Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Прежде всего надо сказать несколько слов о пустом пространстве и его квантовых свойствах.

Согласно современным представлениям вакуум не является абсолютной пустотой, «совершенным ничем». Это «море» всевозможных так называемых виртуальных частиц и античастиц, которые не проявляются как реальные частицы. Но в нем все время непрерывно происходит рождение на короткое мгновение пар виртуальных частиц и античастиц, которые тут же исчезают. В реальные частицы они превращаться не могут, так как это означало бы появление реальной энергии, которой взяться в пустоте неоткуда. И только на короткий миг соотношение неопределенностей квантовой физики позволяет появиться частицам. Это соотношение утверждает, что произведение времени жизни виртуальной пары частиц t на их энергию Е порядка постоянной Планка h. Реальные частицы всегда можно убрать из какого-то объема пространства. Но виртуальные частицы в принципе неустранимы.

Таковы свойства пустоты. Если на вакуум наложить какое-либо сильное поле, то под его действием некоторые виртуальные частицы могут «набрать» достаточную энергию, чтобы стать реальными, энергию они почерпнут из внешнего поля. Так в сильном поле происходит рождение реальных частиц из вакуума за счет энергии этого поля.

Этот факт давно и хорошо известен; например, в сильном электрическом поле из вакуума рождаются такие заряженные частицы, как электроны и позитроны.

Обратимся теперь к черным дырам. В 1972 году Я. Зельдович и А. Старобинский рассмотрели процессы в вакууме вблизи вращающейся черной дыры. Дело в том, что при образовании черной дыры, когда сжимается вращающаяся масса, вокруг этой дыры, помимо гравитационного поля, тянувшего все тела к центру, возникает еще поле, увлекающее движущиеся тела во вращение вокруг нее — то есть возникает вихревое поле тяготения. Такие черные дыры называются вращающимися.

Я. Зельдович и А. Старобинский показали, что вблизи такой дыры происходит рождение квантов излучения за счет энергии вихревого поля тяготения. В результате вращательная энергия черной дыры постепенно переходит в излучение. Этот процесс очень медлен. Так, для черной дыры с массой в десять масс Солнца и максимально быстром вращении за все время существования Галактики (около 10 миллиардов лет) излучается всего несколько сотых долей эрга — совершенно ничтожная величина.

Осенью 1973 года Я. Зельдович и А. Старобинский рассказали о своих вычислениях С. Хоукингу, приехавшему в Москву. Тот, вернувшись домой, стал проверять выводы московских физиков своим математическим методом. «Когда я проделал вычисления, — вспоминал он, — я обнаружил, к моему удивлению и досаде, что даже невращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы в постоянном темпе. Сначала я подумал, что наличие этого излучения означает, что одно из использованных мной приближений неправильно… Однако, чем дальше я размышлял, тем более очевидным становилось, что использованные приближения справедливы… С тех пор вычисления были повторены многими разными методами другими людьми. Все они подтвердили, что черная дыра испускает частицы и излучение, как если бы она была горячим телом с температурой, которая зависит только от ее массы: чем больше масса, тем меньше температура».

Так было сделано замечательное открытие.

Попытаемся хотя бы приближенно пояснить процесс излучения. Весьма существенно, что он имеет квантовый характер. Виртуальные частицы в вакууме рождаются на некотором расстоянии друг от друга. В случае поля тяготения черной дыры одна частица может родиться вне горизонта, другая под горизонтом. Та, что родилась вне горизонта, может улететь в пространство, другая же будет падать в черную дыру и никогда не попадет к далекому наблюдателю. Вновь слиться и исчезнуть, как это случается с виртуальными частицами в обычном вакууме, они уже не могут. Так в пространстве возникает поток частиц от черной дыры. В этом случае энергия ее расходуется, а сама черная дыра уменьшается в размере. С. Хоукинг показал, что энергию она излучает так, как будто ее поверхность нагрета до определенной температуры.

