Излучение хокинга. Излучение хокинга возникает не на горизонте событий черных дыр. Что такое излучение Хокинга

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

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

Занимаясь 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 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».

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.

Излучение Хокинга

В отличие от советских физиков, описание излучения Стивеном Хокингом основывается на абстрактных, виртуальных частицах, которые являются неотъемлемой частью квантовой теории поля. Британский физик-теоретик рассматривает спонтанное возникновение этих виртуальных частиц на черной дыры. В таком случае мощное гравитационное поле черной дыры способно «растащить» виртуальные частицы еще до момента их уничтожения, тем самым превратив их в реальные. Подобные процессы экспериментально наблюдаются на синхрофазотронах, где ученым удается растаскивать эти частицы, при этом затрачивая некоторое количество энергии.

С точки зрения физики, возникновение реальных частиц, имеющих массу, спин, энергию и прочие характеристики, в пустом пространстве «из ничего» противоречит закону сохранения энергии, а значит просто невозможно. Поэтому для «превращения» виртуальных частиц в реальные потребуется энергия, не меньше, чем суммарная масса этих двух частиц, согласно известному закону . Такой запас энергии затрачивает и черная дыра на то, чтобы растащить виртуальные частицы на горизонте событий.

В результате процесса растаскивания одна из частиц, находящаяся ближе к горизонту событий или даже под ним, «превращается» в реальную, и направляется в сторону черной дыры. Другая же, в обратном направлении отправляется в свободное плаванье по космическому пространству. Проведя математические подсчеты, можно убедиться в том, что даже, несмотря на полученную энергию (массу) от частицы, упавшей на поверхность черный дыры, энергия, потраченная черной дырой на процесс растаскивания - отрицательная. То есть, в конечном счете, в результате описанного процесса, черная дыра лишь утратила некоторый запас энергии, который, причем, в точности равен энергии (массе), которой обладает улетевшая «наружу» частица.

Таким образом, согласно описанной теории, черная дыра хоть и не излучает никаких частиц, но способствует такому процессу и теряет эквивалентную энергию. Следуя уже упомянутому закону Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии, становится ясно, что черной дыре неоткуда брать энергию, кроме как из собственной массы.

Подводя итог всего вышеописанного, можно сказать, что черная дыра излучает частицу и при этом теряет некоторую массу. Последний процесс был назван как «испарение черной дыры». Исходя из теории об излучении Хокинга, можно догадаться, что спустя некоторое время, хотя и очень длительное (триллионы лет), черные дыры просто .

Интересные факты

• Многие люди опасаются, что на Большом Адронном Коллайдере (БАК) могут образоваться черные дыры, и, вероятно, привнести угрозу в жизнь землян. Рождение черных дыр на БАК возможно только в случае существования дополнительных измерений пространства-времени и наличия мощного гравитационного взаимодействия на малых расстояниях. Однако сформированная таким образом микроскопическая черная дыра мгновенно испарится за счет излучения Хокинга.
• На основе излучения Хокинга может работать сингулярный реактор или коллапсарный реактор – гипотетическое устройство, порождающее микроскопические черные дыры. Энергия излучения, образованного в результате их испарения, и будет основным источником энергии реактора.

Хотя Большой Адронный Коллайдер и выглядит грозно, из-за излучения Хокинга бояться его нечего

• Опубликовав свою работу по излучению черных дыр, Стивен Хокинг поспорил с другим известным ученым – Кипом Торном. Предметом спора стала природа объекта, претендующего на звание черной дыры, под названием . Несмотря на то, что работа Хокинга основывалась на предположении о существовании черных дыр, он утверждал, что Лебедь Х-1 не является черной дырой. Примечательно, что в качестве ставок выступали подписки на журналы. Ставка Торна представлялась в виде 4-хгодовой подписки на сатирический журнал «Private eye», тогда как ставка Хокинга – годовая подписка на эротический журнал «Пентхауз». Логику своего утверждения в споре, Стивен аргументировал следующим: «даже если я окажусь не прав, утверждая о существовании черных дыр, то хоть выиграю подписку на журнал»

Хокинг и микрогравитация (Vomit Comet)

По такому сценарию, вся другая информация о материи, которая образовала черную дыру или падает в нее (для которой используются «волосы» как метафора), «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, сохраняется, но будет недоступна для внешних наблюдателей.

