Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Когда эти два “близнеца” встречаются, их свойства нейтрализуются – материя и антиматерия уничтожают друг друга. От них не остается ничего, кроме короткого виртуального выброса энергии, возвращающейся обратно в океан пространства-времени. Причем взятый долг (энергия) погашается и никто не может выставить счет.

Но это напоминает финансовый кризис. Подобную аферу можно продолжать только до тех пор, пока никто ничего не замечает и все долги выплачиваются. Если речь идет об океане, то схема начинает давать сбой с началом шторма. Капли сдуваются с поверхности моря в направлении порта и разбрызгиваются по земле. Создается ощущение, что океан теряет воду; люди на берегу становятся мокрыми. Правда, чтобы таким образом вычерпать весь океан, потребуется целая вечность; кроме того, его пополняют реки и дожди.

Согласно Хокингу, такой же процесс происходит на краю черных дыр. Горизонт событий – берег океана пространства-времени. Черная дыра выступает в роли шторма, а гравитационная энергия заменяет энергию ветра.

В своих публичных лекциях Хокинг описывал этот процесс примерно так: на краю черной дыры рождаются пары близнецов – частиц и античастиц, – которые занимают энергию у ее сильного магнитного поля. Прежде чем они смогут отдать свой долг и аннигилировать, один из близнецов исчезает за горизонтом событий. Его выживший собрат уже не может объединиться со своим “антиблизнецом” и исчезает в необъятных просторах космоса. Временно образовавшаяся пара частиц внезапно становится одной постоянной частицей.

Но теперь эта частица не может вернуть взятую в долг энергию – сделка стала невыгодной. Черная дыра одолжила две частицы, а обратно получила только одну. В результате она теряет энергию и массу: словно бы устойчивый легкий ветерок сдувает частицы с ее поверхности. Так в ветреный день можно почувствовать, что где‐то рядом океан. Создается впечатление, будто черная дыра испускает излучение. Это – излучение Хокинга, о существовании которого ныне покойный британский ученый впервые заговорил в 1975 году.

Однако представление Хокинга о частице и античастице несколько неточно. В первую очередь оно объясняет метод расчета, используемый в квантовой механике. По сути дела, излучаются не частицы, а преимущественно фотоны, то есть свет с длиной волны, превышающей размер самой черной дыры. Кроме того, излучение испускается не прямо на горизонте событий, а исходит, скорее, из широкой области, окружающей черную дыру. Таким образом, это то же самое, как если бы источником излучения было гравитационное поле.

С формальной точки зрения излучение черной дыры можно описать и как тепловое излучение. Накрытая чашка горячего кофе через какое‐то время остынет, хотя от нее не идет пар. Это следствие теплового излучения чашки. Атомы на нагретой поверхности начинают слегка вибрировать, что приводит к испусканию квантовых частиц света. В 1900 году немецкий физик Макс Планк описал характерные особенности такого излучения, заложив тем самым основы квантовой механики. Планк связал квантовую механику с термодинамикой. Он показал, что любой непрозрачный темный объект независимо от его состава и формы излучает при нагревании.

Следовательно, посредством излучения, соответствующего в основном ближнему инфракрасному диапазону, чашка горячего кофе демонстрирует нам квантовую физику “в действии”. Излучая, она теряет энергию и постепенно остывает. Наши глаза не могут видеть такой свет, но тепловизоры могут. В то же время наши руки ощущают это излучение еще до того, как мы прикоснемся к чашке. Образно говоря, невидимый свет позволяет нам почувствовать квантовые колебания внутри чашки.

В математическую формулу, описывающую тепловое излучение, входит только температура, причем выглядит эта формула всегда одинаково: чем выше температура, тем выше частота света. Именно поэтому железо, когда его нагревают, сначала излучает в невидимом инфракрасном диапазоне, затем в видимом красном, затем становится желтым, а потом – белым: цвет меняется в соответствии с ростом температуры. Звезды горячее даже расплавленной стали и потому могут иметь голубой оттенок.

Испускаемое черными дырами излучение Хокинга может быть, по крайней мере теоретически, тем же тепловым излучением. Поэтому черной дыре можно приписать температуру, и эта температура зависит от ее массы. Чем черные дыры меньше, тем горячее они кажутся. Согласно Хокингу, если масса черной дыры порядка 0,5 процента массы Луны, она будет примерно такой же горячей, как чашка свежезаваренного кофе, и количество испускаемого ею излучения тоже будет примерно таким же. (Заметим, что при всей схожести вкус у них все‐таки будет разный.)