Черные дыры Ч.2: Страница 3

Оглавление статей
Черные дыры Ч.2
Страница 2
Страница 3

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.

Image 

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.

Image

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

« Предыдущая — След.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: