Ads 468x60px

воскресенье, 22 апреля 2018 г.

Загадки чорної діри

Чорна діра - це область простору-часу з величезним гравітаційним притяганням. Будь-яке тіло в космосі має гравітаційне поле, яке хоч скільки-небудь викривляє простір-час. Наприклад, щоб подолати гравітаційне поле нашої Землі, об'єкту необхідно досягти першої і другої космічної швидкості. Сучасні двигуни цілком здатні надати космічному кораблю необхідний імпульс.

Але щоб покинути межі чорної діри, об'єкту необхідно розігнатися до швидкості, що перевищує швидкість світла. Сучасна фізика вважає, що ніщо у Всесвіті не може рухатися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла - і кванти самого світла, звичайно, теж. Саме тому ми можемо стверджувати, що ніщо, навіть світло, не може покинути чорну діру.

Або все-таки може? Дивовижний світ квантової механіки стверджує, що і чорна діра може випромінювати в простір. Щоб зрозуміти, як це стає можливо, необхідно розповісти про те, що являє наш простір на рівні елементарних частинок.

Квантова теорія поля стверджує, що весь простір-час Всесвіту в будь-якій точці різними енергетичними полями. Якщо взяти порожній простір - фізичний вакуум - виміряти його точнейшими сучасними приладами і побачити, що в цьому просторі не спостерігається жодного фотона, то можна сказати що поле знаходиться в стані найменшої енергії, тобто не здатне віддавати енергію. Виходить, енергія поля дорівнює нулю? Зовсім ні. Навіть в цьому випадку неможливо точно (безумовно) виміряти енергію даного поля, інакше це порушило б принцип невизначеності (або принцип Гейзенберга) - основу квантової механіки. Виходить, що навіть в стані з найменшою енергією ми можемо поставити значення енергії поля тільки розподілом ймовірності. А це означає, що у фізичному вакуумі будуть завжди відбуватися різні флуктуації.

Квантова теорія пояснює їх наявність постійним народженням та знищенням віртуальних частинок і античастинок. Чому віртуальних? Тому що відбувається це в настільки короткі проміжки часу (близько 10-24 сек.), Що ми просто не зможемо ці частинки зареєструвати. Спочатку існування віртуальних частинок було виявлено на папері - під час виведення формул - і довгий час піддавалося сумніву, як лише математичний опис реальності. Однак тепер вчені точно знають, що віртуальні частинки існують - вони реагують зі звичайними реальними частками, змінюючи характеристики останніх, що було багаторазово підтверджено різними експериментами. Так, світ на квантовому рівні виглядає зовсім не так, як наш буденний світ, а являє собою якийсь киплячий бульйон, в якому з нізвідки постійно народжуються і знищуються нові частинки. Теоретично, при впливі на вакуум зовнішнім полем, пару віртуальних частинок можна перетворити в пару реальних, приклавши для цього енергію.

А тепер уявімо, що пари віртуальних частинок народжуються на самому горизонті подій чорної діри. Серед незліченної безліч таких пар може виникнути і така, яка під впливом гравітаційного поля перейде в реальний стан. При цьому коли-небудь настане такий момент, що одна з частинок впаде в чорну діру, а інша зможе уникнути падіння, вийшовши на вдалу траєкторію польоту, яка немов з пращі «отшвирнет» частку назад в космос, надавши їй величезне прискорення.

Зауважимо, що реальні частки не народилися самі по собі - їх своєю енергією створила чорна діра, випромінюючи потім одну з частинок в космос. Можна підрахувати, що впала за горизонт подій перша частка не змогла компенсувати чорній дірі втрату в енергії, яку вона витрачала на перетворення віртуальних частинок в реальні, а потім на надання імпульсу другий частці. Виходить, чорна діра не тільки випромінюючи в космос частку, але і втратила через це частину своєї енергії, а значить і маси. Теоретично, з часом вона повинна просто випаруватися - адже кожну мить народжується безліч віртуальних частинок, а матерія поблизу чорної діри рано чи пізно закінчується.

Дане випромінювання носить ім'я відомого фізика-теоретика Стівена Хокінга і називається «випромінюванням Хокінга». Довести або спростувати теорію Стівена Хокінга можна вимірявши теплової спектр випромінювання поблизу горизонту подій чорної діри, однак сучасна техніка поки що не досягнула належного рівня для таких складних спостережень. Навколо існування випромінювання Хокінга донині ведуться запеклі дискусії.

Крапку в суперечках могло б поставити виявлення зникаючих чорних дір - кожне випаровування теоретично повинно закінчуватися грандіозним вибухом. Однак поки що ніяких слідів подібних подій не виявлено - швидше за все, вік Всесвіту поки ще занадто малий, щоб навіть перші утворилися в ній чорні діри підійшли до кінця свого життя.

Схожi статтi: