Квант. Путеводитель для запутавшихся

Подчеркивая отрицание

Пол Дэвис, профессор натурфилософии, Университет Маккуори, Сидней

Когда в 1974 году Стивен Хокинг объявил, что черные дыры на самом деле не черные, а излучают тепло и медленно испаряются, люди начали гадать, откуда появляется энергия тепла. Раз черная дыра все поглощает, откуда же она берет энергию для подпитки теплового излучения? Ответ на этот вопрос вскоре нашелся. Излучаемое черной дырой тепло обеспечивается не энергией, выходящей из дыры, а отрицательной энергией, входящей в нее.

Простыми словами, отрицательное энергетическое состояние представляет собой состояние с меньшим количеством энергии, чем состояние с нулевым гравитационным полем. Но как можно обладать меньшей массой, или энергией, чем абсолютно пустое пространство? Секрет кроется в квантовой механике – или, точнее, в квантовой теории поля. Согласно этой теории, кажущееся пустым пространство на самом деле пустым не является – в нем кишат всевозможные «виртуальные» частицы, которые существуют лишь мимолетно. Так называемое состояние квантового вакуума невозможно освободить от этих бесчисленных призрачных сущностей, хотя они и не обладают измеряемой энергией, а следовательно, совсем не имеют силы притяжения. И действительно, виртуальные частицы обнаруживают себя, только когда что-то нарушает квантовый вакуум.

Простой пример нарушения квантового вакуума дает знаменитый эффект Казимира, открытый в 1948 году. Два поставленных друг напротив друга зеркала заключают между собой некоторый объем квантового вакуума. Зеркала отражают реальные фотоны света, но также отражают и призрачные виртуальные фотоны. Это нарушает энергетический бюджет квантового вакуума, и при сведении баланса обнаруживается, что общее количество энергии модифицированного вакуумного состояния между зеркалами меньше, чем количество энергии немодифицированного состояния, где не задействованы зеркала, то есть пустого пространства. Таким образом, наличие параллельных зеркал опускает уровень энергии ниже уровня энергии пустого пространства, делая его отрицательным в понимании большинства людей. Эта отрицательная энергия проявляет себя в качестве измеримой силы притяжения между зеркалами. В 1970-х годах мы со Стивеном Фуллингом, используя квантовую теорию поля, открыли, что отрицательные энергетические состояния можно создавать и с помощью одного зеркала, если двигать его особым образом. Более того, наши расчеты показали, что отрицательная энергия будет удаляться от зеркала на скорости света, давая возможность появления пучка отрицательной энергии – в противоположность статической отрицательной энергии, связываемой с эффектом Казимира. Вскоре после этого было обнаружено, что смешанные лазерные пучки могут создавать краткие вспышки отрицательной энергии из так называемых сжатых состояний. Эти состояния недавно были продемонстрированы в лабораторных условиях.

Как только была открыта возможность течения отрицательной энергии, мы с Фуллингом сумели доказать, что излучение Хокинга подпитывается именно таким образом. На расстоянии излучение тепла представляет собой поток положительной энергии, вытекающей из черной дыры. Однако мы знали, что этот поток энергии нельзя отследить до его истока внутри дыры, поскольку это бы нарушало правило, что ничто не может покинуть дыру. Мы обнаружили, что поток отрицательной энергии постоянно втекает в дыру из окружающей ее области. В результате непрерывного накопления отрицательной энергии внутри дыры ее масса уменьшается. Наши расчеты подтвердили, что черная дыра теряет массу-энергию именно с той скоростью, которая необходима для поддержания теплового излучения. Черные дыры, а на самом деле и все сферические объекты, создают рядом с собой отрицательную энергию квантового вакуума, поскольку искривление пространства-времени под действием их гравитационного поля нарушает активность виртуальных частиц. По одному из этих удачных совпадений, создаваемая при превращении звезды в черную дыру деформация пространства, как выяснилось, оказывает на квантовый вакуум математически идентичный акселерационному зеркалу эффект.