Эффект Урну
Эффект Урну стал основой для альтернативного пояснения излучения Хокинга.
Эффектом Урну называют гипотетический квантовый эффект, состоящий в том, что можно наблюдать тепловое излучение, находясь в системе отсчета, которая перемещается с ускорением, даже если такового нет в инерциальной системе отсчета.
Следствием данного эффекта становится то, что физический вакуум (в основном квантовом состоянии) в инерциальной системе отсчета, становится состоянием с температурой отличной от нуля в системе отсчета, движущейся с ускорением. Б. Урну предположил, что состояние вакуума зависит от вида движения наблюдателя в пространстве и времени (вакуум становится относительным понятием).
Эффект Урну используют в качестве альтернативного пояснения излучения Хокинга. При этом вакуум около объекта, совершающего коллапс с ускорением, для наблюдающего, будет наполнен тепловым излучением.
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 горизонте событий 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 E=mc2. 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.
Даже самые массивные черные дыры рано или поздно исчезнут
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 испарятся.
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 Лебедь Х-1. 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»
Титулы, награды и премии
- 1975 — Eddington Medal
- 1976 — Hughes Medal of the Royal Society
- 1979 — Albert Einstein Medal
- 1982 — Order of the British Empire (Commander)
- 1985 — Gold Medal of the Royal Astronomical Society
- 1986 — Member of the Pontifical Academy of Sciences
- 1988 — Wolf Prize in Physics
- 1989 — Prince of Asturias Awards in Concord
- 1989 — Companion of Honour
- 1999 — Julius Edgar Lilienfeld Prize of the American Physical Society
- 2003 — Michelson Morley Award of Case Western Reserve University
- 2006 — Copley Medal of the Royal Society
- 2008 — Fonseca Price of the University of Santiago de Compostela
- 2009 — Presidential Medal of Freedom, the highest civilian honor in the United States
Последняя работа Хокинга решила парадокс параллельных вселенных
Image caption В 1980-х годах Хокинг вместе с американским астрофизиком Джеймсом Хартлом разработал новую теорию возникновения Вселенной В своей последней работе профессор Стивен Хокинг говорит о существовании параллельных вселенных, похожих на нашу.
Эта теория покойного астрофизика помогает решить выведенный им же космический парадокс и наводит астрономов на поиск свидетельств существования параллельных вселенных.
Работа была передана в научное издание Journal of High-Energy Physics за десять дней до смерти Хокинга.
- Стивен Хокинг: ученый, изменивший наше представление о Вселенной
- «Жизнь была бы трагичной, если бы не была забавной»: Стивен Хокинг в цитатах
- Нейтронные звезды и происхождение золота — последнее интервью Стивена Хокинга
В 1980-х годах Хокинг вместе с американским астрофизиком Джеймсом Хартлом разработал новую теорию возникновения Вселенной.
Теория Хартла-Хокинга устраняла внутреннее противоречие теории Эйнштейна, в которой постулировалось, что наша Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад, но не говорилось, каким образом это произошло.
Ученые прибегли к квантовой механике, чтобы объяснить, как Вселенная могла возникнуть из ничего.
Эта теория решила одну проблему, но создала другую, или даже бесконечное число других.
Выстраивая свою теорию, физики пришли к выводу, что Большой взрыв вероятнее всего создал не одну вселенную, а бесконечное их количество.
Правообладатель иллюстрации DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption В соответствии с теорией Хартла-Хокинга некоторые из параллельных вселенных похожи на нашу
В соответствии с теорией Хартла-Хокинга некоторые из параллельных вселенных похожи на нашу: в них существуют похожие на Землю планеты, общества, похожие на наши, и даже схожие с нами люди.
Другие вселенные могут быть немного другими — это может быть планета, похожая на Землю, но сохранившая популяцию динозавров. В третьих все может быть совсем по-другому: без Земли, возможно даже без звезд и галактик, с другими законами физики.
Может быть, это звучит как фантастика, но в соответствии с математической частью теории Хартла-Хокинга это возможно.
Тут возникает проблема, поскольку если существует бесконечное число вселенных с бесконечными вариациями законов физики, то теория не может способствовать пониманию того, в какой именно вселенной мы находимся и каковы ее особенности по сравнению с другими.
Именно этот парадокс в своей последней работе пытается решить Хокинг совместно с профессором Томасом Хертогом из Левенского католического университета в Бельгии.
«Ни Стивен, ни я не были удовлетворены таким положением дел», — говорит Хертог в беседе с Би-би-си.
«Получается, что мультивселенная возникла случайно, а больше мы почти ничего сказать не можем. Мы сказали друг другу: «Возможно, с этим придется смириться». Но сдаваться мы не хотели», — рассказывает ученый.
Правообладатель иллюстрации NASA/SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption Теория Хартла-Хокинга — плод двадцатилетней работы двух ученых
Теория Хартла-Хокинга — плод двадцатилетней работы двух ученых. Парадокс в рамках новой теории разрешается с помощью математического арсенала другой экзотической теории — теории струн.
Этот подход позволил физикам по-другому взглянуть на науку. А новая оценка теории Хартла-Хокинга, которая содержится в работе, восстанавливает порядок в мультивселенной.
В соответствии с теорией Хокинга-Хертога, параллельные миры существуют, но законы физики в них должны быть такими же, как в нашей.
Это значит, что наша Вселенная типична, а значит выводы, которые мы делаем из наблюдений за ней, применимы и к параллельным мирам.
Все это может показаться заумным, но эти идеи будут реальным подспорьем для физиков, которые стараются разработать более полную теорию возникновения Вселенной, говорит профессор Хертог.
«Законы физики, которые мы проверяем в наших лабораториях, существовали не всегда. Они выкристаллизовались после Большого взрыва, по мере того, как наша Вселенная расширялась и остывала. То, какие именно законы возникнут, в большой степени зависело от физических параметров Большого взрыва. Изучая их, мы надеемся получить более глубокое понимание того, откуда берутся наши теории по физике, как они появляются, и уникальны ли они», — говорит ученый.
Один из волнующих выводов новой теории в том, что, по словам Хертога, она может помочь исследователям обнаружить следы параллельных вселенных в нашей. Это можно сделать, изучая микроволновые следы Большого взрыва.
Но каким-то образом перескочить из одной вселенной в другую вряд ли получится, уточняет ученый.
Как изменить черную дыру?
Говоря о черных дырах необходимо отметить, что вне зависимости от наших действий, масса и вращение сделают так, что у нее будет большую площадь. Чтобы проверить эту теорию, исследователи проанализировали гравитационные волны, или рябь в ткани пространства-времени, созданные 1,3 миллиарда лет назад двумя гигантскими черными дырами, когда те по спирали приближались друг к другу с высокой скоростью.
Это были первые из когда-либо обнаруженных гравитационных волн. Подробнее о том, как исследователям удалось совершить одно из важнейших открытий последних лет читайте в материале моего коллеги Артема Сутягина.
Столкновение двух сверхъмассивных черных дыр породило гравитционные волны, которые и засекли детекторы LIGO и VIRGO.
Разделив полученный детекторами LIGO и VIRGO сигнал на две половины — до и после слияния черных дыр — исследователи рассчитали массу и вращение как двух исходных черных дыр, так и новой объединенной. Эти цифры, в свою очередь, позволили им рассчитать площадь поверхности каждой черной дыры до и после столкновения.
Интересно, что площадь поверхности вновь созданной черной дыры была больше, чем у первых двух вместе взятых, что подтверждает «закон площади» Хокинга с более чем 95%-ной степенью достоверности. Как отмечают авторы нового исследования, их результаты в значительной степени соответствуют ожиданиям.
Однако настоящая загадка начинается, когда мы пытаемся интегрировать общую теорию относительности — правила больших объектов — с квантовой механикой — правилами очень малых объектов. Начинают происходить странные события, которые наносят ущерб всем нашим жестким и быстрым правилам и полностью нарушают местные законы.
Это происходит потому, что черные дыры не могут сжиматься в соответствии с общей теорией относительности, но они могут сжиматься в соответствии с квантовой механикой. Авторству Хокинга также принадлежит концепция под названием излучение Хокинга – когда туман частиц испускается по краям черных дыр благодаря странным квантовым эффектам.
