Просмотр кода страницы Излучение Хокинга

[[File:BH LMC.png|thumb|upright=1.35|right|Симулированный 
вид черной дыры (в центре) перед Большим Магеллановым Облаком. Обратите внимание на эффект гравитационного линзирования, который создает два увеличенных, но сильно искаженных вида Облака. Наверху диск Млечного Пути кажется искаженным в дугу.]]
'''Излуче́ние Хо́кинга''' — [[Гипотеза|гипотетический]] процесс излучения [[чёрная дыра|чёрной дырой]] разнообразных [[элементарная частица|элементарных частиц]], преимущественно [[фотон]]ов; назван в честь [[Хокинг, Стивен Уильям|Стивена Хокинга]]. Излучение Хокинга — главный аргумент<!-- куда?--> учёных относительно распада (испарения) небольших [[Чёрная дыра|чёрных дыр]], которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на [[Большой адронный коллайдер|БАК]]<ref name="bbc091126">{{cite web
 |url         = http://www.bbc.co.uk/russian/interactivity/2009/11/091126_interview_butterworth.shtml
 |title       = Ответы профессора Университетского колледжа Лондона Джонатан Батерворс на вопросы читателей bbcrussian.com о Большом адронном коллайдере
 |archiveurl  = https://www.webcitation.org/617hthtVm?url=http://www.bbc.co.uk/russian/interactivity/2009/11/091126_interview_butterworth.shtml
 |archivedate = 2011-08-22
}}</ref>. На этом эффекте основана идея [[сингулярный реактор|сингулярного реактора]] — устройства для получения энергии из чёрной дыры за счёт излучения Хокинга<ref>{{статья
 |автор    = L. Crane
 |заглавие = Possible Implications of the Quantum Theory of Gravity
 |ссылка   = http://arxiv.org/abs/hep-th/9402104
 |язык     = en
 |год      = 1994
}}</ref>.

== История ==
[[Грибов, Владимир Наумович|В. Грибов]] в дискуссии с [[Зельдович, Яков Борисович|Я. Зельдовичем]] настаивал на том, что благодаря [[Туннельный эффект|квантовому туннелированию]] чёрные дыры должны излучать частицы<ref>{{статья|автор=Ансельм А. А., Гинзбург В. Л., Докшицер Ю. Л., Дятлов И. Т., Захаров В. Е., Иоффе Б. Л., Липатов Л. Н., Николаев Н. Н., Окунь Л. Б., Петров Ю. В., Тер-Мартиросян К. А., Халатников И. М.|заглавие=Памяти Владимира Наумовича Грибова|ссылка=http://ufn.ru/ru/articles/1998/4/f/|издание=[[Успехи физических наук]]|год=1998|том=168|выпуск=4|страницы=471-472|doi=10.3367/UFNr.0168.199804f.0471}}</ref><ref>{{Cite web|url = http://www.scientific.ru/dforum/scilife/1318072669|title = Грибов, Зельдович, Хокинг|author = Дьяконов Дмитрий Игоревич|date = 2011-10-08|publisher = scientific.ru|authorlink = Дьяконов,_Дмитрий_Игоревич|description = Воспоминания свидетеля событий, физика-теоретика|lang = ru|quote = Речь зашла об излучении вращающейся чёрной дыры. Все понимали, что вращающееся тело излучает, и вслух прикидывали — дипольное? квадрупольное? но Яков Борисович говорил что-то третье, что понять было трудно. Опять поднялся невообразимый гвалт. В какой-то момент Грибов сказал: не понимаю, зачем дыре вращаться, она и в покое должна излучать — фотон с длиной волны больше шварцшильдовского радиуса невозможно запереть! Аудитория это мгновенно осознала и стала прикидывать, какую длину волны излучает чёрная дыра с массой Солнца, и так далее.|archiveurl = https://archive.is/20130417135953/http://www.scientific.ru/dforum/scilife/1318072669|archivedate = 2013-04-17}}</ref>. Еще до публикации своей работы Хокинг посетил [[Москва|Москву]] в 1973 году, где он встречался с советскими учёными [[Зельдович, Яков Борисович|Яковом Зельдовичем]] и [[Старобинский, Алексей Александрович|Алексеем Старобинским]]. Они продемонстрировали Хокингу, что в соответствии с [[Принцип неопределённости|принципом неопределённости]] квантовой механики вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы<ref>{{книга
|автор=Stephen Hawking.
|заглавие=A Brief History of Time
|издательство=Bantam Books
|год=1988
}}</ref>.

