[Перевод] Спросите Итана: как на самом деле испаряются чёрные дыры?

Возможно, величайшим открытием Стивена Хокинга, и причиной, по которой он так известен среди физиков, было то, что чёрные дыры не живут вечно.

Они излучают свою энергию на чрезвычайно долгих временных промежутках через процесс, открытый в 1974 году и известный, как излучение Хокинга. На этой неделе один из читателей задал следующий вопрос:

С момента открытия излучения Хокинга в научных публикациях оно описывается, как постепенное испарение чёрных дыр из-за спонтанного возникновения запутанных частиц рядом с горизонтом событий. Говорят, что одну частицу засасывает в ЧД, а другая улетает и становится излучением Хокинга. Из-за этого излучения ЧД постепенно теряют массу, и в результате полностью исчезают. Вопрос в том, если одна частица падает в ЧД, а вторая улетает, почему ЧД становится меньше? Не должна ли она наоборот, набирать массу?

Большой вопрос, содержащий в себе несколько неправильных представлений, часть из которых возникла по вине самого Хокинга. Давайте разбираться!

Уже более 101 года назад было найдено самое первое точное решение Общей теории относительности: пространство-время, описывающее массивную сингулярность, окружённую горизонтом событий. Открытие сделал Карл Шварцшильд, который сразу же понял, что описал ЧД: объект, настолько плотный и массивный, что даже свет не может вырваться из его гравитационного притяжения.

Довольно долго считалось, что если собрать вместе достаточно массы, запихнув её в достаточно малую область космоса, гравитационный коллапс до состояния ЧД будет необратимым, и что вне зависимости от изначальной конфигурации массы, сингулярность будет точкой, а горизонт событий – сферой. Единственный интересующий учёных параметр – размер горизонта событий – должен определяться только массой ЧД.

С поглощением ЧД всё большего количества материи, её масса растёт, и она увеличивается в размерах. Довольно долго считалось, что это будет продолжаться до тех пор, пока не останется материи для поглощения, или пока не настанет конец Вселенной.

Но кое-то изменило это предоставление. Революционное открытие того, что наша Вселенная состоит из крохотных неделимых частиц, подчиняющихся своему набору законов, квантовому набору. Частицы взаимодействуют друг с другом через различные фундаментальные взаимодействия, каждое из которых можно представить в виде набора квантовых полей.

Хотите знать, как взаимодействуют две электрически заряженные частицы, или как взаимодействуют фотоны? Всё это управляется квантовой электродинамикой, или квантовой теорией электромагнитных взаимодействий. Что насчёт частиц, отвечающих за сильные взаимодействия: за силу, держащую протоны и другие частицы в ядрах вместе? Это квантовая хромодинамика, или квантовая теория сильных взаимодействий. А что по поводу радиоактивного распада? Это квантовая теория слабых ядерных взаимодействий.

Но в этом наборе не хватает двух компонентов. Один заметить просто: в квантовом мире не учитывается гравитационное взаимодействие, поскольку у нас нет квантовой теории гравитации. А второй сложнее: три упомянутых квантовых теории обычно работают в плоском пространстве, там, где гравитационными взаимодействиями можно пренебречь. Пространство-время, соответствующее этому в ОТО, называется пространство Минковского. Но рядом с чёрной дырой пространство искривляется и превращается в пространство Шварцшильда.

И что же случается с этими квантовыми полями не в пустом и плоском пространстве, а в искривлённом пространстве рядом с ЧД? К этой проблеме Хокинг подступился в 1974 году, продемонстрировав, что присутствие этих полей в искривлённом пространстве рядом с ЧД приводит к появлению теплового излучения чёрного тела определённой температуры. Эта температура и поток тем меньше, чем более массивна ЧД, из-за того, что кривизна пространства меньше на горизонте событий у более крупной и массивной ЧД.

В популярной научной книге, «Краткая история времени» (всё ещё находящейся на первых местах в Amazon в разделах «космология» и «релятивистская физика»), Стивен Хокинг описывает вакуум пространства, состоящий из пар виртуальных частиц/античастиц, возникающих и исчезающих. По его словам, рядом с ЧД иногда одна из двух компонентов этой виртуальной пары падает за горизонт событий, а другая остаётся снаружи. В такой момент, как он пишет, внешний член пары убегает с реальной, положительной энергией, а внутренний член обладает отрицательной энергией, из-за чего масса ЧД уменьшается, что и приводит к её постепенному испарению.

Естественно, такая картина неверна. Для начала, излучение исходит не только лишь с края горизонта событий ЧД, но из всего окружающего его пространства. Но самая большая ошибка в представлении об этом процессе состоит в том, что на самом деле ЧД испускает фотоны, а не частицы и античастицы. На самом деле излучение имеет такую малую энергию, что вообще не способно произвести пары частица/античастица.

Я пытался улучшить объяснение происходящего, подчёркивая, что речь идёт о виртуальных частицах, то есть, о способе визуализации квантовых полей в природе; это не реальные частицы. Но эти свойства могут привести, и приводят к появлению реального излучения.

Но и это не совсем соответствует действительности. Это объяснение подразумевает, что неподалёку от горизонта событий излучение будет сильным, и будет казаться слабым и низкотемпературным только на большом отдалении от ЧД. На самом же деле излучение небольшое везде, и только небольшой процент излучения можно связать с самим горизонтом событий.

Реальное объяснение гораздо более сложное, и показывает, что у этой примитивной картинки есть свои ограничения. Корень проблем в том, что у разных наблюдателей получаются разные картины происходящего и восприятие частиц, и эта проблема более сложна в искривлённом пространстве, чем в плоском. Проще говоря, один наблюдатель увидит пустое пространство, но другой, ускоренно движущийся, увидит в нём частицы. Суть излучения Хокинга непрерывно связана с тем, где находится наблюдатель и что он видит, в зависимости от того, ускоренно он движется или покоится.

Создавая ЧД на том месте, где её не было, вы ускоряете частицы снаружи горизонта событий, которые в итоге попадают внутрь этого горизонта. Этот процесс и является источником этого излучения, и подсчёты Хокинга показывают, насколько невероятно сильно растянут во времени этот процесс испарения. У ЧД массой в одну солнечную испарение займёт 10⁶⁷ лет. У крупнейшей во Вселенной ЧД массой в 10 млрд солнечных это займёт 10¹⁰⁰ лет. При этом возраст сегодняшней вселенной составляет всего примерно 10¹⁰ лет, и скорость испарения настолько мала, что пройдёт ещё 10²⁰ лет, прежде чем ЧД начнут испаряться быстрее, чем они растут из-за случайных столкновений с межзвёздными протонами, нейтронами или электронами.

Поэтому, отвечая коротко на вопрос читателя, можно сказать, что картина, нарисованная Хокингом, чрезмерно упрощена до такой степени, что становится неправильной. Более длинный ответ – к появлению излучения приводит падение в ЧД материи, а из-за чрезвычайно искривлённого пространства вокруг горизонта событий это излучение испускается так медленно, на таких длительных промежутках времени и в таких больших объёмах пространства. Для ещё более длинных и технических объяснений рекомендую обратиться (по увеличению сложности) к текстам Сабины Хоссенфелдер, Джона Баеза и Стива Гиддингса.