Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.
7. Эволюция вещества черных дыр
Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.
Согласно представлениям квантовой механики, вакуум – не пустота, а некая «пена пространства-времени», мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны «выбросить» из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух‑трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.
Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и ‑E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией ‑E, уменьшит свою энергию, а с энергией E – увеличит.
Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пришел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу – испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6·10‑8Mс/M кельвинов, где Mс – масса Солнца (2·1033 г), M – масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело – мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 1014-1030 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.
Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она «худеет», темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 1014 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии – еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.
Изложенная в работе информация позволяет прийти к заключению о том, что экстремальные состояния вещества, главным образом вследствие сложности и подчас недоступности требующихся для проведения исследований технических средств, являются одной из наименее разработанных областей естествознания. Тем не менее, те сведения об экстремальных состояниях, которые уже получены исследователями, указывают на огромный прикладной и теоретический потенциал данного научного направления. Наиболее перспективной и интересной с практической точки зрения в последние десятилетия задачей считается холодный термоядерный синтез, достижение которого вполне способно решить энергетические проблемы человечества. Изучение экстремальных состояний вещества в телах звезд и планет дает возможность углубить фундаментальные познания о строении вещества в целом.
В этом обзоре нам пришлось рассмотреть широкую область экстремальных условий вплоть до давлений, на 30 порядков больше атмосферного, и температур, на 10 порядков больших температуры человеческого тела. Такое различие в масштабах, конечно, поражает воображение. Нужно, однако, помнить, что, как сказал Вольтер, "... в природе это явление совершенно естественное и заурядное. Владения некоторых государей Германии и Италии, которые можно объехать в какие-нибудь полчаса, при сравнении их с империями Турции, Московии или Китая дают лишь слабое представление о тех удивительных контрастах, которые заложены во все сущее".
Список литературы
1. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. Статьи и выступления. М.: Наука, 1992.
2. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1982.
3. Киппенхан Р. 100 миллиардов солнц. Рождение, жизнь и смерть звезд. М.: Мир, 1990.
4. Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М., 1975.
5. Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1988-1998.
6. Чен Ф. Введение в физику плазмы. М., 1987.
7. Бугаенко Л.Т., Кульмин М.Г., Полак Л.С. Химия высоких энергий. М., 1988.
8. Ефремов Ю.Н. В глубины Вселенной. М.: Наука, 1984.
9. Наука и жизнь. №3,5; 2002.