== Испарение чёрных дыр ==
{{Подробно|[[:en:Hawking radiation|en:Hawking radiation]]}}

'''Испарение чёрной дыры''' — [[квантовая механика|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 [[Квантово-размерный эффект|квантовые эффекты]]. В квантовой же механике благодаря [[туннельный эффект|туннелированию]] появляется возможность преодолевать [[потенциальный барьер|потенциальные барьеры]], непреодолимые для неквантовой системы. Утверждение, что конечное состояние чёрной дыры стационарно, верно лишь в рамках [[гравитация|обычной]], не [[Альтернативные теории гравитации|квантовой теории тяготения]]. Квантовые эффекты ведут к тому, что на самом деле чёрная дыра должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию.

В случае чёрной дыры ситуация выглядит следующим образом. В [[Квантовая теория поля|квантовой теории поля]] [[физический вакуум]] наполнен постоянно рождающимися и исчезающими [[флуктуация]]ми различных полей (можно сказать и «[[виртуальная частица|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) [[горизонт событий|горизонта событий]] чёрной дыры. При этом возможно, что одна из частиц (неважно какая) падает внутрь чёрной дыры, а другая улетает и доступна для наблюдения. Из закона сохранения энергии следует, что такая «упавшая» за горизонт событий частица из рождённой виртуальной пары должна обладать отрицательной энергией, так как «улетевшая» частица, доступная для удалённого наблюдателя, обладает положительной энергией.

Также этот процесс очень грубо можно представить как «заём» энергии вакуумом у внешнего поля для рождения пары частица+античастица. В отсутствие чёрной дыры аннигиляция «возвращает» энергию полю. В описываемом случае при наличии чёрной дыры аннигиляции не происходит, одна из частиц улетает к наблюдателю, унося часть «занятой» энергии, тем самым уменьшая энергию, и следовательно массу чёрной дыры.

Постоянное гравитационное поле для того, чтобы породить пары частица-античастица, должно быть неоднородным. Пары частица-античастица могут родиться только за счёт [[приливные силы|приливного эффекта]]. Разность сил, действующих, например, на электрон и позитрон в виртуальной паре (приливной эффект) равна <math>\frac{m g L_C}{L}</math>, где <math>m</math> - масса электрона или позитрона, <math>g</math> - ускорение, сообщаемое гравитационным полем, <math>L_C = \frac{\hbar}{mc}</math> - [[комптоновская длина волны]], <math>L</math> - характерный масштаб неоднородности гравитационного поля. Порог рождения пар определяется [[закон сохранения энергии|законом сохранения энергии]] (работа приливных сил должна быть равна энергии, достаточной для образования пары): <math>(\frac{m g L_C}{L})L_C \sim m c^2</math>. Для сферической невращающейся массы <math>M</math> на достаточно большом расстоянии <math>r</math> от нее ускорение <math>g=\frac{GM}{r^2}, L \sim r</math> и условие рождения пар принимает вид <math>G M L_C^2 r^{-3} \sim c^2</math>. Его можно записать в виде <math>r \sim \left ( \frac{L_{C}^{2} G M}{c^{2}} \right )^{\frac{1}{3}} \sim \left ( L_{C}^{2} R_G \right )^{\frac{1}{3}}</math>, где <math>R_G = \frac{2GM}{c^2}</math> - [[гравитационный радиус]]. Энергия, необходимая одной частице из возникшей пары для того, чтобы уйти прочь, возникает за счет поглощения другой частицы чёрной дырой. В поле тяжести с ускорением <math>g \sim \frac{GM}{R_G^2}</math> электронно-позитронная пара на характерном расстоянии <math>L_C = \frac{\hbar}{mc}</math> приобретает энергию <math>E \sim \frac{G M m L_C}{R_G^2} \sim \frac{\hbar G M}{R_G^2 c} = \frac{\hbar c^3}{4 G M}</math>. Такой энергии отвечает температура <math>T \sim  \frac{\hbar c^3}{4 k_B G M}</math> (точное значение отличается от приведенного числовым множителем). Электронно-позитронные пары будут рождаться если <math>k_B T \sim mc^2</math>, то есть при <math>R_G \sim \frac{\hbar}{m c}</math>. Если <math>R_G \gg \frac{\hbar}{m c}</math>, то вероятность рождения пар снижена множителем <math>e^{-\frac{E}{k_B T}}</math><ref name="Ginz1">''[[Гинзбург, Виталий Лазаревич|Гинзбург В. Л.]], Фролов В. П.'' Вакуум в однородном гравитационном поле и возбуждение равномерно ускоренного детектора // Эйнштейновский сборник 1986-1990. — М., Наука, 1990. — Тираж 2600 экз. — c. 190-278</ref><ref name="Ginz2">''[[Гинзбург, Виталий Лазаревич|Гинзбург В. Л.]], Фролов В. П.'' [https://ufn.ru/ru/articles/1987/12/d/ Вакуум в однородном гравитационном поле и возбуждение равномерно ускоренного детектора] // [[УФН]], 1987, т. 153, с. 633-674</ref>

