Как черные дыры испаряются от излучения Хокинга?

В 1974 году Стивен Хокинг показал, что даже черные дыры не живут вечно, а излучают излучение и в конце концов испаряются. Вот как.

Ключевые выводы

Черные дыры - самые плотные объекты во всей Вселенной, с такой большой массой в одном месте, что пространство становится настолько сильно искривленным, что никакие сигналы, даже свет, не могут выйти наружу.
Но в 1974 году Стивен Хокинг показал, что набор квантовых процессов в сочетании с фоновым пространством-временем, окружающим черную дыру, заставляет их испаряться.
Последствие испарения черной дыры и лежащий в его основе процесс излучения Хокинга настолько плохо изучены, что даже Хокинг объяснил это неправильно. Вместо этого произошло вот что.

Это действительно чудо, как быстро продвинулось наше понимание Вселенной в течение 20-го века. В начале 1900-х мы только начинали открывать квантовую природу реальности, еще не вышли за пределы ньютоновской гравитации и не имели представления о существовании астрофизических объектов, таких как черные дыры. К наступлению 1970-х годов мы продвинулись к Вселенной, управляемой общей теорией относительности, которая началась с горячего Большого взрыва, заполненного галактиками, звездами и остатками звезд, где Вселенная была фундаментально квантовой, описываемой удивительно точно с помощью того, что сейчас известно как Стандартная модель.

А в 1974 году Стивен Хокинг опубликовал революционную статью, которая научила нас тому, что черные дыры не будут жить вечно, а скорее испарятся в результате изначально квантово-релятивистского процесса, который теперь называется излучением Хокинга. Но как это происходит? Вот что хочет знать Ральф Вельц, спрашивая:

«Я думал, что понял это: на границе горизонта событий [пара] электрона и позитрона создается на короткое время [посредством] Принципа неопределенности. Электрон просто улетает, позитрон всасывается… и вуаля, масса электрона исчезла из черной дыры. Но теперь [разве] черная дыра не разжирела еще одной позитронной массой? Где мое непонимание?»

Трудно обвинить вас в этом недоразумении. Ведь если вы читали известную книгу Хокинга «Краткая история времени», то именно так он - заметьте, неправильно - объясняет это. Так где же правда?

Поляризованный вид черной дыры в M87. Линии отмечают ориентацию поляризации, которая связана с магнитным полем вокруг тени черной дыры. Обратите внимание, насколько более закрученным выглядит это изображение, чем оригинал, который был более похож на каплю. Вполне ожидаемо, что все сверхмассивные черные дыры будут демонстрировать поляризационные сигнатуры, отпечатанные в их излучении, расчет, для предсказания которого требуется взаимодействие общей теории относительности с электромагнетизмом. Кроме того, за пределами горизонта событий из-за искривления самого пространства постоянно испускается небольшое количество излучения: излучение Хокинга, которое в конечном итоге будет ответственно за распад этой черной дыры.

Начнем с самого понятия физической черной дыры. Существует несколько способов образования черной дыры:

от прямого коллапса большого количества газа,
от коллапса ядра чрезвычайно массивной звезды,
от аккреции материи на плотный звездный остаток, что приводит к разрушению ядерной структуры материи,
или от слияния двух нейтронных звезд,

среди прочих. Как только достаточное количество массы собирается в достаточно маленьком объеме, формируется горизонт событий. В пределах этого горизонта событий никакие сигналы никогда не могут распространяться за его пределы, даже если они движутся с максимально допустимой скоростью во Вселенной: со скоростью света.

Извне черной дыры все, что пересекает горизонт событий, неизбежно будет втянуто в центральную сингулярность. Но любой объект за пределами черной дыры, обладающий достаточной энергией и/или скоростью (в правильном направлении), все же имеет возможность избежать ее гравитационного притяжения. Это включает в себя реальные частицы, такие как фотоны, электроны, протоны и многое другое, конечно. Но в квантовой Вселенной тоже есть квантовые поля, которые существуют во всем пространстве, даже вблизи границы самого горизонта событий. Одной из распространенных визуализаций флуктуаций в этих квантовых полях является спонтанное создание пар частица-античастица, которые используют соотношение неопределенности энергия-время для кратковременного создания этих объектов за чрезвычайно короткие периоды времени.