Гаргантюа в представлении художника.
Это явление приводит к тому, что черные дыры сжимаются и, в конечном итоге, за период времени, в несколько раз превышающий возраст Вселенной, испаряются. Это испарение может происходить в течение достаточно длительного времени, но для физиков это слабое утешение.
Черная дыра из лаборатории
Чтобы создать горизонт событий в лабораторных условиях, физики смоделировали однорядную цепочку атомов. Возникшее в результате излучение Хокинга — частицы, созданные возмущениями квантовых флуктуаций из-за разрыва пространства-времени черной дырой — проявилось в виде видимого свечения.
Затем команда занялась непосредственным созданием искусственной черной дыры – для чего и была разработана одномерная цепочка атомов, между которой электроны «прыгают» из одного положения в другое. Настроив легкость, с которой могут происходить эти прыжки, исследователи создали своего рода горизонт событий, который мешал волнообразной природе электронов.
Черная дыра развивается за счет вещества, которое поглощает
Как отмечают авторы научной работы, разработанная модель соответствовала теоретическим ожиданиям в тот момент, когда часть цепочки атомов выходила за горизонт событий. Это может означать, что квантовая запутанность частиц генерирует излучение Хокинга. Правда, что именно полученные результаты означают для пока не существующей теории квантовой гравитации, неясно. К счастью, труд команды из Амстердамского университета можно использовать в самых разных экспериментальных установках, а значит, дальнейших открытий не миновать.
Благодаря столкновению двух черных дыр исследователи доказали существование гравитационных волн. Это знаменательное событие произошло в 2017 году и было отмечено Нобелевской премией по физике
Как только объект пересекает горизонт событий черной дыры, нам остается лишь гадать что лежит за его пределами. Не исключено, что эти космические монстры могут оказаться порталами в другие вселенные или способом путешествия по нашей собственной. Подробнее о том, как физики-теоретики пришли к такому выводу, мы рассказывали ранее, не пропустите.
Напомним, что одним из главных желаний Стивена Хокинга было создание единой теории квантовой гравитации, которая могла бы объединить две непримиримые теории и, следовательно, могла бы применяться повсеместно и наконец узнать фундаментальные законы Вселенной и нашего существования в ней. О других, не менее интригующих научных теориях о квантовых свойствах черных дыр, можно прочитать здесь.
Что такое антиматерия?
Черные дыры обладают настолько мощной гравитационной силой, что даже мельчайшая частица света — фотон, которая движется со скоростью света, не может убежать из лап этого космического монстра. Хотя вакуум обычно считается пустым, неопределенность квантовой механики показывает, что вакуум изобилует некими виртуальными частицами, которые способны образовать такое экзотическое вещество, как антиматерия. Частицы антиматерии имеют ту же массу, что и их материальные аналоги, но отличаются противоположным электрическим зарядом.
Считалось, что сразу после появления пары таких гипотетических частиц, они тут же сливаются друг с другом. Однако, как оказалось, рядом с черной дырой экстремальные силы гравитации не заставляют частицы взаимно уничтожаться, а растягивают их в противоположных направлениях, причем одна из частиц поглощается черной дырой, а вторая улетает далеко в космос. Поглощенная в результате подобного процесса частица обладает отрицательной энергией, которая взаимодействует с черной дырой и уменьшает ее энергию и массу. Если черная дыра хорошенько сможет отобедать такими виртуальными частицами, то она отдаст столько энергии, что черный монстр в конечном итоге испарится.
Можно ли создать черную дыру в лабораторных условиях?
Для того, чтобы воссоздать аналог черной дыры в лаборатории Израильского технологического института, физик Джефф Штайнхауэр и его коллеги применили чрезвычайно холодный газ, называемый конденсатом Бозе-Эйнштейна. Это вещество ученые решили использовать в целях того, чтобы смоделировать горизонт событий — своеобразной границы внутри черной дыры, за пределы которой ничто не может убежать. В проточном потоке этого газа они разместили виртуальную преграду, создав своеобразный «водопад» из газа; когда газ перетекал сквозь искусственный водопад, он превращал потенциальную энергию в кинетическую, в результате начиная двигаться быстрее скорости звука.
