Коротко:

— что такое излучение Хокинга

— почему законы физики Эйнштейна не работают в квантовом мире

— как черные дыры помогут открыть теорию всего

Несмотря на достижения австрийского клерка Альберта Эйнштейна в описании основ современной физики, у его теорий есть несколько хейтеров.

Эйнштейн первым после Ньютона точно описал концепцию пространства-времени и установил законы взаимодействия объектов в нем, которыми мы пользуемся до сих пор.

Но датчанину Нильсу Бору этого было мало, — он хотел узнать, как взаимодействуют объекты на мельчайшем уровне и пришел к обоснованию абсолютно другой — квантовой — физики.

Со временем исследователи квантовых «чудес» перестали быть только теоретиками, а к классической эйнштейновской физике появилось еще больше вопросов. Некоторые из них сформировал, пожалуй, наиболее известный в массовой культуре британский ученый Стивен Хокинг.

Исследуя черные дыры, еще в 1970-х Хокинг предположил, что некоторые из этих загадочных объектов могут распадаться и испускать специфическое излучение. Это, опять-таки, противоречило представлению Эйнштейна о самых тяжелых объектах во Вселенной.

Недавно группа астрофизиков из Канады и Германии обнаружила новую черную дыру, которая может быть источником излучения Хокинга. Необычные сигналы от черной дыры засекли несколько лет назад.

Эхо черной дыры

В конце 2019-го астрофизики из канадского Университета Ватерлоо и немецкого Института имени Макса Планка опубликовали исследование о вращающейся черной дыре, которую они засекли вследствие столкновения двух нейтронных звезд.

Благодаря лазерно-интерферометрической обсерватории LIGO на северо-западе США и аналогичному детектору Virgo вблизи итальянской Пизы ученые еще в 2017-м обнаружили гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд.

Напомним, нейтронные звезды появляются вследствие взрыва некоторых звезд, и являются очень плотными объектами диаметром от 10 до 20 км, масса которых приблизительно равна массе Солнца.

Изучая гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд, авторы исследования засекли с помощью них «эхо» одной из черных дыр.

Проблема в том, что согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры — это чрезвычайно плотные области пространства-времени (так называемые сингулярности) с очень сильным гравитационным притяжением.

Гравитация черных дыр должна быть настолько мощной, что любой объект, который пересекает ее горизонт событий, исчезает навсегда, даже если он двигается со скоростью света.

Иными словами, объекты могут взаимодействовать с черными дырами на большом расстоянии, но все, что приближается к ним достаточно близко — пропадает безвозвратно. Теория Эйнштейна не предполагает, что черные дыры могут быть источником какого-либо излучения, — они могут только поглощать все вокруг себя.

С этим не согласился упомянутый выше Стивен Хокинг, который в нескольких своих работах предположил существование излучения черных дыр, впоследствии названного в его честь. Как раз о таком излучении и говорят астрофизики из Канады и Германии, описывая «эхо» обнаруженной ими черной дыры.

«До недавнего обнаружения гравитационных волн, ученые не смогли экспериментально определить, испускают ли черные дыры какое-либо вещество. Если квантовый пух, который отвечает за излучение Хокинга, существует вокруг черных дыр, — гравитационные волны могут отражаться от него. Это будет создавать меньшие сигналы гравитационных волн после основного события столкновения (нейтронных звезд — ред.), подобно повторяющимся эхо-сигналам», — объясняет один из авторов открытия, астрофизик из Университета Ватерлоо Нияеш Афшорди (Niayesh Afshordi).

Под «квантовым пухом» Афшорди подразумевает определенное вещество, которое должно находиться вокруг черной дыры. Именно этот пух может быть доказательством существования гипотетического излучения Хокинга, которое якобы отражало гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд.

Если это на самом деле так, горизонт событий черных дыр может быть не только гладкой областью пространства-времени, за чертой которой все объекты превращаются в пыль, но и вмещать некоторые частички излучения Хокинга.

Несмотря на то, что «эхо» от черной дыры засекли несколько детекторов и вероятность ошибочного сигнала, по оценкам авторов исследования, составляет всего 2 из 100 тыс., некоторые ученые скептически относятся к этой работе.

Астрофизики Джоуи Нильсен (Joey Neilsen) из Университета Вилланова в штате Пенсильвания и Максимилиано Иси (Maximiliano Isi) из MIT говорят, что причиной «эха» черной дыры может быть какой-либо другой экзотический объект, который существует в течение секунд. К примеру, остатки нейтронной звезды.

По словам ученых, это не первое заявление такого рода, и для его подтверждения нужны более глубокие исследования. Тем не менее, Нильсен и Иси отмечают, что результаты работы их коллег явно заслуживают на то, чтобы продолжать изучать эти данные.

Проблема излучения Хокинга

Очевидно, будучи противоречивым к теории Эйнштейна о «стационарных» черных дырах, излучение Хокинга предполагает наличие определенного квантового процесса, т. е. взаимодействия частиц в микромасштабах.

