Астрофизика. Часть 3⁠⁠

Всем привет! Сегодня 3 часть астрофизики. Тема-вопрос сегодня:

Что происходит, когда гравитация все-таки побеждает и сминает пространство в Чёрную дыру?

Обыватель знает про черные дыры одно: это космический пылесос, оттуда ничего не может вылететь, даже свет. Физика до 1970-х годов думала точно так же. Но потом пришел Стивен Хокинг, соединил квантовую механику с Общей теорией относительности и заявил:

Черные дыры на самом деле светятся и медленно испаряются.

Сегодня мы разберем этот безумный парадокс, заглянем в кипящий квантовый вакуум и поймем, почему черные дыры нарушают законы термодинамики.

ГЛАВА 1. ВАКУУМ - ЭТО НЕ ПУСТОТА

Чтобы понять, как черная дыра может что-то излучать, нам придется спуститься на самый микроскопический уровень реальности. Нам со школы говорили, что вакуум в космосе - это абсолютная пустота, где ничего нет.

Но Квантовая теория поля говорит: нет, вакуум бешено кипит.

Из-за принципа неопределенности Гейзенберга энергия в пространстве не может быть строго равна нулю. Вакуум постоянно флуктуирует. В нем каждую наносекунду из ничего рождаются пары виртуальных частиц и античастиц (например, электрон и позитрон). Они появляются на мгновение, тут же сталкиваются друг с другом (аннигилируют) и исчезают обратно в небытие, возвращая энергию пространству.

Этот процесс происходит триллионами миллиардов раз везде вокруг нас - прямо сейчас в вашей комнате и в глубоком космосе. Вселенная постоянно берет энергию в долг у квантового поля и тут же её возвращает.

ГЛАВА 2. КВАНТОВОЕ ОГРАБЛЕНИЕ НА КРАЮ БЕЗДНЫ

А теперь представьте, что эта кипящая пара виртуальных частиц рождается не в пустом космосе, а строго на горизонте событий черной дыры - на той самой невидимой границе, откуда уже нет возврата.

Происходит следующее:

• Пара частиц разлетается в разные стороны.

• Одна частица успевает пересечь горизонт событий и падает внутрь черной дыры.

• Вторая частица остается снаружи, в нашем обычном мире!

Поскольку первая частица улетела за точку невозврата, они больше не могут встретиться и аннигилировать. Квантовый долг Вселенной оказывается нарушен: частица снаружи из виртуального призрака внезапно превращается в реальную, осязаемую частицу нашего мира и улетает в космос в виде излучения!

Но откуда Вселенная берет энергию, чтобы сделать эту частицу реальной? Она забирает её у самой черной дыры!

Математически получается, что частица, упавшая внутрь черной дыры, обладает отрицательной энергией с точки зрения внешнего наблюдателя. Она падает на дыру и уменьшает её массу. Это и называется Излучением Хокинга. Черная дыра буквально платит своей собственной массой за то, чтобы родить частицу в наш мир.

ГЛАВА 3. СМЕРТЕЛЬНЫЙ ФИНАЛ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

Самая интересная часть излучения Хокинга заключается в его термодинамике. В нашей обычной жизни чем больше объект, тем больше тепла он излучает. У черных дыр всё работает шиворот-навыворот.

Чем меньше и худее становится черная дыра, тем сильнее она нагревается и тем быстрее начинает испаряться.

• Гигантская черная дыра массой с три Солнца имеет температуру в ничтожные доли Кельвина (она холоднее окружающего космоса) и будет испаряться квадриллионы лет.

• Но если взять микроскопическую черную дыру размером с атом (какие могли рождаться в первые секунды Большого взрыва), её температура будет исчисляться миллиардами градусов.

В самом конце своей жизни, когда масса черной дыры падает до критического минимума, процесс испарения превращается в лавину. В последнюю наносекунду своего существования черная дыра выдает колоссальный ядерный взрыв, полностью исчезая из нашей Вселенной и выбрасывая в космос финальный каскад жесткого рентгеновского излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Излучение Хокинга - это важнейшая веха в физике, потому что это был первый раз, когда ученым удалось заставить ОТО Эйнштейна (науку о больших объектах) работать вместе с Квантовой механикой (наукой о микромире). Оказывается, даже самые страшные монстры Вселенной, способные пожирать галактики, абсолютно бессильны перед микроскопическим кипением квантового вакуума. Природа всегда находит баланс.

Пост написан мной. Пишите в комментарии, знали ли вы, что черные дыры могут взрываться в конце своей жизни? Всем удачи!