В 1973 году Хокинг ездил в Москву и виделся с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. В ходе дискуссий с ними об их работе, они показали ему, как принцип неопределенности приводит к тому, что черные дыры должны излучать частицы. Это поставило под вопрос второй закон термодинамики черной дыры Хокинга (то есть черные дыры не могут становиться меньше), поскольку за счет энергии они должны терять и массу.

Более того, это поддерживало теорию, выдвинутую Якобом Бекенштейном, аспирантом Университета Джона Уилера, что черные дыры должны иметь конечную ненулевую температуру и энтропию. Все это противоречило «теореме об отсутствии волос». Хокинг вскоре пересмотрел свою теорему, показав, что когда учитываются квантово-механические эффекты, оказывается, что черные дыры испускают тепловое излучение определенной температуры.

В 1974 году Хокинг представил свои выводы и показал, что черные дыры излучают радиацию. Этот эффект стал известен как «излучение Хокинга» и сначала был противоречивым. Но к концу 70-х и после публикации дальнейших исследований открытие было признано в качестве существенного прорыва в области теоретической физики.

Тем не менее одним из следствий такой теории было то, что черные дыры постепенно теряют массу и энергию. Из-за этого черные дыры, которые теряют больше массы, чем приобретают, должны сжиматься и в конечном счете исчезать - сейчас это явление известно как «испарение» черной дыры.

В 1981 году Хокинг предположил, что информация в черной дыре необратимо теряется, когда черная дыра испаряется, что стало известно как «информационный парадокс черной дыры». Он утверждал, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре, позволяя множеству физических состояний приходить к единому.

Теория оказалась спорной, поскольку нарушала два фундаментальных принципа квантовой физики. Квантовая физики утверждает, что полная информация физической системы - состояние ее материи (масса, положение, спин, температура и т. п.) - закодирована в ее волновой функции до тех пор, пока функция не коллапсирует. Это, в свою очередь, приводит к двум другим принципам.

Первый - квантовый детерминизм - утверждает, что - учитывая настоящую волновую функцию - будущие изменения уникально определяются оператором эволюции. Второй - обратимость - утверждает, что оператор эволюции имеет обратную сторону, а значит прошлые волновые функции также уникальны. Сочетание этих принципов приводит к тому, что информация о квантовом состоянии материи всегда должна сохраняться.

Хокинг в Белом доме на вручении Медали свободы

Предположив, что информация исчезает после испарения черной дыры, Хокинг по сути создал фундаментальный парадокс. Если черная дыра может испаряться, тем самым приводя к исчезновению всей информации о квантовой волновой функции, тогда информация может быть в принципе утрачена навсегда. Этот вопрос стал предметом дискуссий среди ученых и остается практически нерешенным по сей день.

И все же к 2003 году среди физики сложился определенный консенсус на тему того, что Хокинг был неправ о потере информации в черной дыре. На лекции в Дублине в 2004 году он признал, что проиграл пари на эту тему Джону Прескиллу из Калтеха (которое заключил в 1997 году), но описал собственное и несколько спорное решение проблемы парадокса: возможно, черные дыры могут иметь больше чем одну топологию.

В работе 2005 года, которую он опубликовал на эту тему - «Потеря информации в черных дырах», - он утверждал, что информационный парадокс объясняется изучением всех альтернативных историй вселенных, когда информационная потеря в одной с черными дырами компенсируется в другой без них. В итоге в январе 2014 года Хокинг назвал информационный парадокс черной дыры своей «крупнейшей ошибкой».

Хокинг и Питер Хиггс на Большом адронном коллайдере

В дополнение к расширению нашего понимания черных дыр и космологии с применением ОТО и квантовой механики, Стивен Хокинг также сыграл важную роль в привлечении к науке широкой аудитории. За свою долгую научную карьеру он также опубликовал много популярных книг, много путешествовал и читал лекции, появлялся на телешоу и в фильмах.

