В самом словосочетании «чёрная дыра излучает» есть что-то противоречивое. Чёрная дыра — это ведь то, что поглощает всё без разбора и не отпускает ничего, даже свет. На то она и чёрная.
И вдруг выясняется, что физики совершенно серьёзно говорят: она светится. Слабо, еле-еле, но светится.
Как объект, из которого невозможно выбраться, всё-таки что-то испускает? Ответ придумал один человек полвека назад, и это до сих пор одна из самых красивых идей в физике. Которую, правда, пока так и не удалось увидеть своими глазами.
Что в привычной картине - правда
Сначала стоит отдать должное расхожему образу: он во многом верен.
У чёрной дыры есть граница, которую называют горизонтом событий. Это не поверхность и не стена, а невидимая черта в пространстве. Всё, что её пересекает, назад уже не вернётся: чтобы вырваться, нужно двигаться быстрее скорости света, а быстрее света не движется ничто. Поэтому за горизонт проваливаются и вещество, и свет, и любой сигнал. Оттуда не приходит никаких вестей.
В этом смысле чёрная дыра и правда ловушка без выхода. Классическая физика на этом ставит точку: раз ничто не может выбраться, значит, чёрная дыра абсолютно черна и вечна.
И почти полвека так и считали. Пока за задачу не взялся один молодой физик.
1974 год и неожиданный поворот
В 1974 году британский физик Стивен Хокинг задал вопрос, который до него всерьёз никто не ставил: а что будет, если посмотреть на край чёрной дыры не только глазами теории гравитации, но и с точки зрения квантовой физики — той, что описывает мир мельчайших частиц?
Расчёты Хокинга показали: у самого горизонта событий должно происходить нечто, из-за чего чёрная дыра всё-таки испускает очень слабое излучение. Не выбрасывает наружу проглоченное, а именно излучает — теряет крохи энергии у своей границы. Позже это назвали излучением Хокинга.
Как это обычно объясняют
Чтобы представить механизм, физики часто рисуют такую картинку.
Пустота на самом деле не совсем пуста. На квантовом уровне в ней постоянно, на ничтожные мгновения, возникают пары частиц — частица и её противоположность, — которые тут же исчезают, сталкиваясь обратно. Обычно это ни к чему не приводит. Но у самого горизонта событий пара может не успеть встретиться: одну частицу затягивает за горизонт, а вторая ускользает наружу. Для наблюдателя со стороны это выглядит так, будто чёрная дыра испускает частицы.
Картинка красивая, и именно её обычно приводят. Но тут надо быть честным: это упрощение, наглядная метафора, а не буквальное описание того, что происходит. Настоящий механизм записан на языке формул, и он сложнее любой словесной картинки. Держим это в голове, чтобы не принять удобный образ за точную правду.
Гораздо важнее другое — то, что из этого излучения следует.
Дыра, которая тает
Если чёрная дыра постоянно испускает крохи энергии, значит, она понемногу теряет массу, а теряя массу, она медленно уменьшается.
Из этого вытекает поразительный вывод. Чёрная дыра, которую привыкли считать вечной, на самом деле не вечна. За колоссальные промежутки времени она может испариться — сойти на нет. Причём чем меньше чёрная дыра, тем сильнее она излучает и тем быстрее тает. Крупные, наоборот, остывают медленнее медленного.
Насколько медленно? Сроки испарения огромных чёрных дыр настолько чудовищны, что рядом с ними нынешний возраст Вселенной — меньше чем мгновение. Настолько это долго. Но принципиально важно само направление мысли: даже самые несокрушимые объекты космоса, по этой теории, не остаются навсегда.
Здесь и прячется поворот, ради которого стоит вся история. Только тут возникает главный вопрос.
А это вообще кто-нибудь видел
Вот честный ответ, который редко звучит в громких заголовках: напрямую излучение Хокинга у настоящих космических чёрных дыр пока не наблюдали.
Причина проста. Для больших чёрных дыр оно невообразимо слабое — тише любого шума, который умеют улавливать приборы. Выделить такой сигнал на фоне яркой Вселенной сегодня попросту невозможно. Так что своими глазами эффект пока не подтверждён.
Кое-что, правда, удалось сделать в лаборатории. Физики создавали особые системы — например, из сверххолодного газа, — которые повторяют условия у горизонта событий, и наблюдали в них процессы, похожие на предсказанные Хокингом. Это красивое подтверждение самой идеи. Но важно понимать: настоящую чёрную дыру в лаборатории никто не создавал, это лишь модель, воспроизводящая нужную математику.
Почему тогда физики в это верят
Возникает резонное сомнение. Если эффект не видели, почему теорию так уверенно принимают?
Потому что она не взялась из воздуха. Излучение Хокинга следует из соединения двух хорошо проверенных областей физики — теории гравитации и квантовой теории поля. Внутри этой связки оно возникает естественно и логично, без натяжек. Поэтому большинство физиков считают его реальным, хоть и не наблюдавшимся.
При этом честность требует добавить: единого мнения нет. Есть меньшинство исследователей, которые сомневаются в существовании эффекта или спорят о деталях. А полной теории, объединяющей гравитацию и квантовый мир, у нас до сих пор нет — и пока её нет, в этой области остаётся место для разногласий.
Так излучают чёрные дыры или нет
Короткий ответ звучит так. Привычное «чёрная дыра поглощает всё» верно — но только до горизонта событий. По теории Хокинга у самого края всё-таки происходит утечка, из-за которой дыра слабо светится и очень медленно тает.
Но у этого ответа есть честная оговорка, и обойти её нельзя. Излучение Хокинга — это предсказание, крепкое и красивое, опирающееся на надёжную физику, однако прямого наблюдения у космических чёрных дыр пока нет. Мы уверены в нём настолько, насколько можно быть уверенным в том, что вытекает из проверенных теорий, но чего ещё не видел ни один прибор.
И, пожалуй, в этом всё удовольствие. Идея о том, что даже чёрные дыры не вечны, живёт уже полвека и остаётся наполовину доказанной, наполовину ждущей своего подтверждения. Наука здесь честно говорит: вот стройная мысль, вот причины ей доверять — и вот граница, за которой мы пока не проверяли. Иногда именно на такой границе и находится самое интересное.
Источники:
- Hawking S. W., оригинальные работы 1974–1975 годов по излучению чёрных дыр
- Sentinel Mission, обзор физики излучения Хокинга и статуса наблюдений
- Live Science, эксперимент Дж. Штайнхауэра (Технион) с аналогом чёрной дыры, 2019
- Science News Today, обзор теории излучения Хокинга и её ограничений
- arXiv, обзорные и дискуссионные работы о статусе излучения Хокинга