Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

До сих пор это была чисто теоретическая проблема. Среди прочих ею занимался и выдающийся астрофизик Стивен Хокинг, пытавшийся понять, что происходит с квантовыми частицами на горизонте событий.
В физике квантовые объекты – самые маленькие из известных шалунов. Бог в своей бесконечной мудрости позволяет им вытворять такое, что нам и не снилось. Например, не спрашивая ни у кого разрешения, они могут “позаимствовать” немного энергии. Вся штука в том, что отдать ее обратно они должны так быстро, что никто этого не заметит.
Пустое пространство можно представить себе в виде гигантского пенящегося океана. Раз за разом брызги и капельки воды спонтанно взлетают в воздух, а затем падают вниз, вновь смешиваясь с водой в океане. Граница между океаном и воздухом размывается. Даже не плавая в воде, вблизи поверхности океана вы промокнете.
Точно так же крошечные частицы появляются и опять исчезают и в пустом пространстве. Следовательно, на самом деле пустое пространство не совсем пустое – скорее, оно заполнено взвесью частиц. Но, естественно, чтобы создать частицу из ничего, требуется энергия. Откуда же она берется? Над океаном дует ветер, поставляющий энергию каплям воды, но в пустом пространстве ветра нет. Поэтому природа использует простой, известный всем бухгалтерам трюк – она на короткое время занимает энергию у виртуальных квантов света. При этом образуется квантовая пара, состоящая из двух во всем противоположных друг другу “близнецов” – частицы и античастицы. Можно даже сказать – миниангела и минидемона. Если одна из частиц заряжена положительно, то другая – отрицательно; если одна вращается вправо, то другая – влево; если одна из частиц – материя, то другая – антиматерия. Вернемся к аналогии с океаном: частица напоминает капельку воды в воздухе, а античастица – пузырек воздуха в океане.
Когда эти два “близнеца” встречаются, их свойства нейтрализуются – материя и антиматерия уничтожают друг друга. От них не остается ничего, кроме короткого виртуального выброса энергии, возвращающейся обратно в океан пространства-времени. Причем взятый долг (энергия) погашается и никто не может выставить счет.
Но это напоминает финансовый кризис. Подобную аферу можно продолжать только до тех пор, пока никто ничего не замечает и все долги выплачиваются. Если речь идет об океане, то схема начинает давать сбой с началом шторма. Капли сдуваются с поверхности моря в направлении порта и разбрызгиваются по земле. Создается ощущение, что океан теряет воду; люди на берегу становятся мокрыми. Правда, чтобы таким образом вычерпать весь океан, потребуется целая вечность; кроме того, его пополняют реки и дожди.
Согласно Хокингу, такой же процесс происходит на краю черных дыр. Горизонт событий – берег океана пространства-времени. Черная дыра выступает в роли шторма, а гравитационная энергия заменяет энергию ветра.
В своих публичных лекциях Хокинг описывал этот процесс примерно так: на краю черной дыры рождаются пары близнецов – частиц и античастиц, – которые занимают энергию у ее сильного магнитного поля. Прежде чем они смогут отдать свой долг и аннигилировать, один из близнецов исчезает за горизонтом событий. Его выживший собрат уже не может объединиться со своим “антиблизнецом” и исчезает в необъятных просторах космоса. Временно образовавшаяся пара частиц внезапно становится одной постоянной частицей.
Но теперь эта частица не может вернуть взятую в долг энергию – сделка стала невыгодной. Черная дыра одолжила две частицы, а обратно получила только одну. В результате она теряет энергию и массу: словно бы устойчивый легкий ветерок сдувает частицы с ее поверхности. Так в ветреный день можно почувствовать, что где‐то рядом океан. Создается впечатление, будто черная дыра испускает излучение. Это – излучение Хокинга, о существовании которого ныне покойный британский ученый впервые заговорил в 1975 году.