Важным является не только предсказываемый факт излучения, но и то, что это излучение имеет [[спектр|тепловой спектр]] (для [[Безмассовые частицы|безмассовых частиц]]). Это значит, что излучению вблизи горизонта событий чёрной дыры можно сопоставить определённую [[температура|температуру]]

: <math>T_{BH}={\hbar\,c^3\over8\pi k\,G M} \approx 1{,}227\cdot 10^{23}\; \mathrm{K}\cdot\left(\frac{M}{1\;\mathrm{kg}}\right)^{-1} \approx 6{,}169\cdot 10^{-8}\; \mathrm{K}\cdot\frac{M_\odot}{M},</math>

где {{hbar}} — приведённая [[постоянная Планка]], {{math|''c''}} — [[скорость света]] в вакууме, {{math|''k''}} — [[постоянная Больцмана]], {{math|''G''}} — [[гравитационная постоянная]], {{Mo}} — [[масса Солнца]] и, наконец, {{math|''M''}} — масса чёрной дыры. При этом не только спектр излучения (распределение его по частотам), но и более тонкие его характеристики (например, все корреляционные функции) точно такие же, как у излучения чёрного тела. Развивая теорию, можно построить и полную [[термодинамика чёрных дыр|термодинамику чёрных дыр]].

Однако такой подход к чёрной дыре оказывается [[Противоречивость теории|внутренне противоречивым]] и приводит к проблеме [[исчезновение информации в чёрной дыре|исчезновения информации в чёрной дыре]]. Причиной этого является отсутствие успешной теории [[квантовая гравитация|квантовой гравитации]]. Существование излучения Хокинга предсказывается не всеми квантовыми теориями гравитации<ref>Adam D. Helfer. ''Do black holes radiate?'' Rept. Prog. Phys. '''66''' (2003) 943—1008; [http://arxiv.org/abs/gr-qc/0304042 arXiv: gr-qc/0304042v1].</ref> и оспаривается рядом исследователей.<ref>V. A. Belinski. ''On the existence of black hole evaporation yet again'' Phys. Lett. A '''354''' (2006) 249—257; [http://arxiv.org/abs/gr-qc/0607137 arXiv:gr-qc/0607137].</ref>

== Исследование ==
Точку в споре о существовании эффекта должны были бы поставить наблюдения, однако температуры известных астрономам [[Чёрная дыра|чёрных дыр]] слишком малы, чтобы излучение от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор гипотеза не подтверждена наблюдениями.

