Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

На самом деле точная формулировка принципа неопределенности гласит, что энергия может быть лишь «позаимствована» у вакуума совсем ненадолго – на время, определяемое постоянной Планка. Это связано с неопределенностью измерения времени как такового. Единственный способ преобразования этой энергии в частицы – создавать частицы только в парах, чтобы затем они взаимодействовали друг с другом и аннигилировали, прежде чем Вселенная успеет «заметить», что энергия была позаимствована. Это значит, что частицы, созданные из вакуума, особым образом объединены в пары.

У каждого вида частиц, например, у электрона, есть соответствующая античастица (в случае электрона – позитрон). Античастицы производились в ходе экспериментов на ускорителях частиц и обнаружены в космических лучах (высокоэнергичные частицы, доходящие до Земли из космоса), а кроме того, предсказаны квантовой теорией, так что в том, что они существуют, нет никаких сомнений. Античастица во многих отношениях – зеркальное отражение частицы-эквивалента: например, позитрон несет положительный заряд, а электрон – отрицательный. И если частица встречает свою античастицу, они аннигилируют.

Итак, согласно квантовой теории, вакуум – это бурлящее море виртуальных частиц. В нем постоянно возникают пары вроде электрона и позитрона, взаимодействуют и исчезают в полном соответствии с законами квантового мира. Общая высвобождаемая энергия равна нулю, однако виртуальные частицы возникают и исчезают все время – ниже порога реальности.

Хокинг показал, что даже у невращающейся черной дыры этот процесс способен истощить энергию самой черной дыры и высвободить ее во внешнюю Вселенную. Вот как это происходит: пара виртуальных частиц создается у самого горизонта черной дыры. За ту крошечную долю секунды, которую допускает квантовая неопределенность, одна из частиц попадает в черную дыру. Тогда второй частице не с чем аннигилировать, и она «сбегает» во Вселенную, прихватив с собой энергию.

Откуда взялась эта энергия? В сущности, это гравитационная энергия черной дыры. Черная дыра создает из своей энергии две частицы, но захватывает только одну, так что энергетический долг возмещается только наполовину, и в результате черная дыра теряет массу. При прочих равных условиях, если черная дыра не восполняет массу из других источников, она будет непрерывно сокращаться, испаряться, будто лужа на солнцепеке. Процесс этот медленный, но неуклонный, и даже у минидыры размером с протон уходят миллиарды лет на то, чтобы дойти до той точки, где она взорвется.

Итак, Хокингу пришлось отказаться от собственного вывода, что поверхность черной дыры не может уменьшаться. Сначала он установил связь между черными дырами и термодинамикой, показав, что согласно одной лишь ОТО черные дыры не могут сокращаться в размерах, но теперь обнаружил, что если добавить сюда еще и квантовую теорию, связь с термодинамикой становится еще сильнее, однако выясняется, что черные дыры уменьшаются – более того, не могут иначе.

На обычную черную дыру, возникшую из мертвой звезды, этот эффект практически не влияет. Если у черной дыры масса в три-четыре раза больше солнечной, а площадь горизонта примерно равна площади поверхности нейтронной звезды, она постоянно засасывает следы газа и пыли из окрестностей и даже из глубин пространства, и легко показать, что масса, теряемая от излучения Хокинга, гораздо меньше массы, набираемой благодаря этой аккреции. Если бы никто до этого не задумывался о минидырах, идея излучения Хокинга не вызвала бы особого интереса. Но поскольку Хокинг уже высказал гипотезу о минидырах, идея квантового испарения черных дыр произвела сильное впечатление.

Крошечная черная дыра меньше протона размером почти не заглатывает вещество из своих окрестностей, даже если находится внутри планеты. Для такой маленькой черной дыры даже плотное вещество – все равно что пустое пространство! Поэтому излучение Хокинга с поверхности минидыры, в сущности, определяет ее поведение. Хокинг показал, что такого рода излучение придает черной дыре температуру – в точности такую же, какую предсказывала работа Бекенштейна. При массе черной дыры, равной массе нашего Солнца, эта температура составляет примерно одну десятимиллионную градуса Кельвина (так что возникающее в результате ультраслабенькое излучение Хокинга не идет ни в какое сравнение с огромным количеством падающего в черную дыру вещества), но для минидыры массой всего в миллиард тонн и размером с протон температура составляет уже около 120 миллиардов К. Как показывают эти примеры, температура обратно пропорциональна массе черной дыры, поэтому, когда черная дыра теряет массу и уменьшается, она разогревается и излучает энергию все быстрее и быстрее и в конце концов взрывается с мощным выбросом рентгеновских и гамма-лучей.