За время своей карьеры Хокинг также стал заслуженным педагогом, лично выпустив 39 успешных студентов с докторской степенью. Его имя останется и в истории поиска внеземного разума, и развитии робототехники и искусственного интеллекта. 20 июля 2015 года Стивен Хокинг помог запустить Breakthrough Initiatives, инициативу поиска внеземной жизни во Вселенной.

Вне всяких сомнений, Стивен Хокинг - один из самых известных ученых, живущих сегодня. Его работа в области астрофизики и квантовой механики привела к прорыву в нашем понимании пространства и времени, а также породила множество споров среди ученых. Едва ли кто-нибудь из живущих ныне ученых сделал столько для привлечения внимания широкой публики к науке.

Есть в Хокинге что-то от его предшественника Альберта Эйнштейна - другого влиятельного и знаменитого ученого, который сделал все для борьбы с невежеством и развития науки. Но особенно впечатляет то, что все, что Хокинг делал в своей жизни (с определенного момента), происходило в упорной борьбе с дегенеративным заболеванием. (Почитайте, например, оставаясь совершенно недвижимым).

Больше 52 лет Хокинг прожил с болезнью, которая, по мнению врачей, должна была унести его жизнь за 2 года. И когда наступит день, когда Хокинга уже не будет с нами, время, несомненно, поместит его рядом с такими людьми, как Эйнштейн, Ньютон, Галилей и Кюри, в качестве одного из величайших ученых в истории человечества.

Стивена Хокинга была одна из первых научно-популярных книг, прочитанных мною, и я ее возненавидела. Возненавидела, потому что не понимала. Фрустрация от этой книги стала одной из основных причин, почему я стала физиком - ну, по крайней мере, я знаю, кого винить в этом.

Оригинальный пост не может похвастаться идеальной структурой повествования, которую я не стал изменять. Но проблема очень важна и актуальна, и за ее обсуждение и объяснение Сабине можно простить погрешности стиля.

Я перестала ненавидеть эту книгу - надо признать, с подачи Хокинга возгорелся интерес общей публики к фундаментальным вопросам физики (связанным с черными дырами). Но время от времени я все еще хочу ударить чертову книгу. Не потому что я не понимаю ее, но потому что она убедила так много людей, что они понимают ее.

В этой книге Хокинг нарисовал изящную картинку испарения черных дыр, которая теперь используется повсеместно. В его представлении черные дыры испаряются, потому что пары виртуальных частиц, возникающих вблизи горизонта, разрываются приливными силами. Одна из частиц оказывается за горизонтом событий, и падает в черную дыру, а вторая улетает вовне. В результате черная дыра постоянно излучает частицы на горизонте событий. Это просто, это интуитивно, и это совершенно неверно.

Такое объяснение - простая иллюстрация, не более. В реальности - вы не будете удивлены - ситуация более сложная.

Пары частиц - насколько вообще имеет смысл говорить о частицах в квантовой физике - не локализованы в пространстве. Они «размазаны» по области пространства, сравнимой с радиусом черной дыры (прим. пер. сродни тому, как электрон движется не по определенной орбите вокруг ядра атома, находясь к какой-то ее точке, а «размазан» вокруг ядра. ). Пары частиц возникают не как точки, но как облака, размытые всюду вокруг черной дыры, и они разделяются только на расстояниях, сравнимых с радиусом черной дыры. Картинка, которую нарисовал Хокинг для не-специалистов не подкрепляется никакой математикой. В ней есть элемент истины, но не стоит ее принимать слишком серьезно - это может стать источником многих заблуждений.

То, что объяснение Хокинга не точно, не является чем-то новым - с начала 70х было известно, что излучение Хокинга возникает не на самом горизонте. Уже в учебнике Биррела и Девиса (1984) ясно написано, что если если предположить возникновение излучения на горизонте и рассмотреть процесс излучения в обратном направлении по времени: отследить частицы, приближающиеся к горизонту событий издалека и увеличивающие при этом частоту ("синее смещение "), это не даст корректного описания области вблизи горизонта событий. Правильным подходом будет другой: частицы из пары Хокинга при рождении «размазываются» и смешиваются друг с другом, так что говорить о них как о «частицах» можно только в локальном смысле (имеется в виду локальная с точки зрения ОТО система координат, прим.пер. ). Более того, нужно честно считать наблюдаемые величины, такие как тензор момента-импульса.