Визуализация КХД иллюстрирует, как пары частица/античастица вырываются из квантового вакуума на очень короткое время вследствие неопределенности Гейзенберга. Квантовый вакуум интересен тем, что требует, чтобы само пустое пространство было не таким пустым, а было заполнено всеми частицами, античастицами и полями в различных состояниях, которые требует квантовая теория поля, описывающая нашу Вселенную. Сложите все это вместе, и вы обнаружите, что пустое пространство имеет нулевую энергию, которая на самом деле больше нуля.

Эти флуктуации поля вполне реальны и происходят даже в отсутствие каких-либо «настоящих» частиц. В контексте квантовой теории поля состояние квантового поля с наименьшей энергией соответствует отсутствию существующих частиц. Но возбужденные состояния или состояния, соответствующие более высоким энергиям, соответствуют либо частицам, либо античастицам. Одна из широко используемых визуализаций состоит в том, чтобы думать о пустом пространстве как о действительно пустом, но населенном парами частица-античастица (из-за законов сохранения), которые ненадолго возникают, только чтобы через короткое время аннигилировать обратно в вакуум небытия.

Именно здесь в игру вступает знаменитая картина Хокинга - его совершенно неправильная картина - . Он утверждает, что повсюду в космосе появляются и исчезают эти пары частица-античастица. Внутри черной дыры оба члена остаются там, аннигилируют, и ничего не происходит. Далеко за пределами черной дыры то же самое. Но прямо у горизонта событий один член может упасть, а другой убежать, унося реальную энергию. И именно поэтому, заявляет он, черные дыры теряют массу, распадаются, и вот откуда возникает излучение Хокинга.

Наиболее распространенное и неверное объяснение того, как возникает излучение Хокинга, - это аналогия с парами частица-античастица. Если один член с отрицательной энергией попадает в горизонт событий черной дыры, а другой член с положительной энергией ускользает, черная дыра теряет массу, и исходящее излучение покидает черную дыру. Это объяснение дезинформировало поколения физиков и исходило от самого Хокинга.

Это было первое объяснение распада черных дыр, которое я, сам астрофизик-теоретик, услышал. Если бы это объяснение было верным, то это означало бы:

Излучение Хокинга состоит из смеси частиц и античастиц в соотношении 50/50, так как какой член упадет, а какой вылетит, будет случайным,
что все излучение Хокинга, вызывающее распад черных дыр, будет исходить из самого горизонта событий, и
что каждый квант излучения Хокинга, испускаемый черной дырой, должен обладать огромным количеством энергии: достаточной, чтобы вырваться из-под невероятного гравитационного притяжения черной дыры, находящейся сразу за горизонтом событий.

Примечательно, что каждый из этих трех пунктов не соответствует действительности. Излучение Хокинга состоит почти исключительно из фотонов, а не из смеси частиц и античастиц. Он излучается из большой области за пределами горизонта событий, которая простирается примерно в 10-20 раз от радиуса горизонта событий, а не только прямо у поверхности. И отдельные испускаемые кванты имеют крошечную кинетическую энергию, которая охватывает несколько порядков величины, а не большие, почти идентичные значения энергии.

Как внутри, так и вне горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. Но внутри горизонта событий пространство течет быстрее, чем скорость, с которой может двигаться любая квантовая частица: скорость света. В результате все направленные наружу силы не движутся наружу, а вместо этого притягиваются внутрь к центральной сингулярности.

Почему Хокинг выбрал эту невероятно ущербную, ошибочную аналогию, это секрет, который он унес с собой в могилу. Это странный выбор, учитывая, что он не имеет ничего общего с фактическим (правильным) объяснением, которое он дал в написанных им научных статьях. Если следовать этому неверному объяснению, вы получите неправильный тип испускаемых частиц, неправильный спектр их энергии и неправильное место, где можно найти испускаемые частицы. Кроме того, что, возможно, является еще большим оскорблением, это привело к тому, что поколения как неспециалистов, так и физиков неправильно думали о процессе, лежащем в основе излучения Хокинга. Жаль, потому что реальная научная история, хотя и немного сложнее, гораздо поучительнее.

В пустом пространстве действительно есть квантовые поля повсюду, и эти поля действительно имеют флуктуации значений энергии. В аналогии с «рождением пары частица-античастица» есть зерно истины, и оно заключается в следующем: в квантовой теории поля вы можете моделировать энергию пустого пространства, складывая диаграммы, включающие образование этих частиц. Но это только вычислительная техника; частицы и античастицы не реальны, а виртуальны. На самом деле они не производятся, они не взаимодействуют с реальными частицами, и их нельзя обнаружить никаким образом.

