Радиация на Хокинг: концепция, характеризиране и теоретични проблеми
Черни дупки и елементарни частици. Съвременната физика свързва понятията на тези обекти, първите от които са описани в рамките на теорията за гравитацията на Айнщайн, а последните - в математическите конструкции на квантовата теория на полето. Известно е, че тези две красиви и многократно потвърдени експериментално теории не са много "приятелски" помежду си. Има обаче едно явление, което отразява такива различни явления в тяхното взаимодействие. Това е радиация на Хокинг или квантово изпарение на черни дупки. Какво е това? Как работи? Може ли да бъде открита? Ще говорим за това в нашата статия.
Черни дупки и техните хоризонти
Представете си определена област от пространствено-времевия континуум, заета от физическо тяло, например звезда. Ако тази област се характеризира с такова съотношение на радиус и маса, при което гравитационната кривина на континуума не позволява нищо (дори светлинния лъч) да я напусне, тази зона се нарича черна дупка. В известен смисъл това е наистина дупка, потапяне в континуума, както често се изобразява в илюстрации, използвайки двуизмерно представяне на пространството.
Обаче в този случай ще ни интересува зейналата дълбочина на това потапяне, но в границата на черна дупка, наречена хоризонт на събитията. Като част от разглеждането на въпроса за радиацията на Хокинг, важна характеристика на хоризонта е, че пресичането на тази повърхност трайно и напълно отделя всеки физически обект от външното пространство.
За вакуума и виртуалните частици
В разбирането на квантовата теория на полето, вакуумът не е никаква празнина, а специална среда (по-точно състоянието на материята), т.е. поле, всичките чиито квантови параметри са нула. Енергията на подобно поле е минимална, но не трябва да се забравя и принципът на несигурност. В пълно съответствие с него, вакуумът проявява спонтанна флуктуационна активност. Тя се изразява в енергийни колебания, които не нарушават закона за запазване.
Колкото по-висок е пикът на колебанията на енергията на вакуума, толкова по-кратка е неговата продължителност. Ако такова колебание има енергия от 2mc2, достатъчна за раждането на чифт частици, те ще възникнат, но незабавно ще унищожат, преди да могат да летят. По този начин те угасват флуктуацията. Такива виртуални частици се раждат за сметка на енергията на вакуума и връщат тази енергия на нея при тяхната смърт. Тяхното съществуване е потвърдено експериментално, например чрез регистриране на известния ефект на Казимир, който демонстрира газовото налягане на виртуалните частици върху макрообект.
За да се разбере радиацията на Хокинг, е важно частиците в подобен процес (независимо дали електрони с позитрони или фотони) да бъдат произведени по двойки, а общият им импулс е нула.
Въоръжени с вакуумни колебания под формата на виртуални двойки, ние ще се приближим до границата на черната дупка и ще видим какво се случва там.
На ръба на бездната
Поради наличието на хоризонт на събитията, черната дупка може да се намеси в процеса на спонтанни вакуумни колебания. Приливните сили на повърхността на дупката са огромни, гравитационното поле е изключително хетерогенно. Това засилва динамиката на това явление. Двойките на частиците трябва да се раждат много по-активно, отколкото при липса на външни сили. Черната дупка изразходва своята гравитационна енергия в този процес.
Нищо не забранява една от частиците да “се гмуркат” под хоризонта на събитията, ако импулсът е насочен съответно и двойката се ражда почти близо до хоризонта (дупката харчи енергия разрушавайки двойката). Тогава няма да има унищожение и партньорът на оживената частица ще отлети от черната дупка. В резултат на това енергията намалява, което означава, че масата на дупката е равна на масата на беглеца. Тази загуба на тегло се нарича изпаряване на черната дупка.
Когато описва радиацията на черните дупки, Хокинг действа с виртуални частици. Именно това разграничава неговата теория от гледна точка на Грибов, Зелдович и Старобински, изразена през 1973 година. След това съветските физици посочиха възможността за квантово тунелиране на реални частици през хоризонта на събитията, в резултат на което черната дупка трябва да има радиация.
Какво е лъчението на Хокинг?
Черните дупки, според теорията на учения, не излъчват нищо. Обаче фотоните, напускащи черната дупка, имат термичен спектър. За наблюдател този "резултат" на частиците трябва да изглежда като дупка, подобно на всяко нагрято тяло, излъчва някаква радиация, естествено губеща енергия. Можете дори да изчислите температурата, свързана с лъчението на Хокинг, с помощта на формулата T BH = (h 3 c 3 ) / (16 2 2 ∙ k ∙ G) M), където h е константата на Планка (не редуцирана!), С е скоростта на светлината, k - Константа на Болцман, G - гравитационна константа, M - маса на черната дупка. Приблизително тази температура ще бъде равна на 6.169 10 -8 K ∙ (M 0 / M), където M 0 е масата на Слънцето. Оказва се, че колкото по-масивна е черната дупка, толкова по-ниска е температурата, съответстваща на радиацията.
Но черната дупка не е звезда. Загубата на енергия, тя не се охлажда. Напротив! С намаляване на масата дупката става „по-гореща”. Загубата на тегло означава и намаляване на радиуса. В резултат на това изпарението идва с нарастваща интензивност. От това следва, че малките дупки трябва да завършат изпаряването си чрез експлозия. Вярно е, че самото съществуване на такива микролупи остава хипотетично.
Има алтернативно описание на процеса Хокинг, основаващо се на ефекта на Unruh (също хипотетичен), който предсказва регистрацията на топлинно излъчване от ускоряващ наблюдател. Ако е свързан с инерционна референтна система, тя няма да открие никаква радиация. Вакуумът около ускорения срутващ обект за наблюдателя също ще бъде запълнен с радиация с топлинни характеристики.
Информация за проблема
Неприятностите, създадени от радиационната теория на Хокинг, са свързани с т.нар. Неговата същност е следната: дупката е напълно безразлична към характеристиките на обекта, които паднаха извън хоризонта на събитията. Важно е само масата, с която дупката се е увеличила. Информация за параметрите на тялото, попаднало в нея, се съхранява вътре, въпреки че не е достъпна за наблюдателя. Теорията на Хокинг ни казва, че черните дупки, както се оказва, не са вечни. Оказва се, че информацията, която би била съхранена в тях, заедно с дупките, изчезва. За физиците това не е добра ситуация, защото води до напълно безсмислени вероятности на отделните процеси.
Напоследък има положителни промени в решаването на този парадокс, включително участието на самия Хокинг. През 2015 г. беше заявено, че поради специалните свойства на вакуума е възможно да се разкрие безкраен брой параметри за излъчването на дупка, т.е. да „извади” информацията от нея.
Проблем с регистрацията
Трудността при разрешаването на такива парадокси се изостря от факта, че радиацията на Хокинг не е възможно да се регистрира. Обърнете внимание на формулата по-горе. Той показва колко студени са черните дупки - стомилйонните келвински части за дупки от слънчевата маса и радиус от три километра! Тяхното съществуване е много съмнително.
Има обаче надежда за микроскопични (горещи, реликви) черни дупки. Но досега никой не е наблюдавал тези теоретично предсказани свидетели на най-ранните епохи на Вселената.
И накрая, трябва да направите малко оптимизъм. През 2016 г. се появи съобщение за откриването на аналог на квантовата радиация на Хокинг на акустичен модел на хоризонта на събитията. Аналогията също се основава на ефекта на Unruh. Въпреки че той има ограничен обхват на приложимост, например, той не позволява изучаването на изчезването на информация, но се надяваме, че такива изследвания ще помогнат за създаването на нова теория на черните дупки, която взема предвид квантовите явления.