Предположение о возникновении пар на некотором отдалении от горизонта событий было необходимо для решения загадки, которыми были озадачены физики в 70-80е. Температура излучения черной дыры очень мала, если смотреть издалека. Но чтобы это излучение вообще могло убежать от притяжения ЧД, оно должно изначально обладать огромной энергией вблизи горизонта. А тогда наблюдатель, падающий в черную дыру, обратился бы в пепел, проходя через область с такой энергией. Это в свою очередь нарушает принцип эквивалентности , согласно которому наблюдатель, падающий в черную дыру вообще не должен заметить ничего необычного при пересечении горизонта.

Чтобы разрешить эту проблему, нужно учесть, что нельзя рассматривать излучение как приходящее от самого горизонта. Если честно посчитать тензор энергии-импульса вблизи горизонта, окажется, что он достаточно мал, и остается таковым и при пересечении горизонта. На самом деле он насколько мал, что падающий наблюдатель сможет заметить разницу с плоским пространством только на расстояниях, сравнимых с радиусом черной дыры (что также является размером кривизны пространства-времени). Тогда все сходится, и никакого нарушения принципа эквивалентности не возникает.

[Я знаю, все это звучит похоже на проблему фаервола , которую я обсуждала ранее, но это несколько иной эффект. (прим.пер. Проблема фаервола возникает, если рассматривать запутанность между излученной частицей и упавшей в черную дыру. Чтобы удовлетворять принципам квантовой механики, эти корреляции должны разрушаться. При разрушении корреляций высвобождается огромная энергия, которая создает «огненную стену» на горизонте.) При этом возникают разные проблемы при вычислениях вблизи горизонта. Идею фаервола можно критиковать на основании того, что в оригинальной статье про фаервол тензор энергии-импульса посчитан не был. В отличие от других я не думаю , что проблема в этом.]

Настоящая, подкрепленная вычислениями, причина излучения частиц черными дырами заключается в том, что для разных наблюдателей понятие частицы отличается.

Мы привыкли, что частица либо находится у нас, либо не находится. Однако, это справедливо только пока мы равномерно движемся друг относительно друга. Если наблюдатель (мы) ускоряется, самое определение частицы для него изменяется. То, что выглядит пустым вакуумом для наблюдателя при равномерном движении, оказывается наполненным частицами при ускорении. Этот эффект назван в честь Билла Унру , кто предложил его практически одновременно с гипотезой излучения черных дыр Хокингом. Сам эффект слишком мал для привычных нам ускорений, и мы никогда не замечаем его.

Эффект Унру близко связан с эффектом испарения черных дыр Хокинга. При возникновении черных дыр материя, коллапсирующая в черную дыру, создает динамическое пространство-время, которое приводит к ускорению между наблюдателями в прошлом и будущем. В результате пространство-время вокруг коллапсирующей материи, которое не содержало частиц до возникновения черной дыры, оказывается наполненным тепловым излучением на поздних стадиях коллапса. То есть, излучение Хокинга - тот же самый вакуум, изначально окружавший коллапсирующее вещество, (прим.пер. ровно как в эффекте Унру вакуум наполняется излучением при ускорении наблюдателя ).

Это и является источником излучения черных дыр: само определение частицы зависит от наблюдателя. Не столь просто, как картинка Хокинга, но гораздо точнее.

Картинка с парами частица-античастица на горизонте, предложенная Хокингом, стала столь потрясающе популярной, что теперь даже некоторые физики верят, что именно так все и происходит (Прим.пер. До поста Сабины я и сам к своему стыду думал именно так ). Тот факт, что синее смещение излучения при рассмотрении его распространения обратно во времени от бесконечности к горизонту дает настолько огромную энергию на горизонте, оказался затерян в литературе. К сожалению, непонимание связи между потоком частиц Хокинга вдалеке от ЧД и вблизи горизонта событий приводит к неверному заключению, что этот поток гораздо сильнее, чем он есть на самом деле. Например, это привело Mersini-Houghton к ошибкам при выводе доказательства, что черные дыры вообще не существуют.

