Что такое излучение Хокинга?
Излучение Хокинга — это тепловое излучение, спонтанно испускаемое черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи их горизонта событий. Постепенно уменьшается энергия вращения и масса черных дыр. Тем не менее это просто теория; такого излучения еще не наблюдалось.
В 1974 году Стивен Хокинг потряс мир физики, показав, что черные дыры могут испускать субатомные частицы, пока они не исчерпают свою энергию и не испарятся полностью.
До этого черные дыры, как правило, считались идеальными черными объектами, из которых никакие частицы и излучение не могут вырваться. Однако статья Хокинга под названием «Создание частиц черными дырами» (опубликованная в 1975 году) дала совершенно новую перспективу для изучения черных дыр.
Что такое излучение Хокинга? (Объясняется простыми словами)
Принимая во внимание квантовую теорию поля, Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение, известное как излучение Хокинга, вблизи своего горизонта событий.
С точки зрения непрофессионалов, излучение Хокинга — это тепловое излучение, которое спонтанно испускается черными дырами. Оно постепенно уменьшает энергию вращения и массу черных дыр. Таким образом, неактивные черные дыры (не потребляющие вещества), как ожидается, уменьшатся и в конце концов исчезнут. Этот процесс также называется испарением чёрных дыр.
Излучение Хокинга было спорным открытием, но к концу 1970-х годов оно было широко признано как крупный прорыв в теоретической физике.
Небольшое отступление
В начале 1970-х годов исследования, проведенные Джеймсом Бардином, Стивеном Хокингом и другими физиками, привели к формулировке термодинамики черной дыры, в которой можно исследовать поведение черной дыры, связывая площадь с энтропией, массу с энергией и поверхностную гравитацию с температурой.
Хокинг, используя много математики, объединил идеи как из теории относительности Эйнштейна, так и из квантовой механики. В то время как теория относительности описывает гравитацию в областях большого масштаба и большой массы (галактики, звезды), квантовая механика фокусируется на невесомости в областях малого масштаба и малой массы (молекулы, атомы).
Ученые десятилетиями пытались объединить эти две основные теории: они пытались разработать теорию всего, что могло бы полностью объяснить и связать воедино все физические аспекты вселенной.
Оказывается, обе теории вступают в игру на горизонте событий «черной дыры» — границе, за которой ничто не может уйти (даже свет).
Стивен Хокинг использовал квантовую теорию поля, чтобы показать, что черные дыры должны излучать как черное тело. И подобно многим другим объектам в нашей Вселенной, черные дыры сжимаются и умирают. Его расчеты показали, что как вращающиеся, так и невращающиеся черные дыры испускают излучение. Он даже превратил свои находки в небольшой совет:
«Если ты чувствуешь, что находишься в черной дыре, не сдавайся. Здесь есть выход».- Стивен Хокинг на публичной лекции в Стокгольме, Швеция.
Как работает излучение Хокинга?
Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной.
Эти пары частица-античастица также создаются рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга.
Излучение Хокинга как пар частиц генерируется вблизи черной дыры
Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы «поднимаются» под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы.
Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра только что выпустила частицу, потеряв свою массу.
Энергия извне горизонта событий производит излучение, что означает, что черная дыра должна терять массу, чтобы компенсировать
Это явление также можно рассматривать как эффект квантового туннелирования, в котором пара (частицы и античастица) образуется из вакуума и одного из парных туннелей за пределами горизонта событий.
Информационный парадокс черной дыры
Основное различие между тепловым излучением, испускаемым черным телом, и излучением черной дыры (по оценке Хокинга) заключается в том, что первое является статистическим по своей природе.
Тепловое излучение несет информацию о теле своего источника, тогда как излучение Хокинга, по-видимому, не несет такой информации: оно зависит исключительно от массы, заряда и углового момента черной дыры.
Так что же происходит с веществом, поглощенным черными дырами? Согласно нашему пониманию общей теории относительности, информация уничтожается. Но если бы это было так, то это нарушило бы законы квантовой механики.
Эта головоломка называется информационным парадоксом черной дыры.
В 2015 году Стивен Хокинг представил идею о том, как этот парадокс может быть решен. Он предположил, что информация на самом деле хранится не внутри черной дыры, а на ее границе – горизонте событий.
