Лев Мухин - Мир астрономии

Ситуация здесь не кажется, впрочем, особенно трагичной, поскольку, наверное, скорее физики разберутся до конца с природой сингулярности и выдадут соответствующие рецепты, чем уровень техники позволит реализовать полет к сверхмассивным черным дырам (центр Галактики!). Поэтому исследование черных дыр еще долгое время будет прерогативой теоретической физики.

Но и здесь на листках бумаги рождаются поистине удивительные вещи. Наиболее поразительный эффект в поведении черных дыр был открыт в 1973 году профессором кафедры математики Кембриджского университета С. Хокингом. Эту должность до него занимали такие корифеи науки, как Ньютон и Дирак. Хокинг, один из крупнейших физиков-теоретиков нашего времени, заинтересовался вопросом об эволюции черных дыр.

На первый взгляд подобный вопрос может показаться бессмысленным. Действительно, как может эволюционировать гравитационная могила? Для нее ведь нет вопроса об устойчивости конфигурации. Все исчезает под горизонтом, все черные дыры равной массы и с равным угловым моментом абсолютно одинаковы («черные дыры не имеют волос»). И все они являются вечными поглотителями материи.

Все это так, за исключением одной тонкости. Оказалось, что черные дыры не вечны. Но, чтобы открыть это поразительное свойство черных дыр, вернее, предсказать его, этой задачей должен был заняться великий физик. Здесь, как никогда, уместно выражение Пушкина «…гений, парадоксов друг». Черными дырами занималось много крупных физиков, но самое неожиданное и блестящее открытие оказалось под силу Хокингу, которому в ту пору не было еще 30 лет.

Посмотрим, какое представление сформировалось в физике о черных дырах к началу 70-х годов.

Если черная дыра сформировалась, то никакое материальное тело, никакие сигналы, достигшие горизонта событий, не смогут выйти обратно. Черная дыра — область пространства, подвергшаяся гравитационному самозамыканию, невидима для внешнего наблюдателя. Единственный путь для обнаружения черных дыр — изучение их взаимодействия с окружающей материей. Образовавшаяся дыра должна существовать вечно, она вечно поглощает массу энергии, лишь увеличивая свои размеры и массу. Кстати, именно Хокинг проделал важные работы по изучению процесса слияния черных дыр. Он показал, что площадь горизонта событий при этом может только увеличиваться.

Казалось бы, все говорило о том, что черные дыры — один из самых стабильных объектов во Вселенной. Этот вывод абсолютно верен в рамках классических теорий. Но сделан этот вывод на основании предсказаний ОТО, а ОТО, как мы знаем, классическая физическая теория. Хокинг же исследовал квантовые эффекты поведения частиц вблизи горизонта событий, и именно этот новый подход позволил ему сделать выдающееся открытие.

Пример квантового процесса, имеющего прямое отношение к вопросу, который мы сейчас обсуждаем, хорошо известен. Это так называемый туннельный эффект. Альфа-частица, вылетающая из ядра атома при его радиоактивном распаде, с точки зрения классической теории, не может вылететь из ядра — ее кинетическая энергия меньше потенциальной энергии связи в ядре. Однако частица вылетает, и это противоречие решается именно с помощью законов квантовой механики.

Согласно этим законам частица имеет вполне определенную отличную от нуля вероятность преодолеть потенциальный барьер, пройти как бы сквозь него. Поэтому такие переходы называются туннельными.

Ну а теперь нам осталось разобраться в том, как рождаются частицы вблизи горизонта событий черной дыры. Собственно говоря, «спонтанное» рождение частиц для современной квантовой физики процесс неновый. Например, очень сильное электрическое поле в вакууме может вызвать рождение электрона и позитрона.

Суть открытия Хокинга состоит в том, что чудовищное гравитационное поле черной дыры также рождает частицы и античастицы. Иногда частица и античастица падают обратно в черную дыру, но возможен случай, когда в дыру попадает лишь один партнер, а другой покидает окрестность черной дыры с помощью туннельного эффекта.

Ясно, что для рождения пары должна быть затрачена энергия. Хокинг строго доказал, что весь этот процесс может и должен идти за счет уменьшения массы черной дыры, ее испарения. Ну а если происходит процесс испарения, пусть даже квантового испарения, то можно сказать, что тело имеет некоторую температуру. Хокинг вычислил значение температуры черных дыр, и оказалось, что чем больше масса черной дыры, тем меньше ее температура. Другими словами, чем массивнее дыра, тем меньше темп потери ею массы. Так, черная дыра с массой, равной массе Солнца, будет иметь температуру менее одной миллионной градуса, а испарится она полностью за 10 64лет! Поразительный вывод!

Согласно классической теории и вещество, и энергия бесконтрольно и необратимо исчезали из нашего мира в бесконечных колодцах гравитационных могил — черных дыр. Квантовая физика описала все процессы с точностью «до наоборот». Наша книга не перегружена формулами, и поэтому давайте посмотрим на простые соотношения, определяющие температуру черных дыр и время их испарения. Итак,

Τ = M /M · 10 –7 K

τ исп = 10 –35 · M 3лет.

Здесь M , как обычно, масса Солнца, M — масса черной дыры в единицах массы Солнца, а во второй формуле массу черной дыры нужно выражать в граммах.

Уже первый взгляд на эти соотношения вызывает ощущение недоумения. Ведь достаточно горячими могут быть лишь дыры с массой, существенно меньше массы Солнца. Так, чтобы дыра имела температуру всего лишь в 1 К, она должна быть легче Земли. А ведь мы говорили о том, что лишь массивные звезды могут превратиться в черные дыры. В чем же здесь дело?

Значение открытия Хокинга состоит не только в том, что он опроверг устоявшееся представление о вечности черных дыр. Еще до появления в свет работы о квантовом испарении Хокинг показал, что в первые мгновения после Большого Взрыва флуктуации плотности могли привести к чудовищному сжатию сравнительно небольших объемов вещества. Следствием такого процесса должно было быть образование черных мини-дыр.

Подобные давления сейчас нельзя получить ни в одном процессе. Однако в те далекие времена у природы были широкие возможности. Чтобы ощутить грандиозность этих процессов, приведем следующий пример. Первичная черная дыра с массой в миллиард тонн имела бы размер, сравнимый с размером протона, а плотность, до которой должно было бы сжаться вещество, чтобы получить черную дыру, равнялась бы плотности вещества всех галактик наблюдаемой Вселенной, спрессованной в литровую банку! Температура ее составляла бы 100 миллиардов градусов, а мощность излучения — 6000 мегаватт.