Журнал «Если», 1999 № 01-02 - Страница 43

Если вблизи черной дыры находится какое-то другое небесное тело или просто сильно разреженный межзвездный газ, то они будут притягиваться ею и падать, словно в бездонную пропасть. Масса черной дыры будет при этом возрастать, возрастет и площадь горизонта событий. То же самое произойдет, если сольются две черные дыры.

А вот уменьшиться площадь горизонта событий не может ни при каких обстоятельствах. В этом отношении ее поведение напоминает фундаментальное свойство совершенно другой физической характеристики — энтропии. Второе начало термодинамики гласит: в любом физическом процессе энтропия только увеличивается либо остается постоянной. Но точно так же ведет себя и горизонт событий черной дыры.

Теоретики воспользовались этой аналогией, чтобы лучше разобраться в свойствах черных дыр. Проводя эту параллель и приписывая черной дыре конечное значение энтропии, приходится признать, что в этом случае черная дыра должна также иметь и конечную температуру. Но если у черной дыры есть температура, то она должна излучать тепловую энергию, т. е. делать то, на что она не способна в принципе. Возник, казалось бы, почти неразрешимый парадокс!

Снять этот парадокс сумел английский физик-теоретик Стивен Хокинг, рассмотревший квантовые свойства черных дыр. Один из основных постулатов квантовой механики — соотношения неопределенности Гейзенберга — гласит: нельзя одновременно с высокой точностью определить координаты и скорость частицы. Чем точнее мы определяем координаты, тем более неопределенным оказывается значение скорости. И наоборот: попытка поточнее измерить скорость неизбежно ведет к тому, что значения координат все более и более размываются в пространстве. То же самое происходит с измерением энергии частицы в некоторый момент времени.

Развивая этот подход, Хокинг показал, что вблизи горизонта событий должны испускаться частицы — фотоны, электроны и нейтрино, причем распределение их энергии по спектру должно соответствовать излучению абсолютного черного тела. Это «черное тело» не следует путать с самой черной дырой — близким к «черному» спектром излучения обладает, например, наше Солнце.

Каков же механизм того, что черная дыра, которая никак не может испускать никаких частиц, все-таки делает это? Здесь вступает в игру еще один физический объект, которого мы пока не упоминали, — квантовый вакуум. Космическое пространство снаружи горизонта событий нельзя считать абсолютной пустотой: из соотношений Гейзенберга следует, что он буквально «кипит» частицами, которые на ничтожно малое время возникают, чтобы тут же исчезнуть, аннигилировать.

Рассмотрим пары частиц и античастиц — из-за краткого времени жизни их называют виртуальными, — которые возникают в квантовом вакууме на горизонте событий. Приливные силы в этой области настолько велики, что могут инициировать еще более быстрый процесс — разбегание пары частица-античастица. При этом один из партнеров вследствие разбегания может оказаться за горизонтом событий и тогда аннигиляция пары, нормальная в обычных условиях, оказывается невозможной. В результате некоторое количество оставшихся «одинокими», а потому переставших быть виртуальными частиц может вылететь из окрестности черной дыры и быть зарегистрированным внешним наблюдателем. В результате черная дыра, с его точки зрения, перестает быть по-настоящему черной, т. е. невидимой.

«Классическая» черная дыра, полностью изолированная от остальной части Вселенной, должна существовать вечно. Иное дело «светящаяся» черная дыра — теряя энергию в соответствии с механизмом, указанным Хокингом, она в конце концов должна будет полностью испариться.

Правда, время жизни такой черной дыры сильно зависит от ее массы. Например, черная дыра с массой, равной солнечной, просуществует 10⁶⁶ лет, т. е. практически вечно. Другой будет судьба черных дыр с малой массой. По расчетам Хокинга, гигантские флуктуации плотности в первые моменты после Большого Взрыва могли привести к возникновению черных мини-дыр микроскопических размеров, например, с радиусом порядка 10^-13 см и массой 10¹² кг. Температура такой первичной черной дыры составляла бы 10¹¹ градусов, а мощность испускаемых ею электронов, фотонов и других частиц — примерно 6 миллионов кВт, как у самых крупных современных гидроэлектростанций.

Время жизни микроскопической черной дыры будет небольшим, и ее существование завершится взрывным выбросом остатков ее массы и энергии. По некоторым оценкам, энергия, которая должна выделиться при таком взрыве, эквивалентна взрыву 10 миллионов водородных бомб мощностью в одну мегатонну тротилового эквивалента каждая. По другим оценкам, эта энергия должна быть намного больше.

Астрофизикам очень хочется наблюдать процесс такого взрыва. Наблюдение за этим гипотетическим процессом несомненно обогатило бы физику новыми, совершенно нетривиальными знаниями. Единственное условие, взрыв должен произойти подальше от Земли. Близкий взрыв был бы смертельно опасен для всего живого — мощность возникающего при этом жесткого гамма-излучения достигает многих тысяч мегаватт.

Уравнения общей теории относительности, из которых следует возможность существования черных дыр, симметричны по отношению к направлению хода времени. Эти уравнения можно использовать для расчета процессов, направленных в будущее, но точно так же и для процессов, направленных в противоположную сторону, т. е. в прошлое.

Черные дыры образуются в результате коллапса — гравитационного схлопывания вещества, которое затем оказывается скрытым за горизонтом событий. Нельзя ли предположить, что при обратном ходе времени процесс коллапса пойдет в противоположном направлении, т. е. возникнет объект, не поглощающий, а выбрасывающий вещество? Такой объект логично назвать белой дырой.

По мнению теоретиков, существование белых дыр могло бы объяснить некоторые космические явления, сопровождающиеся большим выделением энергии: квазары, феномен «взрывающихся галактик» и другие. Эти проблемы исследовал отечественный астрофизик И. Д. Новиков, который предположил, что белые дыры могли бы возникнуть в первые минуты существования нашей Вселенной после Большого Взрыва, когда плотность вещества была экстремально высока.

Но есть и другие процессы, которые могут приводить к возникновению белых дыр. Если в какой-либо другой Вселенной происходит схлопывание, коллапс вещества в черную дыру, то в нашей Вселенной это может привести к возникновению белой дыры. Этот гипотетический эффект — следствие симметрии уравнений теории Эйнштейна относительно времени. Если такой эффект соответствует реальности, то он хорошо укладывается в концепцию множественности миров, которые существуют полностью изолированно друг от друга, а единственный способ контакта между ними состоит в использовании этого весьма экзотического канала, образованного парой черной и белой дыр.

Однако последующие более обстоятельные исследования этой проблемы привели теоретиков к выводу, что белых дыр в нашей Вселенной, скорее всего, нет.

У теоретиков этот вопрос сомнений не вызывает: черные дыры обязательно должны существовать. Но решающее слово принадлежит наблюдателям. А у них уверенности значительно меньше: обнаружение черных дыр — задача не из простых.

Один из способов решения этой задачи — использование эффекта гравитационной линзы. Из теории относительности следует, что луч света, проходя вблизи массивного тела, будет испытывать отклонение. Черная дыра, размеры которой относительно невелики, а масса, напротив, весьма значительна, в состоянии сфокусировать лучи света, идущие от расположенного за нею источника. В зависимости от того, как расположены относительно друг друга этот источник, черная дыра и наблюдатель, регистрируемое изображение источника будет иметь разную форму — кольца, двух полумесяцев, сдвоенное изображение и т. п.