Первая искусственная черная дыра была создана в Израиле
Вместо материи и антиматерии, которые взаимодействуют при аналогичном процессе в космосе, исследователи использовали пары квантовых звуковых волн или фононов. На одной из сторон звуковая волна имела возможность двигаться против потока газа, удаляясь от водопада, в то время как фонон на быстрой стороне этого сделать не мог, так как был захвачен смоделированной «черной дырой» из сверхзвукового газа.
Результат эксперимента показал, что теория Стивена Хокинга действительно проливает свет на загадку черных дыр: постепенное поглощение черными дырами частиц Хокинга ведет к рассеиванию галактических монстров.
Таким образом, именно идея самого гениального ученого XX века сможет помочь людям приручить однажды колоссальную энергию самых невероятных объектов Вселенной, сделав человеческую расу настоящими покорителями галактики. А вот уже об этом давайте-ка попробуем порассуждать в нашем Telegram-чате.
Виртуальные частицы
Концепция виртуальных частиц
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.
Синхрофазотрон показал, что существование виртуальных частиц в принципе возможно
Научная и преподавательская деятельность
Еще обучаясь в Кмбриджском университете, Хокинг стал работать над исследованиями в колледже Гонвил и Киз.
- В 1968-72-хх годах его исследовательская деятельность продолжилась в Институте теоретической астрономии.
- Затем он год практиковался в Институте астрономии.
- В 1973-75-хх годах он работал на кафедре прикладной математики и физики в Кембридже.
- Следующие 2 года он посвятил преподаванию теории гравитации, а в 1979 году получил звание Профессора гравитационной физики. В том же году он стал Профессором математики.
- В 1974 году Стивен Хокинг стал членом Лондонского королевского общества.
- С 1979 по 2009 года он был Лукасовским профессором Кембриджского университета.
Вселенная Стивена Хокинга — Теория жизни
Среди номинантов на премию Оскар за лучшую мужскую роль в перечне актеров, которые уже достаточно давно известны широкой публике, была одна темная лошадка
Когда в руки этого молодого таланта, начинавшего с сериалов, стали сыпаться награды – «Золотой глобус», актерской Гильдии, BAFTA – он обратил на себя внимание общественности. После британской премии шансы Эдди Редмэйна на получение Оскара резко увеличились
И он его таки получил за отлично сыгранную роль в блестящем, эмоциональном и жизнеутверждающем байопике «Вселенная Стивена Хокинга».
Актер, которого можно было видеть в «Отверженных» и «Столпах Земли», в данном биографическом фильме проделал кропотливую и тщательную работу по созданию образа знаменитого космолога. Режиссер Джеймс Марш снял ленту по мотивам книги «Путешествие во Вселенную: Моя жизнь со Стивеном Хокингом». Ее написала первая жена ученого Джейн Уайлд, сыгранная великолепной Фелисити Джонс. Она сумела воплотить на экране образ волевой и несгибаемой женщины, в то время как Редмэйн показал Хокинга в разные годы жизни, изучив протекание болезни Лу Герига, которая проявилась у учёного еще в студенческом возрасте.
Начав обучение прикладной математике и физике в Оксфорде, Стивен довольно быстро достиг первых успехов. Под руководством профессора Денниса Сиама (Дэвид Тьюлис, Люпин из «Гарри Поттера») он выбирает время и вселенную темой своей докторской диссертации. Хокинг – не типичный ботаник в очках с толстой оправой и неопрятным внешним видом, у него верные друзья, с которыми можно выпить пива в кампусе Тринити-Холла за разговорами о термодинамике, он состоит в оксфордской команде по гребле, любит Вагнера и крокет. На вечеринке он встречает прекрасную девушку, свою будущую жену Джейн, которая более двадцати лет будет помогать ему справляться с тяжелой болезнью. О он узнал в 21 год, буквально через неделю после своего дня рождения. Врачи сказали, что жить ему осталось около двух лет.