(Прим.пер. Дальше статья сокращена для удобства чтения, в оригинальном посте обсуждается книга «Spooky action at a distance» и расчеты , где вычисляется точное расстояние, на котором возникает излучение Хокинга - в несколькое радиусов ЧД - и в подробностях обсуждается источник эффекта )

Если книга Хокинга и научила меня одной вещи, так это тому, что прилипчивые визуальные метафоры может быть проклятием в той же мере, как и благом.

Преимущественно фотонов , чёрной дырой . В силу энерги и" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8">закона сохранения энерги и , этот процесс сопровождается уменьшением массы чёрной дыры, т. е. её «испарением». Предсказан теор етически Стивеном Хокингом в году. Работе Хокинга предшествовал его визит в Москву в 1973 году, где он встречался с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Александром Старобинским. Они продемонстрировали Хокингу, что в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы.

Испарение чёрной дыры - чисто квантовый процесс. Дело в том, что понятие о чёрной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты. В квантовой же механике, благодаря туннелированию , появляется возможность преодолевать потенциал ьные барьеры , непреодолимые для неквантовой системы.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В квантовой теор ии поля физический вакуум наполнен постоянно рождающимися и исчезающими флуктуациями различных полей (можно сказать и «виртуальными частицами »). В поле внешних сил динамика этих флуктуаций меняется, и если силы достаточно велики, прямо из вакуума могут рождаться пары частица-античастица . Такие процессы происходят и вблизи (но всё же снаружи) горизонта событий чёрной дыры. При этом возможен случай, когда полная энерги я античастицы оказывается отрицательной, а полная энерги я частицы - положительной. Падая в чёрную дыру, античастица уменьшает её полную энерги ю покоя , а значит и массу, в то время как частица оказывается способной улететь в бесконечность. Для удалённого наблюдателя это выглядит как излучение чёрной дыры.

Важным является не только факт излучения, но и то, что это излучение имеет тепловой спектр . Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую температуру

где - постоянная Планка , c - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана , G - гравитационная постоянная , и, наконец, M - масса чёрной дыры. Развивая теор ию, можно построить и полную термодинамику чёрных дыр .

Однако, такой подход к чёрной дыре оказывается в противоречии с квантовой механикой и приводит к проблеме исчезновения информации в чёрной дыре .

До сих пор эффект не подтверждён наблюдениями. Согласно ОТО , при образовании Вселенной должны были родиться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 10 12 кг) должны 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.

Экспериментальное подтверждение

Исследователи из университета Милана (University of Milan) утверждают, что им удалось наблюдать эффект радиации Хокинга, создав антипод черной дыры - так называемую белую дыру. В отличие от белой дыры, «засасывающей» извне всю материю и излучение, белая дыра полностью останавливает свет, попадающий в нее, создавая, таким образом, границу, горизонт событий. В эксперименте роль белой дыры играл кристалл кварца, имеющий определенную структуру и помещенный в особые условия, внутри которого происходила полная остановка фотонов света. Освещая светом инфракрасного лазера вышеупомянутый кристалл, ученые обнаружили и подтвердили существование эффекта переизлучения, радиации Хокинга.

Физик Джефф Штейнхауэр (Jeff Steinhauer) из Израильского технологического института в Хайфе зафиксировал излучение, предсказанное Стивеном Хокингом еще в 1974 году. Ученый создал акустический аналог черной дыры и показал в экспериментах, что от нее исходит излучение, имеющее квантовую природу. Статья опубликована в журнале Nature Physics, кратко об исследовании сообщает BBC News.
...Зафиксировать это излучение на настоящей черной дыре пока не представляется возможным, поскольку оно слишком слабое. Поэтому Штейнхауэр использовал ее аналог - так называемую «глухую дыру». Для моделирования горизонта событий черной дыры он взял конденсат Бозе-Эйнштейна из охлажденных до близких к абсолютному нулю температур атомов рубидия.
Скорость распространения звука в нем очень мала - около 0,5 мм/сек. И если создать границу, с одной стороны от которой атомы движутся с дозвуковой скоростью, а с другой - ускоряются до сверхзвуковой скорости, то эта граница будет аналогична горизонту событий черной дыры. Кванты атомов - в данном случае фононы - в эксперименте захватывались областью со сверхзвуковой скоростью. Пары фононов были разорваны, один находился в одной области, а второй - в другой. Зафиксированные ученым корреляции говорят о том, что частицы оказываются квантово запутанными.

