Ранее мы уже писали, что чёрные дыры могут испаряться. Такую гипотезу в 1970-х выдвинул Стивен Хокинг. Он показал, что чёрные дыры могут излучать (эффект Хокинга). Как же это может происходить, если чёрная дыра даже свет удерживает.
Попробуем в этом разобраться. Представь, что пустота космоса на самом деле не совсем пустая. Раньше мы уже касались, что абсолютной пустоты не бывает. В квантовой теории поля вакуум — это минимально возможное состояние энергии всех квантовых полей (электромагнитного, электронного и т.;д.) в данной области пространства. Это не «ноль частиц», а «ноль реальных частиц». При этом в вакууме всегда есть нулевые колебания: энергия не может упасть до абсолютного нуля из-за принципа неопределённости Гейзенберга (об этом попозже). Вакуум похож на кипящий бульон, в котором постоянно появляются и исчезают крошечные «виртуальные парочки» частиц (электрон-позитрон, кварк-антикварк и пр.) — как будто Вселенная на мгновение одалживает их у самой себя, а потом тут же забирает обратно. Важно понимать: виртуальные частицы — это не отдельные объекты, которые появляются и исчезают. У них нет чётких координат и времени рождения. Это способ описать, как поле временно отклоняется от своего среднего состояния. Суммарная энергия пары должна быть нулевой (потому что это виртуальные частицы, «одолженные» вакуумом)
0 = (-е) + (+е). В вакууме нет лишней энергии. Есть баланс, который нельзя нарушить без затрат. Обычно виртуальные частицы тут же встречаются и исчезают (аннигилируют), будто и не появлялись. Но рядом с чёрной дырой всё иначе. Её гравитация настолько сильная, что может «разделить» такую парочку и не дать им аннигилировать. Одна из частиц, оказавшаяся чуть ниже горизонта событий, падает внутрь чёрной дыры, а другая, оказавшаяся чуть выше горизонта, улетает, унося энергию чёрной дыры. Ключевой момент для понимания: улетевшая частица всегда обладает положительной энергией (здесь не в смысле положительного заряда, это может быть как электрон, так и позитрон). А чтобы закон сохранения энергии сработал, частица, упавшая в чёрную дыру, должна иметь отрицательную энергию (с точки зрения внешнего наблюдателя). Фраза «частица, упавшая внутрь, имеет отрицательную энергию» звучит странно, но она имеет строгий смысл именно в выбранной системе отсчёта: для чёрной дыры и вакуума. Это следствие того, что в сильном гравитационном поле энергия определяется иначе, чем в плоском пространстве. В итоге для внешнего наблюдателя суммарная энергия системы сохраняется: энергия улетевшей частицы «компенсируется» уменьшением энергии (массы) чёрной дыры на ту же величину.
Таким образом чёрная дыра создаёт реальную частицу, оплачивая её рождение энергией своего гравитационного поля. Она не творит материю из пустоты. Она платит собой. И платит честно: сколько энергии ушло в частицу, столько и потеряно чёрной дырой. Вакуум сам по себе не «платит»: виртуальные пары — это просто способ описать флуктуации квантовых полей. Когда внешнее сильное поле (в данном случае гравитационное поле чёрной дыры) разделяет пару, оно предоставляет энергию для того, чтобы одна из частиц стала реальной.
Проще говоря: вакуум не теряет энергию — он просто «одалживает» её на короткое время. А чёрная дыра, чьё поле обеспечило этот «заём», в итоге и теряет соответствующую порцию массы.
Физики часто используют образ с разделением виртуальной пары, чтобы сделать сложную тему доступнее. Но в строгом математическом аппарате (квантовая теория поля в искривлённом пространстве-времени) всё описывается иначе — через изменение самого определения частицы в разных системах отсчёта. Это как допустим если мальчик на берегу (далёкий наблюдатель) смотрит на озеро и говорит: «Я вижу волны! (видит настоящие частицы)». Рыбка в воде (наблюдатель рядом с чёрной дырой) чувствует только течение и рябь, и для неё это не волны (не реальные частицы), а просто «дрожание воды/вакуума». Озеро одно и то же, но разные наблюдатели называют увиденное по-разному, потому что они находятся в разных системах отсчёта. И именно поэтому в одной системе мы видим рождение частиц, а в другой — нет. Это не магия, а следствие того, что пространство-время рядом с чёрной дырой сильно искривлено. Поэтому не стоит воспринимать историю про «разрыв пары» как буквальный физический процесс.
