Излучение Хокинга

10 ноября 2021

Излучение Хокинга — процесс излучения различных элементарных частиц черной дырой, который был теоретически описан британским ученым Стивеном Хокингом в 1974-м году.

История возникновения вопроса

Задолго до публикаций работ Стивена Хокинга, возможность излучения частиц черными дырами высказывалась советским физиком-теоретиком Владимиром Грибовым в дискуссии с другим ученым — Яковом Зельдовичем.

виртуальные частицыЗанимаясь исследованием поведения элементарных частиц вблизи черной дыры, в 1973-м году тридцатилетний Стивен Хокинг посетил Москву. В столице ему удалось принять участие в научном обсуждении с двумя выдающимися советскими учеными Алексеем Старобинским и Яковом Зельдовичем.

Работая некоторое время над идеей Грибова, они пришли к выводу, что черные дыры могут излучать элементарные частицы благодаря туннельному эффекту. Последний означает существование вероятности того, что частица может преодолеть любой барьер, с точки зрения квантовой физики.

Заинтересовавшись данной темой, Хокинг подробно изучил вопрос и в 1974-м году опубликовал свою работу, впоследствии которой его именем было названо упомянутое излучение.

Стивен Хокинг несколько иначе описал процесс излучения частиц черной дырой. Первопричиной такого излучения являются так называемые «виртуальные частицы».

Виртуальные частицы

концепция виртуальных частиц

В процессе описания взаимодействий между частицами ученые пришли к мысли о том, что взаимодействия между ними происходят посредством обмена некими квантами («порции» какой-либо физической величины). Например, электромагнитное взаимодействие в атоме между электроном и протоном протекает при помощи обмена фотонами (переносчиками электромагнитного взаимодействия).

Однако тогда возникает следующая проблема. Если, рассмотреть этот электрон как свободную частицу, то он никоим образом не может просто излучить или поглотить фотон, согласно принципу сохранения энергии. То есть он не может просто потерять или приобрести какое-то количество энергии.

Тогда ученые и создали так называемые «виртуальные частицы». Последние отличаются от реальных тем, что рождаются и исчезают так быстро, что зарегистрировать их невозможно. Все, что виртуальные частицы успевают сделать за короткий промежуток своей жизни – это передать импульс другим частицам, при этом, не передавая энергию.

Таким образом, даже пустое пространство, в силу неких физических флуктуаций (случайных отклонений от нормы) просто кишит этими виртуальными частицами, которые постоянно рождаются и уничтожаются.

синхрофазотрон показал, что существование виртуальных частиц в принципе возможно

Испарение черной дыры

Когда частицы улетучиваются, черная дыра теряет небольшое количество своей энергии и, следовательно, часть своей массы (масса и энергия связаны уравнением Эйнштейна E = mc2). Следовательно, испаряющаяся черная дыра будет иметь конечную продолжительность жизни. С помощью размерного анализа можно показать, что продолжительность жизни черной дыры масштабируется как куб ее начальной массы: 176-177, и Хокинг оценил, что любая черная дыра, образовавшаяся в ранней Вселенной с массой менее примерно 10-15 г, к настоящему времени полностью испарилась бы.

В 1976 году Дон Пейдж уточнил эту оценку, рассчитав производимую мощность и время испарения для не вращающейся, не заряженной черной дыры Шварцшильда массой М. Время, в течение которого горизонт событий или энтропия черной дыры уменьшается вдвое, известно как время Страницы.

Расчеты усложняются тем фактом, что черная дыра, будучи конечного размера, не является идеальным черным телом; поперечное сечение поглощения уменьшается сложным, зависящим от спина образом по мере уменьшения частоты, особенно когда длина волны становится сопоставимой с размером горизонта событий.

Пейдж пришел к выводу, что первичные черные дыры могли дожить до наших дней только в том случае, если их начальная масса составляла примерно 4×10-11 кг или больше. Писать в 1976 г., стр. используя понимание нейтрино, в то время ошибочно работал на предположении, что нейтрино не имеют массы и, что всего два нейтринных ароматов существует, и поэтому его результаты черную дыру жизней не соответствуют современным результаты которых учитываются 3 ароматов нейтрино с ненулевой массы.

В 2008 году расчеты, используя частицы содержимого Стандартной модели и Показатель WMAP для возраста Вселенной дал границу массы (5,00±0,04)×10 11 кг.

Если черные дыры испаряются под излучением Хокинга, солнечной массы черная дыра испарится за 1064 лет, что значительно дольше, чем возраст Вселенной. Сверхмассивная черная дыра с массой 1011 (100 млрд) M☉ будет испаряться около 2×10100 лет. Некоторые загадочные черные дыры во Вселенной, по прогнозам, будет продолжать расти вплоть до, возможно, 1014 M☉ период распада сверхскопления галактик. Даже они испарятся в течение периода времени до 10 106 лет.