Поскольку квантовая механика не играет никакой роли в общей теории относительности Эйнштейна, решение Шварцшильда для чёрных дыр основывается исключительно на классической физике. Однако надлежащее рассмотрение вещества и излучения - таких частиц, как фотоны, нейтрино и электроны, которые могут переносить массу, энергию и энтропию из одного места в другое - требует привлечения квантовой механики. Чтобы в полной мере оценить природу чёрных дыр и разобраться, как они взаимодействуют с веществом и излучением, необходимо продлить решение Шварцшильда в квантовую область. Это нелегко. Несмотря на достижения теории струн (а также других подходов, которых мы не коснулись, таких как петлевая квантовая гравитация, твисторы, теория топосов), мы по-прежнему находимся на начальном уровне в наших попытках совместить квантовую физику и теорию гравитации. А в далёких 1970-х было ещё меньше теоретических оснований для понимания того, как квантовая механика может влиять на гравитацию.

Однако были физики, которые работали в этом направлении и которым удалось добиться частичного объединения квантовой механики и общей теории относительности, рассмотрев распространение квантовых полей (квантовая часть) в фиксированной, но искривлённой пространственно-временной среде (гравитационная часть). Как было указано в главе 4, полное объединение должно, как минимум, содержать рассмотрение не только квантовых флуктуаций полей на пространстве-времени, но также квантовых флуктуаций самого пространства-времени. Простоты ради это усложнение не учитывалось в первых работах. Хокинг воспользовался частичным объединением и рассмотрел, как квантовые поля будут вести себя в очень особой области пространства-времени - в окрестности чёрной дыры. То, что он обнаружил, поразило физиков до глубины души.

Хорошо известное свойство квантовых полей в обычном, пустом, неискривлённом пространстве-времени состоит в том, что из-за квантовых флуктуаций парам частиц, например электрону и его античастице, позитрону, позволяется мгновенно возникнуть из ничего, немножко пожить, после чего столкнуться друг с другом, и в результате взаимно аннигилировать. Этот процесс, квантовое рождение пары , интенсивно изучался как теоретически, так и экспериментально, и был разобран со всех сторон.

Новой характеристикой квантового рождения пары является то, что если один партнёр имеет положительную энергию, то из закона сохранения энергии следует, что другой партнёр должен обладать тем же количеством отрицательной энергии - понятие, которое не имеет смысла в классической вселенной.Однако, благодаря принципу неопределённости имеется своеобразная лазейка, позволяющая частицам иметь отрицательную энергию, при условии, что возникнув, они не сильно долго будут злоупотреблять гостеприимством. Если частица существует лишь мимолётно, то квантовая неопределённость говорит, что никакому эксперименту не хватит времени, даже в принципе, определить знак её энергии. Именно такова основная причина, почему пара частиц обречена квантовыми законами на быструю аннигиляцию. Поэтому при квантовых флуктуациях пары частиц беспрестанно рождаются и аннигилируют, рождаются и аннигилируют, на фоне неизбежной непрекращающейся игры квантовой неопределённости в пространстве, которое иначе оставалось бы пустым.

Хокинг заново рассмотрел вездесущие квантовые флуктуации, но не в пустом пространстве, а вблизи горизонта событий чёрной дыры. Он обнаружил, что часто всё выглядит как обычно. Пары частиц образуются случайным образом; быстро находят друг друга; после чего аннигилируют. Но время от времени происходит нечто новое. Если частицы образуются достаточно близко к краю чёрной дыры, то одну из них может затянуть внутрь, а другая улетит в пространство. В отсутствии чёрной дыры такого никогда не происходит, потому что, если частицы не аннигилируют друг с другом, то частица с отрицательной энергией сможет пробиться сквозь защитную рябь квантовой неопределённости. Хокинг осознал, что столь радикальное закручивание пространства и времени чёрной дырой может привести к тому, что частицы, обладающие отрицательной энергией с точки зрения наблюдателя снаружи чёрной дыры, окажутся частицами с положительной энергией для несчастного наблюдателя внутри неё. Таким образом, чёрная дыра предоставляет частицам с отрицательной энергией надёжное убежище, поэтому нужда в квантовой маскировке отпадает. Возникшие частицы могут избежать взаимной аннигиляции и заявить о своей независимой жизни.104