Под этими взаимодействиями (точнее сказать — флуктуациями) в далеком 1974-м Хокинг подразумевал появление квантовых полей — так называемых виртуальных частиц — в физическом вакууме вблизи горизонта событий черных дыр.

Согласно квантовой теории поля, виртуальные частицы в областях пространства-времени с сильным внешним полем (собственно, черной дыры) могут прямо из вакуума превращаться в реальные частицы и античастицы.

После этого, одна из этих частиц якобы падает внутрь черной дыры, а другая отдаляется от нее и становится доступна для нашего наблюдения. По закону сохранения энергии, видимая нам частица, которая и представляет излучение Хокинга, должна обладать положительной энергией. Следовательно, ее античастица, которую поглотила черная дыра, имеет отрицательную энергию.

Таким образом, излучение Хокинга предполагает, что энергия и масса черной дыры постепенно уменьшаются до полного ее исчезновения (что в принципе невозможно по законам Эйнштейна).

Есть и другая проблема такого излучения, которая противоречит даже основным принципам квантовой механики: «освобожденные» частицы должны включать информацию о своих античастицах, которые поглотила черная дыра.

Но сам Хокинг заявил, что излучение черных дыр — это термальный эффект, который на самом деле не имеет ничего общего с сохранением информации о поглощенной материи.

Британский астрофизик подтвердил это тем, что температура излучения, по его расчетам, напрямую зависела от массы черной дыры. Поэтому частицы излучения одной черной дыры оказываются неотличимы от аналогичного излучения другой, а их античастицы пропадают навсегда, не оставляя после себя никакой информации.

Это явление назвали парадоксом исчезновения информации Хокинга.

Летом 2019-го физики из Израильского технологического института решили проверить теорию Хокинга и провели эксперимент со звуковыми черными дырами.

Эта искусственная черная дыра полностью поглощает звуковые волны — фононы. Такое устройство можно создать с помощью конденсата Бозе-Эйнштейна — сильно охлажденного состояния вещества, в котором начинают проявляться квантовые эффекты.

Ученые использовали охлажденные атомы рубидия, которые поглощали звуковые волны так же, как гравитация черной дыры поглощает свет. В такой установке исследователи заметили следы излучения Хокинга в виде испускаемых фононов.

Звуковая черная дыра физиков из Израиля излучала фононы температурой в 0,35 миллиардных долей кельвина, что подтвердило термальный эффект излучения Хокинга и его парадокс исчезновения информации в черных дырах.

Конечно, для точного подтверждения теории Хокинга об излучении черных дыр нужно провести эксперимент с объектами, гравитация которых сможет поглощать свет.

Опровержение или обнаружение излучения Хокинга приблизит нас к главной задачи современной физики — объединения свойств квантовой механики с общей теории относительности в теорию всего.

Теория всего

Одноименный байопик о Стивене Хокинге, благодаря которому Эдди Редмэйн получил Оскар в 2015-м, хоть и немного, но все же описывает главную научную концепцию в жизни британского ученого — теорию всего.

НВ не раз писало о противостоянии общей теории относительности Альберта Эйнштейна и квантовой механики.

Если вкратце: первая теория описывает все, что нас окружает в виде пространства-времени, а также взаимодействие всех объектов во Вселенной с помощью одной лишь гравитации.

А квантовая механика, в свою очередь, отвечает взаимодействие элементарных частиц с помощью сразу трех показателей — электромагнитного, и сильного/слабого ядерного взаимодействия.

Теория всего как раз и должна объединить две этих непримиримых научных Вселенных и дать нам универсальное понимание того, что происходит с черными дырами, и куда девается все, что они поглощают.

Хокинг искал теорию всего именно в черных дырах, поскольку эти объекты настолько тяжелые, что поддаются воздействию эйнштейновской гравитации. И, в то же время, настолько сжаты, что вокруг них теоретически можно наблюдать квантовые эффекты вроде того же излучения.

Как видим, современные ученые продолжают исследовать предположения Стивена Хокинга, ведь он сам не успел описать теорию всего, поскольку умер в начале 2018-го в возрасте 76 лет.

Его последователи сегодня также прибегают к объединению ОТО Эйнштейна и квантовой механики через теорию струн, квантовый дарвинизм и еще десятки подобных теорий.

Некоторые из них даже предполагают то, что квантовые частицы формируют пространство-время, создавая что-то вроде симуляции нашего мира.

Как бы там ни было, к концу своей жизни Стивен Хокинг пришел к выводу, что главная прелесть теории всего в том, что ее невозможно найти.

По его словам, именно это заставляет человека развиваться постоянно: «Теперь я рад, что наш поиск понимания никогда не закончится, и что мы всегда будем испытывать новые открытия. Без этого мы бы стояли на месте».