Информация хранится в виде суперпереводов, голограммы входящих частиц. Это выпущено в квантовых колебаниях, которые создают черные дыры, хотя в бесполезной, хаотической форме.
Излучение Хокинга — медленный процесс
Температура излучения Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры. Поэтому более мелкие черные дыры испускают больше излучения и рассеиваются быстрее, чем более крупные.
Расчеты показывают, что для испарения черной дыры с одной массой Солнца потребуется 10 67 лет; сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути потребует 10 87 лет, а еще более массивные во Вселенной могут занять 10 100 лет.
Экспериментальные наблюдения
В 2008 году НАСА запустило космическую обсерваторию под названием Fermi Gamma-ray Space Telescope, которая в настоящее время ищет испаряющиеся первичные микро-черные дыры из их предполагаемого излучения Хокинга.
Ученые считают, что микро-черные дыры могут быть экспериментально созданы в искусственной среде на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. В случае успеха они могут наблюдать испарение черной дыры, а также подтвердить некоторые теоретические предсказания теории суперструн относительно гравитации.
Источник
Излучение Хокинга-Зельдовича удалось впервые подтвердить в условиях лаборатории
Ученым удалось приблизиться к экспериментальному доказательству существования радиации Хоикнга-Зельдовича. Используя оптоволоконный аналог горизонта событий — лабораторная модель физики черных дыр ,— исследователи из Института Вейцмана в Реховоте (Израиль) смогли воспроизвести излучение Хокинга, сообщается в статье, опубликованной в Physical Review Letters .
По законам общей теории относительности, преодолеть притяжение черной дыры невозможно. Как только что-то попадает за горизонт событий, в сердце черной дыры, обратно дороги нет. Сила гравитации черной дыры настолько велика, что даже свет — самое быстрая вещь во Вселенной — не способен достичь скорости, которая была бы достаточной для освобождения.
По тем же законам общей теории относительности черная дыра не имеет электромагнитного излучения. Но в 1974 году молодой Стивен Хокинг теоретически обосновывает предположение, которое за год до этого услышал от советских ученых , что черная дыра все же кое-что излучает, нужно лишь учесть квантовую механику.
Это теоретическое электромагнитное излучение получило название “ излучение Хокинга-Зельдовича ” (в иностранной литературе его называют просто излучением Хокинга). Оно похоже на излучение абсолютно черного тела и создается температурой черной дыры, которая обратно пропорционально ее массе.
Если излучение существует, это означает, что черные дыры невероятно медленно, но все же испаряются . К сожалению, как показывают расчеты, излучение слишком слабо, чтобы его могли уловить современные инструменты. Отсюда и вытекают попытки воссоздать его в лаборатории, используя аналоги черных дыр.
Модели черных дыр в лабораториях создаются с помощью материалов, создающих волны (волны во флюиде и звуковые волны в специальных резервуарах), с помощью конденсата Бозе-Эйнштейна, или с помощью света в оптоволокне.
Как объясняет физик Ульф Леонхард, “радиация Хокинга оказалась намного более повсеместной, чем считалось ранее”. Она может появляться при любом появлении горизонта событий. И не важно, идет ли речь об астрофизике, об оптических материалах, о волнах воды или об ультрахолодных атомах.
Знаменитое притяжение при этом, конечно, не появляется, но уравнения, описывающие такие эксперименты, являются аналогами тех уравнений, которые используются для описания черных дыр в общей теории относительности.
На этот раз команда использовала систему оптических волокон, разработанную Леонхардом несколькими годами ранее.
Попадая в эту систему из оптических волокон, свет немного замедляется. Для создания модели горизонта событий по волокну пускают два разноцветных ультрабыстрых ипульса. Первый взаимодействует со вторым и создается эффект горизонта событий, за которым можно наблюдать по изменениям коэффициента преломления волокна.
Команда добавила в систему еще света, что вызвало повышение излучения с негативной частотой. Другими словами “негативный” свет тянул энергию из “горизонта событий” — вот она, модель излучения Хокинга-Зельдовича.
Результат важный, но конечная цель — наблюдать спонтанную радиацию Хокинга-Зельдовича.
