Самые плотные и массивные объекты во Вселенной живут невероятно долго, но не вечно.
И вот что с ними происходит
Перед фактом сядь, как ребенок, и приготовься расстаться со всяким предрассудком, скромно следуя туда, куда и к чему ведут бездны природы, иначе ты ничему не научишься.Когда вы думаете о черных дырах, вы, вероятно, думаете о сверхплотных и очень массивных областях космоса, из которых ничто не может выбраться.- Т.
Г.
Хаксли
Ни материи, ни антиматерии, ни даже света! Вы также можете подумать, что они продолжают питаться всем, с чем им посчастливилось столкнуться, даже темной материей.
Но в какой-то момент любая черная дыра во Вселенной не только перестанет расти, но и начнет сжиматься, терять массу, пока не испарится полностью! На этой неделе в нашей рубрике мы отвечаем на вопрос Павла Жужельского, который спрашивает:
Я часто встречал объяснения излучения Хокинга вроде: «На горизонте событий появляются пары виртуальных частиц.Это очень сложная тема, но мы ее понимаем.Один падает в дыру, другой убегает, унося с собой кусок массы дыры».
И обычно мелким шрифтом указывается, что это упрощение.
Вероятно, это так – ведь если одна из частиц упадет в дырку, ее масса должна увеличиться на массу частицы.
В чем подвох?
Давайте начнем с обсуждения того, как выглядит пустое пространство.
В общей теории относительности пространство и время находятся в сложной взаимосвязи и образуют четырехмерную ткань пространства-времени.
Если вы удалите все частицы во Вселенной на бесконечно большое расстояние от нужной вам точки, если вы уберете из уравнений факт расширения пространства, если вы также исключите все виды излучения и присущую пространству кривизну, вы может утверждать, что создал плоское пустое пространство.
Но когда вы начинаете считать, что живете во Вселенной, где все частицы и их взаимодействия регулируются квантовой теорией поля, вы должны признать, что даже в отсутствие физических частиц физические поля, управляющие их взаимодействиями, не исчезнут. Одним из последствий этого является то, что сущность, которую мы представляем себе как «плоское пустое пространство», не свободна от энергии.
Вместо этого вам нужно думать о плоском пустом пространстве как о квантовом вакууме с квантовыми полями повсюду.
Возможно, вам знакома идея о том, что на квантовых масштабах Вселенной присущи пространственные неопределенности конкретных параметров.
Мы не можем одновременно знать местоположение и импульс частицы, и чем лучше мы измеряем одну из них, тем больше неопределенность во второй.
Такое же соотношение неопределенностей характерно для энергии и времени, что важно для нас сейчас.
Если вы наблюдаете то, что считаете пустым пространством, но наблюдаете его в определенный момент времени, вам нужно учитывать, что момент — это бесконечно малый промежуток времени.
Из-за этого соотношения неопределенностей существует огромная неопределенность в отношении общего количества энергии, содержащейся даже в пустом пространстве в настоящее время.
Это означает, что в принципе может существовать несколько пар частиц и античастиц, существующих в течение очень коротких периодов времени, пока они подчиняются известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.
Мы часто слышим объяснения типа «пары частица-античастица появляются и исчезают в квантовом вакууме», и хотя это объяснение вполне ясно, это не совсем то, что происходит. Там нет настоящих частиц, в том смысле, что если вы пропустите фотон или электрон через эту область пространства, он никогда не отскочит от частицы квантового вакуума.
Это описание дает нам представление о присущем квантовому вакууму «дрожании» и показывает, что там существует резервуар виртуальных частиц, что позволяет нам рассматривать внутреннюю энергию пустого пространства как сумму всех этих виртуальных частиц.
Я повторяю, потому что это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и ее можно рассматривать как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.
Пойдем дальше.
Представим, что пространство вместо того, чтобы быть плоским и пустым, еще пусто, но уже искривлено – то есть имеются отклонения в гравитационном поле пространства.
Как будут выглядеть наши квантовые флуктуации? В частности, если мы позволим пространству исказиться присутствием черной дыры, как бы они выглядели снаружи и внутри горизонта событий?