Мощность, излучаемая черной дырой в форме излучения Хокинга, может быть легко оценена для простейшего случая не вращающейся, не заряженной черной дыры Шварцшильда массой M. Объединив формулы для радиуса Шварцшильда черной дыры, закон Стефана–Больцмана излучения абсолютно черного тела, приведенную выше формулу для температуры излучения и формулу для площади поверхности сферы (горизонт событий черной дыры), можно вывести несколько уравнений.

Температура излучения Хокинга составляет:

Светимость черной дыры Бекенштейна–Хокинга в предположении о чистом излучении фотонов (т. е. о том, что никакие другие частицы не испускаются) и в предположении, что горизонт является излучающей поверхностью, составляет:

Где P-светимость, т. е. излучаемая мощность, ħ-приведенная постоянная Планка, c-скорость света, G-гравитационная постоянная и M-масса черной дыры. Стоит отметить, что приведенная выше формула еще не была выведена в рамках квазиклассической гравитации.

Время, необходимое черной дыре для рассеивания, составляет:

Где M и V-масса и (Шварцшильдовский) объем черной дыры. Черной дыре с одной солнечной массой (M☉ = 2,0×10 30 кг) требуется более 10 67 лет для испарения—намного больше, чем текущий возраст Вселенной в 1,4×10 10 лет. Но для черной дыры массой 10 11 кг время испарения составляет 2,6×10 9 лет. Вот почему некоторые астрономы ищут признаки взрыва первичных черных дыр.

Однако, поскольку Вселенная содержит космическое микроволновое фоновое излучение, для того чтобы черная дыра рассеялась, у черной дыры должна быть температура больше, чем у современного излучения абсолютно черного тела Вселенной, составляющего 2,7 К.

В 2020 году Чоу предложил теорию, согласно которой, если вращающаяся излучающая первичная черная дыра имеет массу, подобную Плутону, ее температура излучения Хокинга составит 9,42 К, что выше 2,7 Км2. Другое исследование предполагает, что М должен составлять менее 0,8% от массы Земли – примерно масса Луны.

Испарение черной дыры имеет несколько существенных последствий:

  • Испарение черных дыр создает более последовательное представление о термодинамике черных дыр, показывая, как черные дыры термически взаимодействуют с остальной Вселенной.
  • В отличие от большинства объектов, температура черной дыры увеличивается по мере того, как она излучает массу. Скорость повышения температуры экспоненциальна, и наиболее вероятной конечной точкой является растворение черной дыры в сильном взрыве гамма-лучей. Однако для полного описания этого растворения требуется модель квантовой гравитации, поскольку это происходит, когда масса черной дыры приближается к 1 планковской массе, когда ее радиус также приблизится к двум планковским длинам.
  • Простейшие модели испарения черной дыры приводят к информационному парадоксу черной дыры. Информационное содержание черной дыры, по-видимому, теряется при ее рассеянии, поскольку в этих моделях излучение Хокинга является случайным (оно не имеет отношения к исходной информации). Был предложен ряд решений этой проблемы, включая предположения о том, что излучение Хокинга возмущается, чтобы содержать недостающую информацию, что испарение Хокинга оставляет некоторую форму остаточной частицы, содержащей недостающую информацию, и что в этих условиях допускается потеря информации.

Исследование

Точку в споре о существовании эффекта должны были бы поставить наблюдения, однако температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор гипотеза не подтверждена наблюдениями.

Согласно общей теории относительности, при образовании Вселенной могли бы рождаться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 1012 кг) должны были бы заканчивать испаряться в наше время. Так как интенсивность испарения растёт с уменьшением размера чёрной дыры, то последние стадии должны быть, по сути, взрывом чёрной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Известно о попытке исследования «излучения Хокинга» на основе модели — аналога горизонта событий для белой дыры, в ходе физического эксперимента, проведённого исследователями из Миланского университета.

В 2014 году Джефф Штейнхауэр из Израильского технологического института провёл эксперимент по моделированию излучения Хокинга в лаборатории с помощью звуковых волн.

Истоники:

https://zen. yandex.ru/media/spacegid/izluchenie-hokinga-5d1b4bf0d33d2500ad86242c

https://translated. turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.ad857f15-61a88b2f-b7ce914a-74722d776562/https/en. wikipedia.org/wiki/Hawking_evaporation#Black_hole_evaporation

https://ru.wikipedia.org/wiki/Излучение_Хокинга#Исследование







Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]