Спровоцированное излучение чем-то вызвано, то есть необходим внешний электромагнитный стимул. А вот радиация черной дыры должна быть спонтанной.
У таких экспериментов есть и другие проблемы. Их нельзя назвать однозначными, ведь невозможно в лаборатории воссоздать точные условия у горизонта событий.
В данном конкретном эксперименте нельзя со 100% уверенностью сказать, что излучение не было просто усилением обычной радиации. Хотя Леонхард и его команда уверены, что им действительно удалось получить излучение Хокинга-Зельдовича.
В любом случае, это важное достижение.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters .
Источник
Излучение Хокинга возникает не на горизонте событий черных дыр
«Краткая история времени» Стивена Хокинга была одна из первых научно-популярных книг, прочитанных мною, и я ее возненавидела. Возненавидела, потому что не понимала. Фрустрация от этой книги стала одной из основных причин, почему я стала физиком — ну, по крайней мере, я знаю, кого винить в этом.
Прим. пер.: я добавил ссылки и некоторые иллюстрации, а также убрал часть текста, не имеющую особого отношения к делу (место отмечено в тексте).
Оригинальный пост не может похвастаться идеальной структурой повествования, которую я не стал изменять. Но проблема очень важна и актуальна, и за ее обсуждение и объяснение Сабине можно простить погрешности стиля.
Пост можно считать расширенным комментарием к недавней публикации перевода Итана.
Я перестала ненавидеть эту книгу — надо признать, с подачи Хокинга возгорелся интерес общей публики к фундаментальным вопросам физики (связанным с черными дырами). Но время от времени я все еще хочу ударить чертову книгу. Не потому что я не понимаю ее, но потому что она убедила так много людей, что они понимают ее.
В этой книге Хокинг нарисовал изящную картинку испарения черных дыр, которая теперь используется повсеместно. В его представлении черные дыры испаряются, потому что пары виртуальных частиц, возникающих вблизи горизонта, разрываются приливными силами. Одна из частиц оказывается за горизонтом событий, и падает в черную дыру, а вторая улетает вовне. В результате черная дыра постоянно излучает частицы на горизонте событий. Это просто, это интуитивно, и это совершенно неверно.
Такое объяснение — простая иллюстрация, не более. В реальности — вы не будете удивлены — ситуация более сложная.
Пары частиц — насколько вообще имеет смысл говорить о частицах в квантовой физике — не локализованы в пространстве. Они «размазаны» по области пространства, сравнимой с радиусом черной дыры (прим. пер. сродни тому, как электрон движется не по определенной орбите вокруг ядра атома, находясь к какой-то ее точке, а «размазан» вокруг ядра.). Пары частиц возникают не как точки, но как облака, размытые всюду вокруг черной дыры, и они разделяются только на расстояниях, сравнимых с радиусом черной дыры. Картинка, которую нарисовал Хокинг для не-специалистов не подкрепляется никакой математикой. В ней есть элемент истины, но не стоит ее принимать слишком серьезно — это может стать источником многих заблуждений.
То, что объяснение Хокинга не точно, не является чем-то новым — с начала 70х было известно, что излучение Хокинга возникает не на самом горизонте. Уже в учебнике Биррела и Девиса (1984) ясно написано, что если если предположить возникновение излучения на горизонте и рассмотреть процесс излучения в обратном направлении по времени: отследить частицы, приближающиеся к горизонту событий издалека и увеличивающие при этом частоту («синее смещение»), это не даст корректного описания области вблизи горизонта событий. Правильным подходом будет другой: частицы из пары Хокинга при рождении «размазываются» и смешиваются друг с другом, так что говорить о них как о «частицах» можно только в локальном смысле (имеется в виду локальная с точки зрения ОТО система координат, прим.пер.). Более того, нужно честно считать наблюдаемые величины, такие как тензор момента-импульса.
Предположение о возникновении пар на некотором отдалении от горизонта событий было необходимо для решения загадки, которыми были озадачены физики в 70-80е. Температура излучения черной дыры очень мала, если смотреть издалека. Но чтобы это излучение вообще могло убежать от притяжения ЧД, оно должно изначально обладать огромной энергией вблизи горизонта. А тогда наблюдатель, падающий в черную дыру, обратился бы в пепел, проходя через область с такой энергией. Это в свою очередь нарушает принцип эквивалентности, согласно которому наблюдатель, падающий в черную дыру вообще не должен заметить ничего необычного при пересечении горизонта.
