Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас Страница 15

Черные дыры считаются непреодолимыми гравитационными ловушками, но они даже могут взорваться! Это удивительное открытие, вероятно, является самым важным научным достижением Стивена Хокинга. Оно не только объединяет три ранее отдельные области физики, но и имеет последствия для нашего понимания Вселенной в ее наименьшем и наибольшем масштабах. Что происходит с материей, попавшей в черную дыру, когда она растворяется? Хокинг несколько раз менял свои взгляды на этот счет и даже ставил под сомнение само существование черных дыр.

Если физическая информация может исчезнуть, то будут нарушены фундаментальные законы природы, например, закон сохранения энергии. Призраки могли бы выходить из смартфонов, а розовые муравьеды могли бы танцевать польку в духовке. Чтобы восстановить порядок во Вселенной, Хокинг даже проиграл пари.

Взрывоопасная информация

Горизонт событий классической черной дыры никогда не сужается. Он может только расти, если черная дыра что-то поглотит. Хокинг доказал это в рамках общей теории относительности. Затем Яаков Бекенштейн заметил сходство с законом термодинамики, согласно которому энтропия чисто статистически может только увеличиваться (или оставаться постоянной в равновесии). Энтропия – это физическая мера беспорядка системы. Бекенштейн также выяснил, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий. Это звучит абстрактно, и это так и есть. Но за этой идеей скрывалось огромное количество взрывоопасного материала – в буквальном смысле, как осознал Хокинг в 1973 году.

Черные дыры, как и все системы в природе, должны обладать энтропией: чем они больше, тем больше в них энтропии. Но то, что имеет энтропию, имеет и температуру. А все, что имеет температуру, должно выделять тепло. Это означает, что черные дыры не полностью черные, а выделяют излучение, пусть и небольшое. В 1974 году Хокинг сделал сенсационное заявление, сначала на лекциях, а затем и в научной публикации: черные дыры постепенно испаряются и в конечном итоге должны даже взорваться! Это открытие – вместе с его исследованиями сингулярности Большого взрыва – принесло Хокингу мировую известность среди физиков и навсегда останется важной вехой в истории науки. Его результатом стала первая, пока еще предварительная связь между общей теорией относительности, квантовой физикой и термодинамикой – тремя фундаментальными областями физики, которые ранее были в значительной степени разделены. В конечном счете, утверждал Хокинг, квантовые эффекты на горизонте событий извлекают энергию из гравитационного поля черной дыры.

Вывод Хокинга: чем меньше и менее массивны черные дыры, тем больше их излучение. Их температура обычно ничтожно мала, в случае звездной черной дыры она не превышает даже одной десятимиллионной градуса абсолютного нуля, что соответствует минус 273 градусам по Цельсию. (В настоящее время черные дыры получают гораздо больше, чем теряют, от более теплого на три градуса космического фонового излучения.) Но если пространство будет продолжать расширяться вечно, а Вселенная может расти до любого возраста, то по мнению Хокинга все черные дыры в конечном итоге испарятся!

Энергия финального взрыва черной дыры огромна, ее можно сравнить с одновременной детонацией десяти миллионов атомных бомб, каждая из которых имеет взрывную силу в одну мегатонну. Для звездной черной дыры это займет более 1066 лет, а для сверхмассивной черной дыры в центре галактики это может занять даже до 10100 лет (число со ста нулями!). Но это произойдет. И тогда рана, которую гравитационный коллапс нанес пространству-времени, вероятно, полностью заживет.

Чёрные дыры от большого взрыва?

Сомнительно, что это излучение Хокинга когда-либо можно будет измерить. В любом случае, мы не можем ждать, пока известные нам черные дыры испарятся – до тех пор пройдет гораздо, гораздо больше времени, чем нынешний возраст Вселенной.

Конец «обычных» черных дыр наступит в крайне отдаленном будущем. Однако, по мнению Хокинга и других ученых, черные дыры могли также возникнуть в результате случайных колебаний плотности в хаосе Большого взрыва. Эти так называемые первичные черные дыры могут быть крошечными, размером всего с протон (10-13 сантиметров), и тогда их продолжительность жизни будет намного короче, чем у руин темных звезд.

Возможно, мини-черные дыры и сегодня бороздят космос, испуская интенсивное гамма-излучение в качестве финального сигнала. Даже в черной дыре размером в тысячную долю миллиметра излучение Хокинга оказывается значительным. Она весит столько же, сколько Луна (около 1022 килограммов). Черные дыры размером с протон имеют массу небольшой горы (около миллиарда килограммов) и температуру в миллиард градусов по Цельсию. Они излучают не только фотоны, но также электроны и позитроны. Первичные черные дыры, которые в настоящее время испаряются, изначально имели массу 500 миллионов килограммов и образовались через IO 23 секунды после Большого взрыва. Гамма-телескопы, однако, до сих пор никаких признаков подобных мини-молний не обнаружили. Если они и существуют, то достаточно редко: они случаются не чаще одного раза в кубический световой год за столетие.

При особых обстоятельствах мини-черные дыры можно было бы создать даже в ускорителях частиц на Земле. Они были бы меньше одной тысячной диаметра протона и имели бы массу, примерно равную массе 5000 этих ядерных частиц. (Однако такие мини-дыры могли бы образоваться только при наличии по крайней мере двух дополнительных пространственных измерений размером более одного квадриллионного метра в дополнение к ширине, высоте и глубине. Но это пока только предположение.) Эти мини-дыры немедленно снова распались бы, поэтому они не представляли бы угрозы для Земли. Кроме того, им тогда пришлось бы образоваться в природе самостоятельно: посредством частиц космического излучения, которые постоянно бомбардируют атмосферу из космоса. Они содержат гораздо больше энергии, чем любое столкновение частиц в любом ускорителе частиц будущего.

Создание мини-черных дыр в лабораторных условиях не было бы опасным, но стало бы ярким событием в физике XXI века. Впервые квантовые гравитационные эффекты стали бы доступными, а ранее