Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Излучение Хокинга

Давайте рассмотрим созданную случайным образом пару из частицы и античастицы [77] Обычно, когда рассказывают про излучение Хокинга, эти две частицы называют электрон и позитрон, поскольку они должны быть друг другу античастицами. В окрестностях настоящих черных дыр гораздо чаще создаются пары фотонов — частиц света с нулевой массой. Производить фотоны гораздо дешевле, чем электроны. . Когда создаешь пару, то обычно две частицы хотят от жизни только одного — воссоединиться. И делают это очень быстро. Один из главных прогнозов квантово-механической неопределенности состоит в том, что чем больше энергии позаимствовано у вакуума, чтобы создать пару, тем меньше времени частицы способны пробыть в разлуке. Не зря говорят, что Сила должна пребывать в равновесии.

С точки зрения частиц, созданных возле горизонта событий, ничего особенного не происходит — по крайней мере поначалу. Частицы-то не знают, что поблизости черная дыра. Они пребывают в свободном падении, точь-в‑точь как наши астронавты на борту МКС.

Но время от времени случается так, что одна частица создается чуть-чуть ниже горизонта событий, а вторая чуть-чуть выше. Ту частицу, которой хватило глупости пренебречь вселенским знаком «Посторонним вход воспрещен», поглощает черная дыра, а ее партнерша улетает наслаждаться полной свободой. Квантовая судьба переменчива. Которой из частиц суждено жить, а какой умереть — вопрос чистой случайности.

Интуитивно можно предположить, что поскольку черные дыры постоянно заглатывают виртуальные частицы, на калорийном рационе из вакуума они вскоре разжиреют. Но тут есть одна тонкость. Энергия очень зависит от того, где находишься. Если выбросить пианино из окна шестого этажа, то с точки зрения бросавшего оно обладает куда меньшей энергией, чем с точки зрения бедолаги, на которого оно рухнет.

Подобным же образом, если запустить фотон наружу из точки, расположенной поблизости от горизонта событий, но все же по внешнюю сторону от него, то чем дальше он будет улетать, тем больше энергии потеряет. Если он родился точно на горизонте событий, он потеряет всю энергию. Вот почему — сюрприз, сюрприз! — свет из черной дыры не вырывается. Тому, кто стоит далеко от нее, все равно, с каким запасом энергии фотон вылетел в путь — ему интересно только то, сколько у фотона энергии в момент, когда его наблюдают.

Налицо два эффекта, которые конкурируют друг с другом. Высокоэнергичные фотоны обязательно создаются поблизости друг от друга. Но при этом чем ближе фотон к горизонту событий, тем больше энергии он теряет на пути наружу. Совместно эти два эффекта и придают фотонам характерную энергию, которую можно наблюдать издалека. Чем крупнее черная дыра, тем меньше энергии в конечном итоге оказывается у фотона и тем холоднее излучение на взгляд наблюдателя.

Но тут все становится еще интереснее. Частица, созданная над горизонтом событий, теряет почти всю энергию. Частица, созданная в точности на горизонте событий, теряет всю свою энергию и не вносит никакого вклада в массу черной дыры. Любая частица, созданная ниже горизонта событий, обладает отрицательной энергией — а это значит, что когда она падает в черную дыру, та на самом деле теряет массу. Примерно как продукты с «отрицательной калорийностью» вроде сельдерея, на переваривание которых уходит больше энергии, чем они с собой приносят.

Количество массы, которую теряет черная дыра, заглотив фотон, родившийся ниже горизонта событий, в точности равно энергии удравшего фотона (с коэффициентом c² для ровного счета). Вуаля! Черная дыра полным ходом движется к испарению.

Давайте-ка облечем все это в числа, чтобы вы могли произвести впечатление на знакомых на пикнике, сборище фанатов комиксов или куда там вы ходите. Черная дыра с массой Солнца будет излучать свет с температурой примерно 60 миллиардных градуса по Кельвину. Это потрясающе холодно — примерно в 50 миллионов раз холоднее, чем фоновая температура вселенной. Поскольку тепло перетекает от горячего к холодному, излучение вселенной на самом деле подпитывает черную дыру с массой, равной массе Солнца. Поэтому уменьшаются в настоящий момент лишь жалкие и ничтожные черные дыры с массой меньше Луны.

Черные дыры с массой Солнца не начнут испаряться, пока вселенная не станет в 50 миллионов раз холоднее (а следовательно, в 50 миллионов раз больше), чем сейчас. До этого еще несколько сотен миллиардов лет. Иными словами, нет никаких шансов, что мы воспользуемся излучением Хокинга на практике, чтобы увидеть черные дыры. Они для этого слишком холодны.