|
Страница 3 из 3 Черна ли черная дыра? Классическая теория утверждает: ЧД вечные, по крайней мере они не исчезнут раньше, чем наша Вселенная. Они не уменьшаются в размерах и не теряют массу. И хотя вращающаяся ЧД может со временем замедлить обороты, а заряженная — утратить свой заряд, они в конце концов превратятся в обычную шварцшильдовскую ЧД, обреченную на вечное существование. Ей уже некуда сжиматься — она может только стать большей, если вообще позволительно использовать это слово для понятия "бесконечно малая точка" (сингулярность). С течением времени ЧД "всосет" все, что только можно в ближайших окрестностях. В такой роли ее можно сравнить с космическим пылесосом или "бездонной космической бездной", безжалостно поглощающей массу-энергию. 
В 1971 г. С. Хоукинг доказал очень важную для теории ЧД теорему о площади (поскольку почти вся информация о ЧД навеки спрятана в сингулярности, ученые вынуждены изыскивать все возможные варианты анализа ее состояния). Итак, теорема гласит, что площадь горизонта событий ЧД не может уменьшаться, если излучение и свет падают на ЧД, эта площадь увеличивается, а в случае (весьма гипотетическом) слияния двух ЧД она будет равна или больше суммарной площади их обеих. Пытаясь хоть как-то навести мост между экзотическими и малопонятными ЧД и хорошо изученными физическими законами и явлениями, С. Хоукинг остановился на энтропии, одном из основных понятий "науки о тепле" — термодинамике, занимающейся проблемами энергии и информации в физических системах. Один из главных законов термодинамики — второе начало термодинамики — гласит, что энтропия замкнутой системы не может уменьшаться: в любом физическом процессе она или растет, или, по крайней мере, остается неизменной. В первую очередь, энтропия — это мера неупорядоченности физической системы. Если энтропия системы увеличивается, это говорит о том, что количество энергии системы, которую можно превратить в полезную работу, уменьшается, как и мера упорядоченности внутреннего состояния системы (информации). Второе начало термодинамики иногда называют "пессимистическим законом": оно говорит о том, что дела во Вселенной могут идти все хуже и хуже. "Чем больше энтропии, тем меньше порядка" — вот наиболее доходчивое его объяснение. И хотя с введением в теорию ЧД элементов термодинамики удалось достичь значительных успехов, многие ученые не восприняли столь смелой аналогии — объединения таких далеких одна от другой областей науки — гравитации и термодинамики. В рамках этой теории удалось показать, что энтропия ЧД пропорциональна площади поверхности ее горизонта событий. Выводы напрашивались потрясающие. Выходит, ЧД с конечной энтропией должна иметь и конечную температуру! А если ЧД имеет температуру, она должна излучать! Это же в корне противоречит самому понятию ЧД! Дальше — больше. С. Хоукинг со своими коллегами выяснил, что температура ЧД обратно пропорциональна ее массе: чем она массивнее, тем холоднее. В 1974 г. С. Хоукинг и сам не поверил полученному им результату, и научную общественность долго не мог убедить в том, что ЧД могут излучать частицы — фотоны, электроны и нейтрино. С позиций отдаленного наблюдателя это излучение должно иметь сплошной тепловой спектр, то есть такой, какой излучало бы идеальное горячее тело (так называемое абсолютно черное тело) — именно так излучают миллиарды обычных звезд. Черные дыры в результате оказались не такими уж и черными, а симбиоз гравитации, термодинамики и квантовой теории дал прекрасные результаты! Квантовая теория, которую применил С. Хоукинг для решения этой интересной задачи, допускает, что в обычном "пустом" пространстве могут на очень короткие отрезки времени образовываться пары частица-античастица, которые потом быстро аннигилируют. С увеличением энергии частицы-античастицы уменьшается время их жизни. Это так называемые виртуальные частицы, поскольку они недоступны для прямых наблюдений, но производят эффекты, которые можно зафиксировать. В реальных условиях Вселенной от них нет никакого "прока", они моментально исчезают, не успев даже зарегистрироваться в каких-либо экспериментах. Мощное гравитационное поле в окрестностях ЧД резко усиливает процесс образования пар частиц. В обычных условиях аннигиляция их происходит моментально, потому говорить о рождении частиц и производимом ими эффекте не стоит. Но вблизи горизонта событий ЧД мощные приливные силы могут разорвать пару частица-античастица еще до их аннигиляции, то есть, частицы станут реальными со всеми вытекающими из этого факта последствиями. В некоторых случаях и частица, и античастица могут выпасть на ЧД, но возможен и другой вариант — только один из "партнеров" падает на ЧД, оставив другого в одиночестве — аннигилировать он уже не сможет, но может покинуть окрестности ЧД и достичь отдаленного наблюдателя. Целый поток таких частиц создаст впечатление свечения ЧД. Открытый С. Хоукингом механизм излучения ЧД называют испарением ЧД или квантовым испарением. 
Как и у обычного "черного тела", количество энергии, излучаемой ЧД в единицу времени, пропорционально площади ее поверхности и четвертой степени ее температуры. Короче, мощность излучения ЧД пропорциональна квадрату массы ЧД. Мощность излучения соответствует скорости потери ЧД массы; поэтому с увеличением массы ЧД уменьшается скорость излучения. ЧД с массой, равной солнечной, должна иметь температуру около 106 К — такое низкотемпературное излучение зафиксировать невозможно. Однако в окрестностях ЧД имеется достаточно вещества и энергии для того, чтобы регулярно пополнять утраченное при квантовом испарении. Даже без встречного процесса аккреции вещества на ЧД с массой в одну солнечную, она могла бы испаряться на протяжении 1066 лет. Поскольку возраст Вселенной 1010 лет, абсолютно ясно, что за все время существования ЧД ее излучение никак не повлияло на эволюцию. Низкая эффективность процессов испарения ЧД позволяет поставить законный вопрос: могут ли они рассматриваться в качестве эволюционного критерия? Возможно, процесс, открытый С. Хоукингом, представляет сугубо академический интерес? Георгий Ковальчук кандидат физико-математических наук, Главная астрономическая обсерватория, г. Киев
|