Чтобы закон сохранения энергии работал, вакуум и чёрная дыра должны быть в одной общей системе отсчёта — в системе внешнего наблюдателя (того, кто далеко от дыры). Именно этот наблюдатель «ведёт кассу». Он видит, кто, что и кому одалживал, кто и за что платил: он видит и улетевшую частицу, и то, как уменьшается масса чёрной дыры. И для него баланс сходится: сколько энергии улетело — столько и пропало у дыры. Поэтому чёрная дыра действительно постепенно теряет массу — испаряется.
Для лучшего усвоения покажем этот достаточно сложный процесс на не-большой миниатюре:
Футуристическая столовая. Там нет обычной витрины — есть голографическая панель. На ней всё красиво крутится: булочки, пирожки, напитки. Мальчик тянет руку к булочке, но пальцы проходят сквозь картинку.
Мальчик: «Опять эта голограмма… Я вижу булочку, а схватить не могу!»
Папа (улыбается, но в голосе серьёзность): «Да это просто свет и пиксели: ты не можешь схватить голограмму и съесть. Это как вакуум с виртуальными частицами. Он тоже показывает, но не отдаёт. Картинки есть, а вещества нет. Чтобы у вакуума отобрать нужна энергия и здесь тоже, чтобы булочка материализовалась нужно что-то сделать.
Папа кладёт ладонь с банковской картой на сканер кассы. На экране кассы цифра списывается со счёта папы.
Папа: «Представь, что я — чёрная дыра. У меня есть энергия, и я могу обменять её на реальность. Моя энергия – это денежки. Чтобы булочка стала реальной, я должен отдать часть своей энергии, то есть заплатить за булочку.
Мальчик (смотрит на папу, потом на кассу): «То есть ты отдаёшь часть своей энергии… чтобы булочка появилась?»
Папа: «Да. Я отдаю энергию в виде денежек. Энергия переходит в массу. Сколько энергии/денежек я отдал — ровно столько массы и появилось у твоей булочки. У меня стало меньше денежек, но зато вот тебе реальная тёплая и, надеюсь вкусная, булочка. Кушай на здоровье! Мне не жалко.
Папа (чуть тише, уже не для мальчика, а будто сам себе формулирует): «В космосе всё ещё хитрее. Там, рядом с чёрной дырой, гравитация так искривляет пространство, что одна половинка виртуальной пары будто получает “минус” — отрицательную энергию — и падает внутрь, уменьшая массу дыры. А другая половинка улетает с “плюсом” — как эта булочка у тебя в руке. То есть дыра не просто тратит энергию, она буквально принимает этот “минус”, чтобы снаружи появился “плюс”».
Папа: «Вот так работает Вселенная: ничего не берётся из пустоты. Я тоже принимаю этот минус - списание моих денежек, чтобы ты получил плюс – тёплую булочку. А от энергии чёрной дыры, как ты понимаешь, появляется реальная частица во Вселенной».
Мальчик с удовольствием кушает тёплую булочку.
На заднем плане — женщина (мама) смотрит на большой общий монитор, где видно и кассу, папу и мальчика.
Мама (подходит, кладёт руку папе на плечо, улыбаясь): «А я на расстоянии видела всю картину сразу: как твои денежки/энергия превратились в реальную тёплую булочку, точно такую же, как на голограмме. И баланс сошёлся: сколько ушло у тебя, столько появилось у него. Я думаю, что здесь закон сохранения энергии не нарушен».
Папа: «Вот именно. Если бы ты стояла прямо у голограммы, ты бы видела только мерцание и чувствовала бы тепло проектора. А оттуда, издалека, видно всё и главное: приход и расход. Вселенная строго считает каждый джоуль — и всегда сводит баланс. Ты права, мы не нарушили законы Вселенной — мы их использовали».
Важные детали, которые помогают понять масштаб. Чем меньше чёрная дыра, тем быстрее она испаряется. Скорость испарения растёт, когда масса уменьшается: дыра начинает терять массу всё быстрее и быстрее. В конце концов, у совсем маленькой дыры это может закончиться мощным выбросом энергии — словно мини взрывом.
Обычные чёрные дыры испаряются невероятно медленно. Например, чёрная дыра массой как Солнце теряла бы массу так медленно, что за всё время существования Вселенной она почти не похудеет. Чтобы она заметно испарилась, нужны сроки, намного превышающие возраст Вселенной.
Особенно интересны первичные чёрные дыры. Это гипотетические маленькие чёрные дыры, которые могли образоваться сразу после Большого взрыва. Если они были достаточно лёгкими, то к сегодняшнему дню могли уже полностью испариться — и мы могли бы искать следы этих «финальных вспышек». Пока таких следов не нашли.