Частицы с положительной энергией летят наружу от горизонта событий, поэтому издалека они выглядят как некое излучение, получившее название излучение Хокинга . Частицы с отрицательной энергией поглощаются чёрной дырой, поэтому их нельзя непосредственно наблюдать, однако их можно обнаружить косвенным способом. Подобно тому как масса чёрной дыры растёт при поглощении всего, что обладает положительной энергией, она также уменьшается при поглощении всего, что имеет отрицательную энергию. Эти два процесса в совокупности делают чёрную дыру похожей на кусок горящего угля: чёрная дыра беспрестанно излучает направленный наружу поток излучения по мере того как её масса уменьшается.105 То есть, если добавить квантовую механику, то чёрные дыры перестают быть абсолютно чёрными. Открытие Хокинга было как гром среди ясного неба.

Однако это вовсе не означает, что типичная чёрная дыра нагрета до красного свечения. По мере того как поток частицы летит от чёрной дыры, он должен преодолевать невероятное сопротивление со стороны её гравитационного притяжения. На это частицы тратят свою энергию и поэтому значительно остывают. Хокинг вычислил, что наблюдатель, находящийся достаточно далеко от чёрной дыры, обнаружит, что температура остаточного «утомлённого» излучения обратно пропорциональна массе чёрной дыры. Огромная чёрная дыра, подобная находящейся в центре нашей Галактики, имеет температуру менее триллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Чёрная дыра с массой Солнца будет иметь температуру меньше чем миллионная доля градуса, даже меньше, чем температура в 2,7 градуса реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Чтобы температура чёрной дыры была достаточно высока, чтобы приготовить барбекю для всей семьи, её масса должна быть примерно в десять тысяч раз больше массы Земли, а это экстраординарно малая величина в космических масштабах.

Однако само значение температуры чёрной дыры не столь важно. Хотя излучение, идущее от удалённых астрофизических чёрных дыр, не сможет осветить ночное небо, тот факт, что они действительно имеют температуру, что они действительно излучают, означает, что эксперты поспешили отбросить гипотезу Бекенштейна о том, что чёрные дыры действительно обладают энтропией. Хокинг великолепно справился с этой задачей. Его теоретические вычисления, определяющие температуру данной чёрной дыры и испускаемого ею излучения, дали все необходимые данные для определения количества энтропии, которую, согласно стандартным законам термодинамики, должна иметь чёрная дыра. Полученный ответ оказался пропорционален площади поверхности чёрной дыры, как и предполагал Бекенштейн.

Итак, к концу 1974 года Второй закон вновь стал законом. Открытия Бекенштейна и Хокинга выявили, что в любой ситуации полная энтропия возрастает, если при этом учитывать не только энтропию обычного вещества и излучения, но также и находящуюся внутри чёрных дыр и определяемую площадью их полной поверхности. Вместо того чтобы быть стоком для энтропии и приводить к нарушению Второго закона, чёрные дыры играют активную роль в исполнении этого закона во вселенной с постоянно увеличивающимся беспорядком.

Это заключение вызвало долгожданное облегчение. Для многих физиков Второй закон, основанный на казалось бы неоспоримых статистических рассуждениях, стал священным как практически никакой другой в науке. Его воскрешение означало, что с этим миром опять всё в порядке. Но со временем появилась небольшая, но первостепенно важная запись в бухгалтерской книге энтропии, которая показала, что вопрос о справедливости Второго закона не является самым приоритетным. Эта честь досталась задаче о месте хранения энтропии , задаче, важность которой станет очевидной, когда мы выявим глубокую связь между энтропией и центральной темой этой главы - информацией.