Выпраменьванне Хокінга

Выпраменьванне Хокінга — гіпатэтычны працэс выпускання разнастайных элементарных часціц, пераважна фатонаў, чорнай дзірой. Эфект прадказаны тэарэтычна Стывенам Хокінгам ў 1974 годзе. Працы Хокінга папярэднічаў яго візіт у Маскву ў 1973 годзе, дзе ён сустракаўся з савецкімі навукоўцамі Якавам Зяльдовічам і Аляксеем Старабінскім. Яны прадэманстравалі Хокінгу, што ў адпаведнасці з прынцыпам нявызначанасці квантавай механікі чорныя дзіркі, якія верцяцца, павінны спараджаць і выпраменьваць часціцы.

Выпарэнне чорных дзірак

Выпарэнне чорнай дзіркі — квантавы працэс. Справа ў тым, што паняцце аб чорнай дзірцы як аб’екце, які нічога не выпраменьвае, а можа толькі паглынаць матэрыю, справядлівае да таго часу, пакуль не ўлічваюцца квантавыя эфекты. У квантавай жа механіцы, дзякуючы тунэляванню, з’яўляецца магчымасць пераадольваць патэнцыяльныя бар’еры, непераадольныя для неквантавай сістэмы. Сцвярджэнне, што канчатковы стан чорнай дзіркі стацыянарны, дакладна толькі ў рамках звычайнай, не квантавай тэорыі прыцягнення. Квантавыя эфекты вядуць да таго, што насамрэч чорная дзірка павінна бесперапынна выпраменьваць, губляючы пры гэтым сваю энергію.

У выпадку чорнай дзіркі сітуацыя выглядае наступным чынам. У квантавай тэорыі поля фізічны вакуум напоўнены флуктуацыямі розных палёў, які пастаянна нараджаюцца і знікаюць (можна сказаць і «віртуальнымі часціцамі»). У поле знешніх сіл дынаміка гэтых флуктуацый мяняецца, і калі сілы дастаткова вялікія, прама з вакууму могуць нараджацца пары часціца-антычасціца. Такія працэсы адбываюцца і зблізку (але ўсё ж звонку) гарызонту падзей чорнай дзіркі. Пры гэтым магчымы выпадак, калі поўная энергія антычасціцы аказваецца адмоўнай, а поўная энергія часціцы — дадатнай. Падаючы ў чорную дзірку, антычасціца памяншае яе поўную энергію спакою, а значыць, і масу, у той час як часціца аказваецца здольнай паляцець у бесканечнасць. Для аддаленага назіральніка гэта выглядае як выпраменьванне чорнай дзіркі.

Важным з’яўляецца не толькі факт выпраменьвання, але і тое, што гэтае выпраменьванне мае цеплавы спектр (для безмасавых часціц). Гэта значыць, што выпраменьванню паблізу гарызонту падзей чорнай дзіркі можна супаставіць пэўную тэмпературу

$T_{BH}={\hbar \,c^{3} \over 8\pi k\,GM},$

дзе $\hbar$ — пастаянная Планка, падзеленая на $2\pi$, c — скорасць святла ў вакууме, k — пастаянная Больцмана, G — гравітацыйная пастаянная, і, нарэшце, M — маса чорнай дзіркі. Пры гэтым не толькі спектр выпраменьвання (размеркаванне яго па частотах), але і больш тонкія яго характарыстыкі (напрыклад, усе карэляцыйныя функцыі) дакладна такія ж, як у выпраменьвання чорнага цела. Развіваючы тэорыю, можна пабудаваць і поўную тэрмадынаміку чорных дзірак.

Аднак такі падыход да чорнай дзіркі аказваецца ўнутрана супярэчлівым і прыводзіць да праблемы знікнення інфармацыі ў чорнай дзіры. Прычынай гэтага з’яўляецца адсутнасць паспяховай тэорыі квантавай гравітацыі. Існаванне выпраменьвання Хокінга прадказваецца не ўсімі квантавымі тэорыямі і аспрэчваецца шэрагам даследчыкаў.

Выяўленне

Кропку ў спрэчцы аб існаванні эфекту павінны былі б паставіць назіранні, аднак тэмпературы вядомых астраномам чорных дзірак занадта малыя, каб выпраменьванне ад іх можна было б зафіксаваць — масы дзірак занадта вялікія. Таму да гэтага часу эфект не пацверджаны назіраннямі.

Згодна з АТА, пры утварэнні Сусвету маглі б нараджацца першасныя чорныя дзіркі, некаторыя з якіх (з пачатковай масай 10¹² кг) павінны былі б заканчваць выпарацца ў наш час. Так як інтэнсіўнасць выпарэння расце з памяншэннем памеру чорнай дзіркі, то апошнія стадыі павінны быць па сутнасці выбухам чорнай дзіркі. Пакуль такіх выбухаў зарэгістравана не было.

Цікавыя факты

• Выпраменьванне Хокінга — галоўны аргумент навукоўцаў адносна распаду (выпарэння) невялікіх чорных дзюр, якія тэарэтычна могуць узнікнуць у ходзе эксперыментаў на ВАК.
• На гэтым эфекце заснавана ідэя сінгулярнага рэактара — прылады для атрымання энергіі з чорнай дзіркі за кошт выпраменьвання Хокінга.

Гл. таксама

• Эфект Унру

Літаратура

• Hawking S. W. Black hole explosions? // Nature. — 1974. — Vol. 248. — P. 30—31.
• Hawking S. W. Particle creation by black holes // Communications in Mathematical Physics. — 1975. — Vol. 43. — P. 199—220.
• Brout R., Massar S., Parentani R., Spindel Ph. A primer for black hole quantum physics // Physics Reports. — 1995. — Vol. 260. — P. 329—446.
• Helfer A. D. Do black holes radiate? // Reports on Progress in Physics. — 2003. — Vol. 66. — P. 943—1008.
• Robertson S. J. The theory of Hawking radiation in laboratory analogues // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. — 2012. — Vol. 45. — P. 163001.