Эдди Редмейн и Фелисити Джонс вместе со Стивеном Хокингом
Сейчас Стивену Хокингу 73 года. У него трое детей, звание одного из самых известных ученых современности и популяризатора науки. Он написал бестселлер «Краткая история времени», державшийся в топе продаж более трех лет. Также Стивен часто появляется на ТВ-шоу или мелькает в , являясь узнаваемой персоной благодаря инвалидной коляске и компьютерному генератору речи. Несмотря на такие трудности в коммуникации, он способен донести до слушателей сложные научные измышления в понятной форме, с юмором и наглядными примерами. Посвятив всю жизнь изучению космологии и квантовой гравитации, он вывел теорию, согласно которой у Вселенной нет границ, она постоянно расширяется, все изменения с ней произошли при ее рождении. Повернув вспять ход времени, можно проследить до момента начала начал – Большого взрыва, когда в возникающей самопроизвольно произошел процесс создания Вселенной. Стивен Хокинг также осмыслил с помощью квантовых эффектов предположив, что они испаряются путем излучения за их элементарных частиц.
Но фильм не о серьезной науке, а о сильной личности, о преисполненном неиссякаемым оптимизмом невероятном человека. Основанная не на теориях или гипотезах, а на биографических мемуарах жены революционера астрофизики, лента показывает его как доброго и семейного человека. Да, занимающегося наукой, но она тут уходит на второй план, больше раскрывая невероятное жизнелюбие ученого и его крепкие взаимоотношения с супругой. Стивен и Джейн смогли вместе открывать самые простые радости при том, что каждый день мог стать последним. Вот он счастливо ездит по гостиной и играет с детьми, изображая из себя киборга из «Доктора Кто», вот спорит с Кипом Торном на годовую подписку журнала «Пентхауз», выбирается с семьей на пляж, где его атрофированные ноги омывает морская вода, а следующим кадром выступает перед огромной аудиторией. Все важные встречи и события из биографии поданы изящно, драматично и потрясающе душевно.
То, что сделал Эдди Редмэйн, действительно достойно высшей награды, так как он смог не только натурально изобразить мимику, речь и жестикуляцию Хокинга, но и выдал цельный образ больного человека со стержнем внутри. Тщательно проработав все детали и прочувствовав роль, он показал истинную сущность профессора, обладающего стойким, ироничным характером. Немощность окупается чистотой и постоянством работы мозга. Горизонта событий, как у черной дыры, у человеческой жизни быть не должно. Ее невозможно описать одним уравнением, как то, которое Стивен Хокинг пытался вывести для объяснения Вселенной, в нее можно только поверить.
От идеи до фото черной дыры
Размышлять о самых таинственных объектах во Вселенной Хокинг начал в 1970-х годах. Представляя мощнейшую гравитацию черных дыр, окруженную горизонтом событий – невидимым пузырем, отмечающим границу невозврата – он понял, что теория Эйнштейна также означала, что горизонт событий черной дыры не может уменьшиться. Черная дыра только набирает массу, поэтому общая площадь поверхности ее горизонта событий только растет.
Это была невероятно смелая идея. Но Хокинг пошел еще дальше и предположил, что черные дыры могут не только «разделяться надвое», но и исчезать, словно мыльные пузыри. В 1973 году, в соавторстве с Джеймсом Бардином (сегодня сотрудник Вашингтонского университета) и Брэндоном Картером (научный сотрудник в Французского национального центра научных исследований), Стивен Хокинг изложил свои идеи.
Британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Фото: The New York Times
В работе, в частности, содержалось несколько тревожных звоночков для физики, в том числе «Теорема об отсутствии волос», согласно которой площадь поверхности горизонта событий – это мера всей информации, поглощаемой черной дырой. Иными словами, черной дыре все равно, потребляет она материю или антивещество. Эти объекты обладают всего тремя свойствами: массой, спином и электрическим зарядом. Никакие другие детали или «волосы» не регистрируются.
Вернемся к идеям Хокинга. Для начала вспомним знаменитое уравнение Эйнштейна E равно MC в квадрате – энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате. Энергия и масса – это одно и то же. Они равноценны. Выходит, можно превратить массу в энергию и энергию в массу.
До 2015 года черные дыры являлись гипотетическими объектами.
