испарение чёрной дыры

Представьте карусель: чем дальше от центра сидите, тем быстрее вас везёт. Долгое время считалось, что галактики устроены иначе — звёзды на окраинах должны вращаться медленнее, чем вблизи ядра. Однако ещё в 1970-х астрономы, измеряя доплеровское смещение спектральных линий, обнаружили: у многих спиральных галактик скорость звёзд почти не падает с удалением от центра.

Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитация которой столь сильна, что покинуть её не может даже свет, — затягивает всё, что подходит слишком близко. Но если бросить туда не один предмет, а пару, один из них может вылететь обратно, забрав часть энергии вращения дыры.

Кипящий чайник на плите со временем выкипает досуха — так и чёрная дыра, по классическим представлениям, должна постепенно исчезнуть в шипении излучения. Но что, если подлить в чайник особую добавку? В новой работе физики добавили в уравнения чёрной дыры скалярное поле — нечто вроде вездесущего фона, который слегка меняет правила игры.

Алиса готовит квантовую частицу в одном из нескольких возможных состояний и отправляет её Бобу. Канал, по которому летит частица, не идеален: он шумит, рассеивает, взаимодействует с окружением — как мутная река, в которой теряются очертания брошенного предмета. Боб принимает сигнал и пытается понять, что именно послала Алиса.

Чёрная дыра — не вечный пылесос. Она медленно теряет массу, испуская частицы, словно нагретый камень, который остывает, отдавая тепло. Этот процесс, открытый Стивеном Хокингом, для больших дыр идёт еле заметно, но для крошечных — массой с гору — превращается в бурное испарение.

Чёрная дыра, в которую что-то падает, может не просто испаряться миллиарды лет, а лопнуть, как мыльный пузырь, и стать своей противоположностью — белой дырой. Такой сценарий подсказали численные эксперименты с полуклассической гравитацией.

Чёрная дыра — не абсолютно чёрный мешок. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что она светится — слабо, но непрерывно. Это излучение Хокинга рождается не внутри, а снаружи, у самой границы — горизонта событий, откуда даже свет не вырывается. Новая работа уточняет картину.

Вода превращается в лёд при нуле градусов — резко, без промежуточных состояний. Нечто похожее происходит со сложностью, когда мы берём случайное квантовое состояние целой системы и смотрим только на её часть. Пока эта часть занимает меньше половины системы, её сложность растёт плавно. Но как только доля переваливает за 50%, происходит скачок.

Чёрная дыра не вечна. Даже в полной пустоте она медленно теряет энергию — этот процесс назвали излучением Хокинга. Квантовые эффекты у горизонта событий рождают пары частиц, одна из которых улетает, унося массу дыры.

Агония одинокой чёрной дыры длится вечность. Но в последние мгновения, когда масса испаряется по закону, открытому Хокингом, она успевает послать радиопрощальный сигнал. Не квантовый шёпот, а классический гул — если только рядом есть магнитное поле.

Космологический горизонт — граница наблюдаемой Вселенной, которая расширяется с ускорением, — подобен сейфу с таймером. Информация о том, что пересекает эту границу, не исчезает, а возвращается, но с задержкой. Физики выяснили, сколько длится эта пауза.

Тёмная материя — невидимый каркас, на котором держатся галактики. Но как именно она появилась? Стандартный ответ: частицы тёмной материи когда-то перестали сталкиваться и «застыли» в том количестве, которое мы видим сегодня. Однако есть и более хитрый путь — UFO, или сверхбыстрое застывание.

Чёрная дыра напоминает сейф, который медленно отдаёт своё содержимое — энергию и информацию — через слабое свечение, названное излучением Хокинга. Но если сейф открывается слишком быстро, на его границе может вспыхнуть «огненная стена» — область, где привычные законы физики перестают работать. В новой работе физики усложнили модель этого сейфа.

Чёрная дыра — не вечный пылесос. Она медленно испаряется, излучая энергию, и вместе с ней, как считают физики, должна возвращать проглоченную информацию. Но когда именно это начинает происходить? Ответ даёт так называемая кривая Пейджа — график, который показывает, сколько информации дыра уже отдала, а сколько ещё держит внутри.

Костёр прогорает не сразу. Если бросить взгляд на пламя в случайный миг, видно лишь мешанину огненных языков — и никогда не понять, что именно сгорело: мокрая ветка, старый журнал или охапка сухой травы. Но стоит наблюдать за костром час за часом, в его пляске проступают ритмы: всплеск жара, затишье, смена цвета. Эти ритмы рассказывают о том, что было брошено в огонь.

Черная дыра — не вечный пылесос. Оставленная в пустоте, она медленно исчезает, излучая энергию, как сохнущая лужа на асфальте. Этот процесс, предсказанный Стивеном Хокингом, называют испарением. Чем меньше дыра, тем быстрее она тает, и тем горячее ее «дыхание».

Световой луч скользит вдоль горизонта чёрной дыры — той невидимой границы, откуда ничто не может вырваться. Чем ближе луч к горизонту, тем медленнее тянется его собственное «время» — особая мера пути, называемая аффинным параметром. Этот параметр нарастает не плавно, а взрывным образом, как снежный ком, катящийся с горы: каждый следующий миг приносит всё больший прирост.