Согласно [[общая теория относительности|общей теории относительности]], при образовании Вселенной могли бы рождаться ''первичные чёрные дыры'', некоторые из которых (с начальной массой 10<sup>12</sup> кг) должны были бы заканчивать испаряться в наше время<ref>{{статья|автор= Бернард Карр, Стивен Гиддингс |заглавие= Квантовые черные дыры |ссылка= http://modcos.com/articles.php?id=100  |издание= [[В мире науки]] |год= 2005 |выпуск = 8 |archiveurl = https://web.archive.org/web/20051105030741/http://www.sciam.ru/2005/8/phizical.shtml | archivedate = 2005-11-05 }}</ref>. Так как интенсивность испарения растёт с уменьшением размера чёрной дыры, то последние стадии должны быть, по сути, [[взрыв]]ом чёрной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Известно о попытке исследования «излучения Хокинга» на основе [[Модель|модели]] — аналога [[Горизонт событий|горизонта событий]] для [[Белая дыра|белой дыры]], в ходе физического эксперимента, проведённого исследователями из [[Миланский университет|Миланского университета]]<ref>[http://arxiv.org/abs/1009.4634 Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments]</ref><ref>{{cite web
|url= http://www.3dnews.ru/news/vpervie-polucheno-izluchenie-houkinga
|title= Впервые получено излучение Хоукинга
|author= Александр Будик
|publisher= [[3DNews]]
|datepublished=28 сентября 2010 года
|accessdate= 9 октября 2010
}}</ref>.

В 2014 году Джефф Штейнхауэр из [[Технион|Израильского технологического института]] провёл эксперимент по моделированию излучения Хокинга в лаборатории с помощью звуковых волн.<ref>{{cite web
|url= http://postnauka.ru/faq/35002
|title= Моделирование излучения Хокинга
|author= Ахмедов Эмиль
|publisher= [[postnauka.ru]]
|datepublished=21.10.2014
}}</ref><ref>{{cite web
|url= http://www.popmech.ru/science/49150-uchenym-vpervye-udalos-vosproizvesti-izluchenie-khokinga/
|title= Ученым впервые удалось воспроизвести излучение Хокинга
|publisher= Phys.org
|datepublished=15.10.2014
}}</ref><ref>[http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n11/full/nphys3104.html Home : Nature Status<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

== См. также ==
* [[Эффект Унру]]
* [[Сверхизлучение#В астрофизике|Сверхизлучение (в астрофизике)]]

== Ссылки ==
* {{статья|автор= Бернард Карр, Стивен Гиддингс |заглавие= Квантовые черные дыры |ссылка= http://modcos.com/articles.php?id=100  |издание= [[В мире науки]] |год= 2005 |выпуск = 8 |archiveurl = https://web.archive.org/web/20051105030741/http://www.sciam.ru/2005/8/phizical.shtml | archivedate = 2005-11-05 }}

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{статья|автор= Hawking S. W. |заглавие= Black hole explosions? |ссылка= https://dx.doi.org/10.1038/248030a0 |издание= [[Nature]] |год= 1974 |volume= 248 |pages= 30—31}}
* {{статья|автор= Hawking S. W. |заглавие= Particle creation by black holes |ссылка= https://dx.doi.org/10.1007/BF02345020 |издание= Communications in Mathematical Physics |год= 1975 |volume= 43 |pages= 199—220}}
* {{статья|автор= Brout R., Massar S., Parentani R., Spindel Ph. |заглавие= A primer for black hole quantum physics |ссылка= https://dx.doi.org/10.1016/0370-1573(95)00008-5 |издание= Physics Reports |год= 1995 |volume= 260 |pages= 329—446}}
* {{статья|автор= Helfer A. D. |заглавие= Do black holes radiate? |ссылка= https://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/66/6/202 |издание= Reports on Progress in Physics |год= 2003 |volume= 66 |pages= 943—1008}}
* {{статья|автор= Robertson S. J. |заглавие= The theory of Hawking radiation in laboratory analogues |ссылка= https://dx.doi.org/10.1088/0953-4075/45/16/163001 |издание= J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys |год= 2012 |volume= 45 |pages= 163001}}

{{Чёрные дыры}}

[[Категория:Квантовые явления]]
[[Категория:Релятивистские и гравитационные явления]]
[[Категория:Астрофизика]]
[[Категория:Чёрные дыры]]
[[Категория:Стивен Хокинг]]
[[Категория:Астрономические гипотезы]]
[[Категория:Физические гипотезы]]
[[Категория:Гипотезы теории относительности]]
[[Категория:Гипотезы физики элементарных частиц]]