Однако представление Хокинга о частице и античастице несколько неточно. В первую очередь оно объясняет метод расчета, используемый в квантовой механике. По сути дела, излучаются не частицы, а преимущественно фотоны, то есть свет с длиной волны, превышающей размер самой черной дыры. Кроме того, излучение испускается не прямо на горизонте событий, а исходит, скорее, из широкой области, окружающей черную дыру. Таким образом, это то же самое, как если бы источником излучения было гравитационное поле.
 
С формальной точки зрения излучение черной дыры можно описать и как тепловое излучение. Накрытая чашка горячего кофе через какое‐то время остынет, хотя от нее не идет пар. Это следствие теплового излучения чашки. Атомы на нагретой поверхности начинают слегка вибрировать, что приводит к испусканию квантовых частиц света. В 1900 году немецкий физик Макс Планк описал характерные особенности такого излучения, заложив тем самым основы квантовой механики. Планк связал квантовую механику с термодинамикой. Он показал, что любой непрозрачный темный объект независимо от его состава и формы излучает при нагревании.
Следовательно, посредством излучения, соответствующего в основном ближнему инфракрасному диапазону, чашка горячего кофе демонстрирует нам квантовую физику “в действии”. Излучая, она теряет энергию и постепенно остывает. Наши глаза не могут видеть такой свет, но тепловизоры могут. В то же время наши руки ощущают это излучение еще до того, как мы прикоснемся к чашке. Образно говоря, невидимый свет позволяет нам почувствовать квантовые колебания внутри чашки.
В математическую формулу, описывающую тепловое излучение, входит только температура, причем выглядит эта формула всегда одинаково: чем выше температура, тем выше частота света. Именно поэтому железо, когда его нагревают, сначала излучает в невидимом инфракрасном диапазоне, затем в видимом красном, затем становится желтым, а потом – белым: цвет меняется в соответствии с ростом температуры. Звезды горячее даже расплавленной стали и потому могут иметь голубой оттенок.
Испускаемое черными дырами излучение Хокинга может быть, по крайней мере теоретически, тем же тепловым излучением. Поэтому черной дыре можно приписать температуру, и эта температура зависит от ее массы. Чем черные дыры меньше, тем горячее они кажутся. Согласно Хокингу, если масса черной дыры порядка 0,5 процента массы Луны, она будет примерно такой же горячей, как чашка свежезаваренного кофе, и количество испускаемого ею излучения тоже будет примерно таким же. (Заметим, что при всей схожести вкус у них все‐таки будет разный.)
В результате излучения Хокинга черные дыры теряют энергию, а значит и массу – ведь согласно самой известной формуле Эйнштейна масса это, в конечном счете, энергия. Но в отличие от чашки с кофе, остывающей за счет теплового излучения, излучающая черная дыра становится все горячее. Чем меньше черная дыра, тем выше ее температура и тем сильнее испускаемое ею излучение. В какой‐то момент она исчерпывает себя и взрывается, излучив практически бесконечное количество тепла. Это может объяснить, почему, как полагают, в природе не существует маленьких черных дыр. Черная дыра с массой, равной массе двух дизельных локомотивов (что составляет 160 тонн), за счет собственного излучения проживет не дольше секунды.
Иначе обстоит дело с астрофизическими черными дырами. Черная дыра с массой порядка массы астероида Икар – около 100 миллионов тонн – просуществует примерно столько же, сколько и вся Вселенная. Жизнь черной дыры с массой Солнца продлится 10 67 лет, а для исчезновения M87* потребуются невообразимые 10 97 лет.
Я честно пытался найти способ продемонстрировать, что значат такие цифры, но это попросту невозможно. Однако попробуйте все же представить себе следующее: мы соберем в одном гигантском бассейне всю массу всей известной Вселенной – поместим туда все существующие в космическом пространстве звезды, планеты и туманности, а затем раз в десять миллиардов лет (примерно таков возраст нашей Вселенной) будем вынимать оттуда совсем крошечную порцию материи, повторяя это действие до тех пор, пока не вычерпаем весь бассейн. Так вот: Вселенная исчезнет в десять миллионов раз быстрее, чем M87* испарится за счет излучения Хокинга.