Несколько терминов, влияющих на энергию нулевой точки в квантовой электродинамике. Развитие этой теории благодаря Фейнману, Швингеру и Томонаге привело к тому, что в 1965 году им была присуждена Нобелевская премия. Эти диаграммы могут создать впечатление, что частицы и античастицы появляются и исчезают, но это лишь иллюзия. расчетный инструмент; эти частицы не настоящие.

Одни и те же законы физики, управляемые одними и теми же уравнениями и одними и теми же фундаментальными константами, применяются в каждом отдельном месте и в каждый момент времени, в равной степени, во всей Вселенной. Следовательно, для любого наблюдателя во Вселенной эта «энергия пустого пространства», возникающая из этих квантовых полей, которую мы называем энергией нулевой точки, будет иметь одинаковое значение, где бы он ни находился. Однако одно из правил относительности состоит в том, что разные наблюдатели будут воспринимать разные реальности между собой и другими. В частности:

наблюдатели в движении относительно друг друга,
и наблюдатели в областях пространства, где кривизна пространства-времени отличается,

будут расходиться во мнениях относительно свойств пространства и времени.

Если вы находитесь бесконечно далеко от всех источников массы во Вселенной, если вы не ускоряетесь, а кривизна вашего пространства-времени незначительна, вы испытаете определенную энергию нулевой точки. Если кто-то еще находится на горизонте событий черной дыры, но находится в состоянии свободного падения, у него будет определенная энергия нулевой точки, которую они измерят, чтобы иметь то же значение, что и у вас, когда вы были бесконечно далеко от этого события. горизонт. Но если вы двое попытаетесь согласовать свои измеренные значения друг с другом, сопоставив свою энергию нулевой точки с их энергией нулевой точки (или наоборот), эти два значения не совпадут. С точки зрения друг друга энергия нулевой точки пустого пространства различается между двумя точками, в зависимости от того, насколько сильно эти два пространства искривлены друг относительно друга.

Иллюстрация сильно искривленного пространства-времени для точечной массы, что соответствует физическому сценарию нахождения вне горизонта событий черной дыры. По мере того как вы все ближе и ближе приближаетесь к местоположению массы в пространстве-времени, пространство становится все более искривленным, что в конечном итоге приводит к месту, из которого не может выйти даже свет: горизонту событий. Радиус этого места определяется массой, зарядом и угловым моментом черной дыры, скоростью света и только законами общей теории относительности.

Это основная идея, стоящая за излучением Хокинга, и ключевой расчет, который необходимо было выполнить, чтобы получить излучение Хокинга. Расчеты квантовой теории поля обычно выполняются в предположении, что лежащее в основе пространство плоское и не искривленное, что обычно является отличным приближением, но не так близко к горизонту событий черной дыры. Это знал и сам Стивен Хокинг, и в 1974 году, когда он впервые получил знаменитое излучение Хокинга, он выполнил именно этот расчет: вычислил разницу нулевой энергии в квантовых полях от искривленного пространства вокруг черной дыры до плоское пространство бесконечно далеко.

Результаты этого расчета позволяют определить свойства излучения, исходящего от черной дыры.

Излучение исходит не только от горизонта событий, но и от всего искривленного пространства вокруг него.
Температура излучения становится зависимой от массы черной дыры, причем черные дыры с большей массой производят излучение с более низкой температурой.
Этот расчет предсказывает спектр излучения: абсолютно черное тело, указывающее распределение фотонов по энергии и - если имеется достаточно энергии через E=mc² - массивные частицы и античастицы, такие как нейтрино/антинейтрино и электроны/позитроны тоже.

Горизонт событий черной дыры представляет собой сферическую или сфероидальную область, из которой ничто, даже свет, не может выйти. Но, по прогнозам, вне горизонта событий черная дыра будет излучать излучение. Работа Хокинга 1974 года была первой, которая продемонстрировала это, и, возможно, это было его величайшим научным достижением.