Вокруг черной дыры, как известно, очень горячий газ и экстремально высокие температуры, сильные магнитные поля, и, возможно, много энергии. И эта энергия может проявляться в виде частиц, массы. А еще энергия всегда создает пары частица/античастица.
Итак, если то же самое происходит вблизи черной дыры, вполне возможно, что одна из этих маленьких частиц попадет в черную дыру, а другая вырывается наружу. Сегодня исследователи считают, что выход частиц наружу возможен благодаря действию самой гравитации — обычной гравитации с одним слоем квантовых эффектов. Между тем, в 1974 году Стивен Хокинг вычислил, что квантовые эффекты приведут к медленной утечке информации и взрыву черной дыры.
Излучение Хокинга. Конец Черной Дыры
До появления гипотезы Хокинга черные дыры считались конечным этапом жизни некоторых звезд. Когда в недрах подобных звезд прекращается ядерный синтез, происходит гравитационный коллапс. Звезда быстро сжимается в небольшой объект, имеющий огромную плотность. Этот объект имеет настолько сильное гравитационное поле, что ничто, даже свет, не способно преодолеть его. Так рождается черная дыра. Граница, за которой находится некая «точка невозврата» любого материального тела, получила название горизонт событий черной дыры. Никто и ничто не способно вернуться назад, преодолев эту границу.
Пространство вокруг черных дыр, особенно в бинарных системах, просто кипит от разного рода катастрофических событий. Часто астрономы фиксируют мощные гамма-всплески, возникающие в процессе падения материи в черную дыру. Но центральный объект, сама черная дыра, казалось незыблемой. Она могла только расти. И никогда не уменьшаться. Она казалась вечной.
В своей статье «Взрывы черных дыр?», опубликованной в 1974 году в журнале «Nature», молодой Хокинг предположил, что квантовые эффекты, обычно игнорируемые при описании физики черных дыр, могут нести ответственность за уменьшение массы подобных объектов. И по мере уменьшения массы черной дыры влияние этих квантовых эффектов будет увеличиваться. Что приведет к еще более быстрой потере массы.
Так как же происходит потеря массы черной дыры? Ведь выше было сказано, что ничто не может ее покинуть? Да, действительно это так. Но все же одно не противоречит другому. Все дело в квантовой физике. Которая предполагает существование так называемых «виртуальных частиц». Что же это за частицы такие? Давайте разберемся.
Излучение Хокинга
Чтобы проанализировать свойства излучения Хокинга, исследователи решили создать его аналог в лаборатории (этим грешат многие молодые ученые), что в итоге удалось группе физиков из Амстердамского университета. В ходе исследования физики наблюдали потрясающий результат своей работы – свечение на смоделированном горизонте событий, правда при соблюдении определенных условий.
Предложенная модель в будущем позволит изучить окружающее черные дыры пространство, на которое не влияет экстремальная динамика их образования. «Наша работа может помочь в дальнейшем изучении фундаментальных аспектов квантовой механики, а также гравитации и искривленного пространства-времени в различных средах с конденсированной материей», — пишут авторы нового исследования.
Перед вами черная дыра поглощающая материю прямо в центре нашей Галактики
Но вот что еще удивительнее – полученные результаты приводят нас прямиком к феномену квантовой запутанности – явлению, при котором две частицы остаются связанными вне зависимости от того, как далеко находятся друг от друга. Как полагают авторы работы, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, запутанность частиц, пересекающих горизонт событий, играет важную роль в генерации излучения Хокинга.
Заключение
Открытие излучения Хокинга Стивеном Хокингом имело огромное значение для физики и нашего понимания черных дыр. Формула Хокинга и его объяснение процесса эмиссии излучения открыли новые горизонты в изучении черных дыр и квантовой гравитации.
Экспериментальное подтверждение излучения Хокинга и его влияние на теорию черных дыр и общую теорию относительности подтверждают его значимость. Однако, критика и альтернативные гипотезы показывают необходимость дальнейших исследований и экспериментов для полного понимания этого эффекта.
В целом, открытие излучения Хокинга открывает новые возможности для изучения черных дыр и квантовой гравитации, и его значимость в физике не может быть недооценена.