Это хорошие вопросы, и чаще всего при поиске ответа вы увидите следующую (неправильную) картину, которая и составляет суть вопроса Павла: 
Если представить пары частица/античастица реальными, и если одна из них вырывается из черной дыры, а другая падает за горизонт событий, то получается, что во Вселенную добавилась энергия: половина вне черной дыры, а половина - масса.
черной дыры.
Но эти пары частиц и античастиц не реальны, а представляют собой лишь способ визуализации и расчета энергии, присущей пространству.
Дело в том, что при искривленном пространстве, как вы помните, происходят отклонения гравитационного поля.
Мы используем флуктуации, чтобы визуализировать энергию, присущую пустому пространству, но могут быть флуктуации, начинающиеся за пределами горизонта событий и заканчивающиеся внутри горизонта, прежде чем они смогут повторно аннигилировать.
Но вы не можете украсть энергию из пустого пространства — что-то должно произойти, чтобы ее сохранить.
Таким образом, каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) падает, должен появиться реальный фотон (или их совокупность), чтобы компенсировать это.
И этот настоящий фотон, покидающий горизонт событий, уносит энергию от черной дыры.
Метод, который мы ранее использовали для визуализации процесса, когда одна из пары частиц падала, а другая убегала, слишком наивен, чтобы быть полезным, поскольку не частицы или античастицы способствуют сокращению черных дыр, а фотоны, соответствующие к спектру черного тела.
Я предпочитаю картинку получше, хотя она все еще довольно наивная.
Представьте себе квантовые флуктуации, при которых каждый раз, когда у вас есть пара частица-античастица, одна из которых падает внутрь, вы получаете другую пару частица-античастица, а другая падает внутрь.
Оставшаяся снаружи пара частиц и античастиц аннигилирует, испуская настоящие фотоны, а те, что попадают внутрь, забирают соответствующее количество массы (E = ms 2 ) в черной дыре.
Это все еще не идеальная аналогия (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере, фотоны покидают горизонт событий, что согласуется с предсказаниями излучения Хокинга.
Фактически — хотя для этого вам придется провести расчеты квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени — излучение Хокинга предсказывает, что спектр фотона будет соответствовать черному телу с температурой, определяемой следующим образом: 
что дало бы температуру менее одного микроКельвина для черной дыры с той же массой, что и Солнце, менее одного пикокельвина для черной дыры в центре нашей галактики и всего лишь несколько десятых аттоКельвина для самой большой из известных черных дыр.
.
Скорость распада, связанная с этим излучением, настолько мала, что черные дыры будут расти, даже если они поглотят один протон за период времени, сравнимый с возрастом нашей Вселенной, - это будет продолжаться еще около 10 лет. 20 годы.
После этого черные дыры с массой Солнца наконец-то начнут терять из-за излучения Хокинга в среднем больше энергии, чем поглощают, и полностью испарятся в течение 10 67 лет, а самый крупный из них - через 10 100 годы.
Это может значительно превышать возраст Вселенной, но это не вечность.
А уменьшаться они будут за счет излучения Хокинга, испускающего фотоны.
В результате: пустое пространство имеет энергию нулевого уровня, которая не равна нулю, и в искривленном пространстве на горизонте событий черной дыры появляется низкоэнергетический спектр излучения черного тела.
Это излучение удаляет массу из черной дыры и со временем слегка сжимает горизонт событий.
Если вы настаиваете на представлении источника этого излучения в виде пар частиц/античастиц, подумайте хотя бы о двух парах одновременно.
Тогда частица из одной пары и античастица из другой аннигилируют, создавая настоящие фотоны, которые покидают черную дыру, а другая виртуальная пара частиц попадает в дыру и забирает ее энергию (или массу).
Вот как умирают черные дыры! Спасибо за отличный вопрос, Пол.
Если у вас есть какие-либо вопросы или предложения, присылайте их мне.
Теги: #астрономия #Популярная наука #физика #черные дыры #спроси Итана
-
Google Прекращает Гендерную Дискриминацию
19 Oct, 24 -
Cyanogenmod 10.1 - Полный Обзор
19 Oct, 24 -
Домены Под Снос
19 Oct, 24
