История изучения испарения чёрных дыр
История изучения испарения чёрных дыр. Чёрная дыра – это общее название для сжавшегося космического объекта, не имеющего материальной поверхности, но имеющего границу. Границей чёрной дыры является горизонт событий, на котором вторая космическая скорость равна скорости света. Это означает, что даже свет не может покинуть горизонт событий чёрной дыры.
Термин «чёрная дыра» впервые был упомянут в 1964 г. и вскоре стал общепринятым благодаря Дж. Уилеру (1967). Уилер также задался вопросом о возможности испускания излучения таким объектом и сам дал на этот вопрос отрицательный ответ, сформулированный им и доказанный другими учёными [В. Израэль, Б. Картер, Д. Робинсон (Великобритания) и др.] в виде тезиса об «отсутствии волос у чёрной дыры». Это означает, что, однажды сформировавшись – в результате гравитационного коллапса массивных звёзд или как-то иначе, – чёрные дыры характеризуются только массой, моментом импульса и, возможно, зарядом, но больше ничем. Их свойства не зависят от того, что именно они поглотили.
Однако этот, казавшийся таким убедительным, тезис впоследствии подвергся пересмотру в связи с привлечением в теорию чёрных дыр – релятивистских гравитационных объектов – термодинамики и квантовой теории.
Поскольку при попадании в чёрную дыру вещества и излучения площадь горизонта событий может только увеличиваться, то в 1970-х гг. была создана математическая теория чёрных дыр (Я. Бекенштейн и др.), опирающаяся на аналогию между ростом горизонта событий в теории гравитации и неубыванием энтропии в термодинамике, – термодинамика чёрных дыр. Однако из предположения о том, что чёрная дыра обладает энтропией, следует, что чёрная дыра обладает и температурой (её величина должна быть пропорциональна поверхностной гравитации чёрной дыры). Другими словами, чёрная дыра может находиться в состоянии термодинамического равновесия при ненулевой температуре, что не соответствует предположению о том, что чёрная дыра способна только поглощать излучение. Этот парадокс удалось разрешить привлечением квантовой теории.
Я. Б. Зельдович.Впервые возможность существования излучения, испускаемого чёрной дырой, предсказал Я. Б. Зельдович (1971–1972). Он рассматривал задачу генерации электромагнитных волн вращающимся телом и усиление цилиндрических электромагнитных волн при отражении от вращающегося тела. Согласно его расчётам, вращающаяся чёрная дыра будет усиливать падающие на неё электромагнитные волны определённых частот и, следовательно, должен существовать эффект, аналогичный квантовому эффекту спонтанного излучения энергии и момента импульса. Ч. Мизнер (1972) и А. А. Старобинский (1973) подтвердили факт усиления вращающейся чёрной дырой скалярных волн (возмущений гипотетического скалярного поля) в режиме т. н. суперрадиации (когда скорость волнового фронта ниже скорости волны).
Далее вопросом испускания излучения чёрной дырой занимались С. Хокинг, Дж. Хартл, Г. Гиббонс и др. В частности, Хокинг показал (1974), что чёрные дыры должны испускать тепловое излучение вследствие процессов рождения и аннигиляции виртуальных пар частиц и античастиц в вакууме (при этом частицы имеют положительную энергию, а античастицы определяются как их партнёры, имеющие те же абсолютные значения характеристик, но отличающиеся знаком энергии – она у них отрицательна). Если такая пара возникнет вблизи горизонта событий чёрной дыры, снаружи от него, то античастица может уйти под горизонт, уменьшив массу чёрной дыры за счёт своей отрицательной энергии, а оставшаяся снаружи частица при этом теряет возможность проаннигилировать со своим партнёром и становится реальной частицей, удаляясь от чёрной дыры и унося положительную энергию. Если виртуальная пара из частицы и античастицы рождается под горизонтом событий, то частица может туннелировать за пределы горизонта и стать реальной частицей, а античастица остаётся внутри чёрной дыры, уменьшив её энергию (массу). В результате этих процессов формируется поток энергии от чёрной дыры, сопровождающийся потерей её массы, – чёрная дыра «испаряется». Этот эффект получил название излучение Хокинга, или «испарение Хокинга».
Стивен Хокинг. 1979. Принстон, Нью-Джерси.Чем меньше масса чёрной дыры, тем выше темп её испарения, поэтому эффект «испарения Хокинга» может быть значимым только для чёрных дыр малых масс. Особенно значим он для некоторых первичных чёрных дыр, массы которых составляют всего несколько десятков планковских масс, – такие чёрные дыры могли рождаться в ранней Вселенной. Для чёрных дыр, образовавшихся в результате коллапса звёзд, и тем более для сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик эффект испарения пренебрежимо мал.
Эффект «испарения Хокинга» породил новую проблему в физике чёрных дыр, которая называется информационным парадоксом. Вследствие излучения Хокинга энергия (масса) чёрной дыры может неограниченно уменьшаться вплоть до нуля, что означает полное её испарение. В этом случае вся информация, которая содержалась в упавших в чёрную дыру всевозможных объектах, исчезает безвозвратно. Это приводит, с одной стороны, к математической несогласованности квантового описания процесса испарения, а с другой стороны, по мнению С. Хокинга, к фундаментальной проблеме невозможности предсказать будущее Вселенной. Некоторых физиков-теоретиков такие рассуждения приводят к рассмотрению множественности одновременно существующих вселенных, в том числе на основе многомировой интерпретации квантовой механики Х. Эверетта. Однако в некоторых теориях гравитации, являющихся расширениями общей теории относительности, удаётся избежать полного испарения первичных чёрных дыр, которые в конце своей эволюции образуют малые реликтовые остатки. Средствами проверки этих и подобных гипотез могут служить эксперименты на ускорителях, а также исследования ранней Вселенной.