Черные дыры или объекты, которые возникают, когда пространство-время коллапсирует под действием огромной гравитации, не должны иметь каких-либо известных нам черт. Но ученые доказывают, что на них все-таки должно быть давление. Это очень странно, так как оно не может быть направлено ни вовне, ни внутрь.
Идея о том, что может существовать объект настолько массивный, что даже свет не может выйти из него, была изложена в документе, отправленном Королевскому обществу в 1783 году геологом Джоном Мичеллом. В то время уже была известна теория гравитации Ньютона, которая предполагала, что у каждого тела есть убегающая скорость. Если тело будет слишком массивным, эта скорость будет даже выше скорости света. Мичелл считал, что таких объектов во Вселенной может быть много. Спустя столетия выяснилось, что он был абсолютно прав.
Согласно общей теории относительности, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915 году, каждая масса искривляет пространство-время. Несколько месяцев спустя Карл Шварцшильд показал, что, когда масса достаточно велика, искривление пространства фактически не позволяет свету выходить за пределы определенного предела, называемого «горизонтом событий». В 1931 году Субраманян Чандрасекар в свою очередь доказал, что выше определенной массы ничто не может остановить гравитационный коллапс звезды. Это были лишь теоретические доказательства того, что такие объекты, известные сегодня как черные дыры, могут существовать.
Как это часто бывает с рассуждениями теоретиков, они не вызвали широкого интереса. Только после открытия пульсаров - чрезвычайно массивных нейтронных звезд - в 1967 году ученые заинтересовались еще более массивными объектами. Два года спустя Джон Арчибальд Уиллер назвал их «черными дырами». Название должно было подчеркнуть, что такой объект не изучает видимого света. И она прекрасно прижилась.
Могут ли черные дыры излучать излучение?
Сначала физики считали, что все черные дыры должны быть одинаковыми. Ничто не должно их различать, потому что никакая информация не должна выходить из них. Согласно теории, они могли отличаться только по массе. Они также могли различаться по скорости вращения вокруг оси или вообще не иметь ее. Но в остальном у них не должно быть других характеристик.
Оказывается, да. В 1980-х годах физик Стивен Хокинг доказал, что черные дыры должны излучать излучение. Как это возможно, если ничто из них не может выбраться?
Квантовые теории поля предполагают, что даже полностью пустое пространство заполнено парами частиц и античастиц, которые постоянно аннигилируют и снова поднимаются. Вблизи горизонта событий черной дыры такое явление иногда должно приводить к тому, что одна частица пары ударяется о горизонт, а другая - убегает. Мы будем наблюдать поток таких убегающих частиц как излучение. Его назвали излучением Хокинга.
Квантовые эффекты означают, что черная дыра также должна иметь давление
Теперь исследователи доказывают, что квантовые эффекты требуют, чтобы черная дыра имела давление. Ксавье Калмет и Фолкерт Кейперс из Британского университета в Сассексе рассчитали, что должно произойти, если математическое описание горизонта событий объединить с формулами, описывающими квантовую теорию поля и теорию относительности.
Неожиданный фактор возник из их уравнений. Квантовые флуктуации должны иметь иной эффект, чем излучение Хокинга. Поверхность черной дыры должна находиться под давлением.
Это совершенно неожиданно, - говорит Калмет. - Появление этого давления означает, что черные дыры еще сложнее.
Там ничего нет, но есть давление
Исследователи не знают, каков может быть физический смысл результатов их расчетов. В повседневной жизни давление определяется как сила, оказываемая набором частиц на тело. Здесь частицы полностью виртуальны - они исчезают в мгновение ока. Так что их в основном нет, а давление остается.
Так что это не то давление, к которому мы привыкли. Тем более, что оно возникает на поверхности горизонта событий (а не внутри и не за его пределами). Единственное сравнение, которое приходит на ум, - это воздушный шар. Мы должны представить себе, что его резиновые стенки (а не газ внутри или воздух снаружи) оказывают давление.
Расчеты показывают, что это давление всегда должно быть отрицательным. Следовательно, пространство под горизонтом событий должно сузиться. Это, в свою очередь, очень хорошо согласуется с расчетами Хокинга, согласно которым черные дыры медленно «испаряются» и сокращаются из-за излучения. Хотя на это уходит невообразимо много времени, в конечном итоге они должны исчезнуть.
Следовательно, оба явления могут быть связаны друг с другом. Каким образом - пока неизвестно.
Каждая новая вещь, которую мы узнаем о квантовых свойствах черных дыр, дает нам ключ к пониманию того, как квантовая механика может быть объединена с теорией гравитации и какими характеристиками должна обладать такая новая теория, - добавляет Калме.
Источники: New Scientist, Physical Review D