Чёрная дыра — область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что покинуть её не может ничто, включая свет.

Чёрная дыра похожа на уголёк, который, как считалось, тлеет вечно, но в конце концов должен погаснуть — испариться без следа. Так предсказывал Стивен Хокинг: квантовые процессы у горизонта событий (границы, за которую не выходит даже свет) рождают слабое свечение, и дыра медленно теряет массу.

В ранней Вселенной возникали первичные чёрные дыры — объекты не больше атома, но с массой горы. Они постепенно испаряются, теряя энергию через излучение, и перед исчезновением должны создавать гравитационные волны — рябь пространства-времени.

Крошечная чёрная дыра — не больше атомного ядра — парит в облаке водорода. Она не заглатывает всё вокруг, а медленно истекает излучением, худея с каждым мгновением. Так кастрюля на плите закипает не сразу: сначала по дну бегут пузырьки, потом вода бурлит всё сильнее.

Кусочек сахара весит около грамма. А чёрная дыра, способная спрятаться в таком кусочке, весила бы как небольшая гора — миллиарды тонн. Но даже такие малютки, рождённые в первые мгновения после Большого взрыва, по идее давно исчезли. Их сжигало собственное излучение — словно кубик льда на раскалённой сковороде, только вместо воды улетала энергия.

Воздушный шарик с нарисованным узором сдувается — и узор идёт рябью, деформируется. Примерно то же самое происходит с чёрной дырой, которая медленно испаряется, теряя энергию через излучение, открытое Стивеном Хокингом.

Чёрные дыры не вечны: они медленно теряют энергию, испуская энтропию — меру скрытой информации — в виде теплового излучения. Этот процесс, известный как излучение Хокинга, предсказал Стивен Хокинг.

Вода в кастрюле закипает, и со дна поднимаются пузырьки. Они растут, всплывают и лопаются, а вода остаётся водой. Нечто похожее, как выяснили физики, может происходить с самим пространством — если в нём есть тёмная энергия (загадочная сила, разгоняющая расширение мира). В такой вечно раздувающейся Вселенной иногда рождаются чёрные дыры.

Стандартная картина испарения чёрной дыры, нарисованная Хокингом, долго казалась успокаивающей: квантовые флуктуации у горизонта порождают тепловое излучение, дыра медленно тает, и пространство-время за ней остаётся гладким. Однако это было похоже на облако, не замечающее, как оно тает под собственным дождём.

Кипящий котёл, в котором изредка лопаются пузырьки пара, — вот на что походила ранняя Вселенная. Всё пространство тогда заполняло поле в состоянии ложного вакуума — как вода, перегретая выше точки кипения. Достаточно было крошечной чёрной дыры, чтобы возник пузырь истинного вакуума: область с новой физикой, способная расти и поглотить всё вокруг.

Вода, текущая в трубе, может стать ловушкой для звука. Если скорость потока превышает скорость звука в воде, то звуковые волны, пытающиеся пойти против течения, уже не могут вырваться — их уносит прочь, как свет за горизонтом черной дыры.

Бросьте камешек в пруд — и по воде разойдутся изогнутые круги, но с большого расстояния они покажутся почти прямыми линиями. Вспышки гамма-излучения от испаряющейся чёрной дыры ведут себя схожим образом: далёкий всплеск приносит к нам практически плоские волны, тогда как от близкого источника фронт волны сохраняет заметную кривизну.

Представьте: дневник теряет страницы, но история не исчезает — она перебирается в оставшуюся часть. Чёрные дыры ведут себя похоже: по мере их сжатия, предсказанного Стивеном Хокингом, поглощённая информация не должна пропадать; в итоге она снова всплывает. Теория предсказывает для этого «возвращения» специфическую кривую: сначала рост, затем спад.

Слой электронов, запертый между двумя пластинами полупроводника, при низкой температуре выстраивается в аккуратную решётку — как бусины на нитке, натянутой между пальцами. Стоит температуре подняться, и порядок рушится: кристалл плавится. Но как именно он тает, долго оставалось загадкой.

Чёрная дыра — это место, откуда не может вырваться даже свет. Но квантовая теория говорит, что она всё же слабо светится. Это свечение называют излучением Хокинга. В космосе его не разглядеть: слишком слабое. Поэтому физики строят модели чёрных дыр из обычных материалов.

Вокруг молодой звезды кружится плоский блин из газа и пыли — будущий материал для планет. Звезда греет его ультрафиолетом, и газ с поверхности диска улетает в космос, как вода из лужи под солнцем. Если испарение идёт бойко, в диске появляется просвет — кольцевая прогалина без вещества.

Метод «двойной копии» в теоретической физике напоминает кулинарный приём: представьте, что повар берёт рецепт холодного супа и, продублировав ингредиенты особым образом, получает рецепт горячего жаркого.

Чёрная дыра — не просто мусорный бак Вселенной, а скорее сейф с секретным кодом. Десятилетиями считалось, что любой сигнал, посланный к горизонту событий, частично отражается обратно: искривлённое пространство-время работает как кривое зеркало, и часть энергии всегда уходит назад.