Чтобы разрешить эту проблему, нужно учесть, что нельзя рассматривать излучение как приходящее от самого горизонта. Если честно посчитать тензор энергии-импульса вблизи горизонта, окажется, что он достаточно мал, и остается таковым и при пересечении горизонта. На самом деле он насколько мал, что падающий наблюдатель сможет заметить разницу с плоским пространством только на расстояниях, сравнимых с радиусом черной дыры (что также является размером кривизны пространства-времени). Тогда все сходится, и никакого нарушения принципа эквивалентности не возникает.
[Я знаю, все это звучит похоже на проблему фаервола, которую я обсуждала ранее, но это несколько иной эффект. (прим.пер. Проблема фаервола возникает, если рассматривать запутанность между излученной частицей и упавшей в черную дыру. Чтобы удовлетворять принципам квантовой механики, эти корреляции должны разрушаться. При разрушении корреляций высвобождается огромная энергия, которая создает «огненную стену» на горизонте.) При этом возникают разные проблемы при вычислениях вблизи горизонта. Идею фаервола можно критиковать на основании того, что в оригинальной статье про фаервол тензор энергии-импульса посчитан не был. В отличие от других я не думаю, что проблема в этом.]
Настоящая, подкрепленная вычислениями, причина излучения частиц черными дырами заключается в том, что для разных наблюдателей понятие частицы отличается.
Мы привыкли, что частица либо находится у нас, либо не находится. Однако, это справедливо только пока мы равномерно движемся друг относительно друга. Если наблюдатель (мы) ускоряется, самое определение частицы для него изменяется. То, что выглядит пустым вакуумом для наблюдателя при равномерном движении, оказывается наполненным частицами при ускорении. Этот эффект назван в честь Билла Унру, кто предложил его практически одновременно с гипотезой излучения черных дыр Хокингом. Сам эффект слишком мал для привычных нам ускорений, и мы никогда не замечаем его.
Эффект Унру близко связан с эффектом испарения черных дыр Хокинга. При возникновении черных дыр материя, коллапсирующая в черную дыру, создает динамическое пространство-время, которое приводит к ускорению между наблюдателями в прошлом и будущем. В результате пространство-время вокруг коллапсирующей материи, которое не содержало частиц до возникновения черной дыры, оказывается наполненным тепловым излучением на поздних стадиях коллапса. То есть, излучение Хокинга — тот же самый вакуум, изначально окружавший коллапсирующее вещество, (прим.пер. ровно как в эффекте Унру вакуум наполняется излучением при ускорении наблюдателя).
Это и является источником излучения черных дыр: само определение частицы зависит от наблюдателя. Не столь просто, как картинка Хокинга, но гораздо точнее.
Картинка с парами частица-античастица на горизонте, предложенная Хокингом, стала столь потрясающе популярной, что теперь даже некоторые физики верят, что именно так все и происходит (Прим.пер. До поста Сабины я и сам к своему стыду думал именно так). Тот факт, что синее смещение излучения при рассмотрении его распространения обратно во времени от бесконечности к горизонту дает настолько огромную энергию на горизонте, оказался затерян в литературе. К сожалению, непонимание связи между потоком частиц Хокинга вдалеке от ЧД и вблизи горизонта событий приводит к неверному заключению, что этот поток гораздо сильнее, чем он есть на самом деле. Например, это привело Mersini-Houghton к ошибкам при выводе доказательства, что черные дыры вообще не существуют.
(Прим.пер. Дальше статья сокращена для удобства чтения, в оригинальном посте обсуждается книга «Spooky action at a distance» и расчеты, где вычисляется точное расстояние, на котором возникает излучение Хокинга — в несколькое радиусов ЧД — и в подробностях обсуждается источник эффекта)
Если книга Хокинга и научила меня одной вещи, так это тому, что прилипчивые визуальные метафоры может быть проклятием в той же мере, как и благом.
Источник