Этот первый пункт особенно недооценен: излучение Хокинга исходит не только из самого горизонта событий черной дыры, но и из расширенной области вокруг черной дыры, где кривизна пространства значительно отличается. из плоского, не искривленного пространства. Хотя большинство изображений и визуализаций показывают, что 100% излучения Хокинга черной дыры исходит из самого горизонта событий, более точно изобразить его как излучаемое в объеме, который охватывает примерно 10-20 радиусов Шварцшильда (радиус до горизонта событий)., где излучение постепенно уменьшается по мере удаления.

Этот тип излучения возникает везде, где есть горизонт; не только вокруг горизонтов событий черных дыр. Яркий пример: Вселенная обладает космологическим горизонтом: областью, куда за определенной точкой доступ закрыт из-за расширения Вселенной. Из-за присутствия и свойств темной энергии с точки зрения любого стационарного наблюдателя будет непрерывно излучаться тепловое излучение. Это означает, что даже в сколь угодно далеком будущем Вселенная всегда будет заполнена крошечным количеством излучения абсолютно черного тела, достигающим пика температуры 10^-30K..

Так же, как черная дыра постоянно производит низкоэнергетическое тепловое излучение в форме излучения Хокинга за пределами горизонта событий, ускоряющаяся Вселенная с темной энергией (в виде космологической постоянной) будет постоянно производить излучение в совершенно аналогичной форме: излучение Унру, обусловленное космологическим горизонтом.

Суть проблемы с объяснением Хокинга «частицы и античастицы спонтанно возникают и исчезают из существования», слишком упрощенным объяснением его собственной теории, заключается в том, что он объединяет то, что полезно в качестве вычислительного инструмента, с то, что на самом деле существует как часть нашей физической реальности. Излучение, испускаемое окрестностями черной дыры, существует; пары частица-античастица, вырванные из квантового вакуума, этого не делают. В черную дыру не падают виртуальные частицы (или античастицы) с отрицательной энергией; на самом деле никаких реальных массивных частиц, испускаемых как часть излучения Хокинга, не происходит до тех пор, пока черная дыра почти полностью не испарится, и не появятся достаточно высокие энергии, чтобы сделать возможным их появление. Когда они это сделают, частицы и античастицы должны быть созданы в равном количестве, и законы физики, по-видимому, не будут отдавать предпочтение одному типу перед другим.

На самом деле происходит то, что искривленное пространство вокруг черной дыры постоянно излучает излучение из-за градиента кривизны вокруг него, и источником этой энергии является сама черная дыра. В результате горизонт событий черной дыры со временем медленно сужается, увеличивая при этом температуру испускаемого излучения Хокинга.

Хотя свет не может выйти из-под горизонта событий черной дыры, искривленное пространство за ее пределами приводит к различию между состоянием вакуума в разных точках вблизи горизонта событий, что приводит к испусканию излучения через квантовые процессы. Вот откуда исходит излучение Хокинга, и для черных дыр с наименьшей массой из когда-либо обнаруженных излучение Хокинга приведет к их полному распаду примерно через 10 ^ 68 лет. Даже для черных дыр с самой большой массой продолжительность жизни более 10^103 лет или около того невозможна из-за именно этого процесса.

Черные дыры не распадаются, потому что на них падает виртуальная частица, несущая отрицательную энергию; это еще одна фантазия, придуманная Хокингом, чтобы «спасти» его недостаточную аналогию. Вместо этого черные дыры распадаются и со временем теряют массу, потому что энергия, испускаемая этим излучением Хокинга, медленно уменьшает кривизну пространства в этой области. По прошествии достаточного количества времени, и эта продолжительность колеблется от приблизительно 10⁶⁸ до 10^{103 лет для черные дыры реалистичных масс, эти черные дыры полностью испарятся.}

Определенно верно, что пространство-время довольно сильно искривлено сразу за горизонтом событий черной дыры. Верно также и то, что квантовая неопределенность является неотъемлемой частью существования нашей Вселенной. Но излучение Хокинга - это не выброс частиц и античастиц с горизонта событий. В нем не участвует падающий внутрь член пары, несущий отрицательную энергию. И это даже не должно быть исключительно для черных дыр. Сам Хокинг знал все это, но все равно выбрал объяснение, которое он сделал, и теперь нам всем приходится жить с последствиями этого решения. Тем не менее, физическая правда всегда в конце концов побеждает, и теперь вы знаете более полную и правдивую историю о том, откуда берется излучение, вызывающее испарение черных дыр!

Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!