Почему легендарное излучение Хокинга работает не совсем так, как вы думаете?

Излучение Хокинга: почему чёрные дыры не вечны (и при чём тут ваш банковский счёт)

Чёрные дыры долго считались абсолютными пожирателями. Всё, что попадает за горизонт событий, исчезает навсегда. Это ломало закон сохранения энергии. В 1974 году Стивен Хокинг предложил механизм, который всё меняет. Оказалось, чёрные дыры медленно испаряются. Но как именно? Спойлер: не так, как вы думаете.

Квантовый вакуум – не пустота

Вакуум в космосе кипит. Там постоянно рождаются и исчезают пары частиц и античастиц. Обычно они аннигилируют мгновенно. Но рядом с горизонтом событий гравитация чёрной дыры разрывает пару. Одна частица падает внутрь, другая улетает в космос. Это и есть излучение Хокинга.

Важный нюанс: улетевшая частица никогда не была внутри чёрной дыры. Она родилась снаружи, у самого края. Так что образ «чёрная дыра выплевывает обратно то, что проглотила» – миф.

«Излучение Хокинга — это не механическая переработка материи. Это квантовое «кредитование» у вакуума: чёрная дыра занимает энергию, а потом расплачивается своей массой».

Как это сохраняет закон энергии?

Здесь и начинается контринтуитивная механика. Частица, упавшая внутрь, обладает отрицательной энергией (относительно внешнего наблюдателя). Она связана со своей парой квантовой запутанностью. Когда чёрная дыра поглощает отрицательную энергию, её масса уменьшается. А улетевшая частица уносит положительную энергию. Баланс сходится.

Метафора: представьте, что кто-то берёт у вас в долг 100 рублей, а возвращает их же, но в другой валюте. На вашем счету баланс уменьшился, хотя деньги физически не пропадали. Чёрная дыра теряет массу, хотя излучаемая частица никогда не была внутри.

Почему маленькие дыры испаряются быстрее?

Чем меньше масса, тем сильнее градиент гравитации у горизонта событий. Квантовые флуктуации становятся интенсивнее. Маленькая чёрная дыра (например, массой с гору) испарится за доли секунды. А сверхмассивные (в центрах галактик) будут жить ещё миллиарды лет. В теории даже они когда-нибудь исчезнут.

Личное наблюдение автора: Недавно я объяснял это другу, и он спросил: «А если чёрная дыра испарится, куда денется информация о том, что в неё упало?» Отличный вопрос. Тут начинается самое интересное.

Парадокс информации: главная головная боль физиков

Если чёрная дыра испаряется полностью, то вся информация о попавшей внутрь материи (например, о космонавте) должна быть потеряна. Это противоречит квантовой механике. Хокинг сам признал, что ошибался. Сейчас считается, что информация сохраняется в тонкой структуре излучения — так называемый голографический принцип. Но полного решения пока нет.

Сравнение: мифы и реальность

Итог от автора

Излучение Хокинга — одно из самых элегантных (и странных) предсказаний физики. Оно объединяет гравитацию и квантовую механику, хотя экспериментально его пока никто не видел. Но косвенные наблюдения (например, рентгеновские вспышки от испаряющихся мини-дыр) всёляют надежду. Если теория верна, то даже самые «вечные» объекты во Вселенной — всего лишь долгая вспышка.