе. Чтобы описать черные дыры, представьте, что стоите на поверхности Земли и подпрыгиваете. Вы подпрыгиваете вверх и затем приземляетесь обратно, потому что гравитация притягивает вас обратно к Земле. Представьте, что вы подпрыгиваете еще сильнее и с большей скоростью. Вы подпрыгните выше, но все равно вернетесь на поверхность. Есть определенная скорость, которая называется второй космической скоростью, и если вы подпрыгните на этой скорости, то вы преодолеете гравитацию Земли и попадете в космическое пространство. Так делают ракеты, например. На этой скорости или выше вы покинете планету. Но есть определенный объект, который называется черная дыра. Скорость, с которой вы должны подпрыгнуть, или скорость, которую вы должны задать на своей ракете, выше, чем скорость света. Это называется черной дырой. Люди говорят, что даже свет не может покинуть черную дыру.
Так что такое излучение Хокинга? Представьте, что есть черная дыра. Излучение Хокинга означает, что ничего не исходит из черной дыры, но, если вы посмотрите со стороны квантовой физики, черные дыры излучают радиацию. Они излучают энергию, и это излучение Хокинга. Я говорил, что ничего не исходит из черных дыр, но сейчас говорю, что что-то может исходить из них. Где объяснение излучения Хокинга? Объяснение в том, что в квантовой физике вы можете описать энергию частиц, и, прежде чем звезда разрушится, есть один вид описания энергии. Когда звезда разрушается и формирует черную дыру, пространство меняется. Это уже не то пространство, которое было. Звезда превращается в черную дыру, и это значит, что то, что вы имеете в виду под энергией, тоже отличается от энергии частиц до формирования черной дыры. И это соотношение энергии до коллапса звезды и энергии после коллапса и есть то, что дает излучение Хокинга.
Черные дыры обладают температурой и излучают энергию. Когда они излучают энергию, они становятся меньше, потому что энергия сохраняется. Черная дыра с изначальной массой постепенно сокращается, но мы не знаем, что происходит в итоге. Черная дыра становится такой маленькой, что мы не можем использовать метод аппроксимации. Но один из сценариев — черные дыры исчезают.
Рекомендуем по этой теме:
Ученым в 2014 году удалось воспроизвести имитацию излучения Хокинга.
Джефф Штайнхауэр, физик Израильского технологического института, придумал эксперимент для имитации излучения Хокинга в условиях лаборатории.
С точки зрения теории Эйнштейна, черная дыра является бесконечно плотным объектом с практически абсолютной гравитацией, из-за чего ни одна частица не может покинуть горизонт событий — некую условную границу, за пределы которой не может выйти даже свет. Квантовая механика, однако, утверждает, что существование таких объектов противоречит фундаментальным законам Вселенной. Знаменитый ученый Стивен Хокинг разработал собственную модель, объясняющую природу черных дыр и их взаимодействия со Вселенной, в рамках которой существует так называемое излучение Хокинга: поток частиц, периодически покидающий пределы черной дыры. Именно благодаря этому явлению существование черных дыр становится приемлемым для квантовой механики.
Чтобы воспроизвести излучение Хокинга, ученые создали в лаборатории модель черной дыры, улавливание звуковых волн в которой происходит при помощи ледяной жидкости. Излучение Хокинга опирается на основной принцип квантовой теории: за короткий период времени могут происходить крупные колебания энергии, а значит, космический вакуум является наполненным частицами и античастицами, которые быстро появляются и исчезают, аннигилируя при столкновении друг с другом. Однако на горизонте событий черной дыры аннигиляции не происходит: из пары частица-античастица та, что оказывается ближе к черной дыре, падает в нее, а другая выбрасывается обратно в космос. До сих пор никто не мог осуществить экспериментальное подтверждение теории Хокинга, поскольку понаблюдать за сверхмассивными космическими объектами вблизи не представляется возможным.
Штайнхауэр с коллегами провел опыт, в рамках которого использовал облако из атомов рубидия, охлажденных до менее чем одной миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. При таких температурах атомы плотно упакованы и ведут себя как единый жидкий квантовый объект, которым легко манипулировать. Низкая температура также гарантирует, что жидкость, известная как конденсат Бозе-Эйнштейна, обеспечит бесшумную среду для прохождения звуковых волн, возникающих в ходе квантовых флуктуаций. Используя лазеры, физики заставили жидкое облако из холодных атомов рубидия течь быстрее скорости звука, а звуковые волны, идущие против течения, оказывались пойманными, то есть конденсат сыграл роль горизонта событий черной дыры. Пары звуковых волн, появляющиеся и исчезающие в лабораторном вакууме, имитировали пары частиц-античастиц и те волны, которые оказывались за пределами этого звукового горизонта, имитировали частицы, покидающие пределы черной дыры, то есть излучение Хокинга.
Для того чтобы сделать звуковые волны достаточно мощными, ученые создали второй горизонт событий внутри первого, регулируя жидкость таким образом, чтобы звуковые волны не могли пройти через второй горизонт и отскакивали от него назад. Когда звуковые волны сталкивались с внешним горизонтом событий, они создавали пары, усиливая излучение Хокинга настолько, чтобы эффект можно было уловить с помощью детекторов. Первое подтверждение существования черной дыры является, по словам ученых, важным шагом в экспериментальной космологии.