Следует сразу же подчеркнуть, что температура черных дыр звездной массы совершенно ничтожна. Так, для черной дыры в 10 масс Солнца температура равна всего одной десятимиллионной доле градуса шкалы Кельвина. Чем больше масса, тем меньше температура, поэтому для сверхмассивных черных дыр температура их и вовсе пренебрежимо мала. И наоборот, чем меньше масса черной дыры, тем выше ее температура, тем быстрее идет процесс превращения ее массы в излучение. Как уже было сказано, черные дыры звездной массы излучают ничтожно мало. В естественных условиях они поглощают гораздо больше энергии в виде падающего в них излучения или разреженного вещества. Но достаточно малая черная дыра может излучать энергию в заметном темпе, и к ней как к источнику энергии следует отнестись серьезно. Так, черная дыра с массой миллиард тонн (масса небольшой горы) будет испускать сто миллионов миллиардов эрг в секунду на протяжении десяти миллиардов лет. Температура ее при этом будет равна около ста миллиардов градусов. Заметим, что это в десять тысяч раз больше, чем температура в недрах Солнца. Размеры рассматриваемой черной дыры сверх-микроскопические — они порядка размеров атомного ядра.

Если чрезвычайно медленный процесс потери энергии черной дырой звездной массы на квантовое излучение называют квантовым испарением, то излучение энергии маломассивными черными дырами испарением уже не назовешь, это вполне реальное свечение. В ходе такого свечения масса таких дыр уменьшается во всевозрастающем темпе. Когда она уменьшится до одного миллиона тонн, то температура излучения достигнет ста миллионов миллиардов градусов. Процесс излучения превратится во взрыв. Последние тысячи тонн взрываются за одну десятую долю секунды, превращаясь в энергию, что соответствует взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Таким образом, квантовое выделение энергии маломассивными дырами весьма эффективно. Но могут ли такие черные дыры возникать?

Как мы уже подчеркивали, искусственное их изготовление совершенно нереально, по крайней мере при современном уровне науки. А могут ли они возникнуть в природе?

Мы в дальнейшем увидим, что ответ на этот вопрос положителен. Черные мини-дыры могли возникать в начале расширения Вселенной. Почему же им не образоваться в сегодняшней Вселенной и их очень трудно изготовить даже в принципе в лаборатории?

Дело в том, что для этого необходимо сжать вещество до очень большой плотности. Чтобы превратить Солнце в черную дыру, его вещество необходимо сжать до ядерной плотности; а для превращения Земли в черную дыру потребуется сжать ее вещество до плотности, еще в сто миллиардов раз большей.

Для столь чудовищного сжатия требуются огромные силы. В массивных звездах эти силы обеспечивает их гравитация. В случае же малых масс гравитации явно недостаточно, и требуется большое внешнее давление.

Ни в природе, ни в современных лабораториях таких колоссальных сил нет.

Но если мы обратимся к прошлой истории Вселенной (об этом мы поговорим далее), то легко заметим, что в самом начале ее расширения, около 15 миллиардов лет назад, были условия, благоприятные для возникновения маленьких черных дыр. Действительно, тогда все вещество находилось в состоянии огромной плотности и никакого дополнительного сжатия не требовалось. Правда, это вещество расширялось с громадной скоростью. Поэтому для формирования черной дыры необходимо, чтобы в небольшом объеме либо скорость расширения вещества была меньше, либо вещества было несколько больше, чем в таких же соседних объемах. Тогда силы тяготения смогли бы затормозить расширение в этом объеме и через некоторое время обратить его в сжатие, после чего возникла бы маленькая черная дыра. На такую возможность в 1966 году указали Я. Зельдович и я, а в 1971 году С. Хоукинг.

Итак, во Вселенной на раннем этапе могли возникать маленькие черные дыры, причем их масса могла быть намного меньше масс звезд. Что же с ними стало в дальнейшем?