Что такое излучение Хокинга? Самое простое объяснение⁠⁠

Черные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться из их гравитационных "объятий". Десятилетиями ученые считали, что это абсолютная крайность природы — объекты, которые только поглощают, но никогда ничего не отдают, вечные ловушки для материи и энергии.

Именно так все и выглядело, пока в этой, казалось бы, идеальной концепции не появилась трещина. В 1974 году великий физик-теоретик Стивен Хокинг сделал ошеломляющее заявление: черные дыры не вечны. Они медленно испаряются, испуская энергию, которую сегодня называют излучением Хокинга.

Квантовый взгляд на пустоту

Чтобы понять природу излучения Хокинга, нужно сперва принять удивительный факт: в физике вакуум — это вовсе не абсолютная пустота. На квантовом уровне пространство бурлит энергией. Постоянно, повсюду во Вселенной, из ничего возникают и тут же исчезают пары частиц — частица и ее античастица. Они появляются буквально из вакуума, на ничтожно короткое время, а затем аннигилируют друг с другом, вновь превращаясь в чистую энергию.

Физики называют эти пары "виртуальными частицами", а сам процесс — квантовыми флуктуациями вакуума. В обычных условиях мы не можем наблюдать эти частицы, потому что они существуют лишь мгновение.

Когда виртуальное становится реальным

Теперь представьте, что такая пара частиц возникла прямо на границе черной дыры — на горизонте событий. В этом случае может произойти нечто удивительное: одна из частиц падает внутрь черной дыры, а вторая успевает "убежать" и становится реальной, наблюдаемой частицей, улетающей в космос.

Но здесь возникает проблема с сохранением энергии. Виртуальные частицы заимствуют энергию из вакуума и должны быстро вернуть ее, аннигилировав. Когда же пара разделяется и одна частица улетает, общий энергетический баланс будто бы нарушается.

Решение этой проблемы — ключевой момент открытия Хокинга: черная дыра "платит" за улетающую частицу своей собственной массой. То есть, она теряет крошечное количество энергии, которая, согласно уравнению Эйнштейна E=mc², эквивалентна небольшому количеству массы.

Температура черной дыры

Излучаемые частицы образуют вокруг черной дыры нечто вроде теплового излучения. Это означает, что у черной дыры есть температура — еще одно революционное следствие теории Хокинга. Раньше считалось, что черные дыры абсолютно холодные, ведь из них ничто не может выйти. Хокинг доказал обратное.

Правда, эта температура чрезвычайно низкая. Например, сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центре Млечного Пути, имеет температуру около 10^-14 кельвинов — это намного ниже температуры реликтового излучения* Вселенной (2,7 К).

*Реликтовое излучение — это космический микроволновый фон, заполняющий всю Вселенную. Это самый древний свет во Вселенной, сохранившийся с момента Большого взрыва.

Неизбежность испарения

С течением времени, теряя энергию через излучение Хокинга, черная дыра постепенно уменьшается. По мере уменьшения черной дыры происходит удивительная вещь: температура ее излучения растет, а значит, процесс испарения ускоряется. В конце своей жизни крошечная черная дыра должна испустить мощную вспышку энергии и полностью исчезнуть.

Это приводит к знаменитому информационному парадоксу: что происходит с информацией, попавшей в черную дыру, когда она полностью испаряется? Согласно квантовой механике, информация не может быть уничтожена, но при этом она не может и покинуть черную дыру. Этот парадокс до сих пор не разрешен полностью и остается одной из главных загадок современной физики.

Можно ли наблюдать излучение Хокинга?

К сожалению, современные технологии пока не позволяют напрямую наблюдать излучение Хокинга из-за его чрезвычайно низкой интенсивности и температуры. Однако ученые разрабатывают косвенные методы его обнаружения и создают аналоги черных дыр в лабораторных условиях.

Один из многообещающих подходов — эксперименты с так называемыми "акустическими черными дырами". Это области в сверхтекучих жидкостях или конденсатах Бозе-Эйнштейна (экзотическое состояние вещества при сверхнизких температурах), где звуковые волны ведут себя подобно свету вблизи черных дыр. В таких системах скорость звука играет роль скорости света, а градиент скорости потока жидкости создает аналог гравитационного горизонта событий.

В экспериментах с этими "аналоговыми" черными дырами ученым удалось зафиксировать явление, напоминающее излучение Хокинга — спонтанное испускание фононов (квантов звуковых волн) из области горизонта событий. Хотя это не то же самое, что излучение реальных черных дыр, подобные эксперименты помогают лучше понять физику процесса и проверить теоретические предсказания.

Другой косвенный метод обнаружения излучения Хокинга — поиск его следов в гравитационных волнах, испускаемых при слиянии черных дыр или при испарении первичных черных дыр в ранней Вселенной. Будущие гравитационно-волновые обсерватории, такие как космическая LISA (Laser Interferometer Space Antenna), возможно, смогут зафиксировать эти эффекты.

Время жизни черной дыры

Одно из самых удивительных следствий теории Хокинга — возможность рассчитать время жизни черной дыры. Для черных дыр звездной массы это время составляет примерно 10^67 лет — невообразимо долгий срок, многократно превышающий нынешний возраст Вселенной (13,8 миллиарда лет).

Однако если где-то существуют первичные черные дыры с очень малой массой (порядка триллионной доли грамма), образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, то некоторые из них теоретически могли бы испариться к настоящему времени, породив мощные гамма-всплески. Поиски таких вспышек — один из способов проверки теории Хокинга.

Значимость открытия

Концепция излучения Хокинга имеет огромное значение для физики. Оно объединяет три фундаментальные области: общую теорию относительности (описывающую гравитацию и черные дыры), квантовую механику (описывающую поведение частиц) и термодинамику (изучающую тепло и энергию).

До Хокинга эти три области плохо сочетались друг с другом, особенно когда речь заходила о черных дырах. Его работа стала важным шагом на пути к созданию квантовой теории гравитации — всеобъемлющей теории, которая должна объединить все фундаментальные силы природы.