# Свет из бездны: Стивен Хокинг и загадка испарения черных дыр

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=qPKj0YnKANw
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 15.03.2018

---

Стивен Хокинг вошел в историю как один из величайших гениев современности, сумевший заглянуть за «завесу реальности» и изменить представления человечества об устройстве Вселенной. Самым знаменитым его открытием стало теоретическое обоснование того, что черные дыры не являются абсолютно поглощающими объектами, а способны медленно «испаряться», излучая элементарные частицы.

## 🕳️ Эволюция представлений о черных дырах
[[JUMP:00:29]]

Вскоре после того, как Альберт Эйнштейн представил общую теорию относительности в 1915 году, физики осознали возможность катастрофического гравитационного коллапса [00:42]. В местах экстремальной плотности, таких как ядра массивных мертвых звезд, пространство и время могут настолько сильно деформироваться, что создают «дыру» во Вселенной — границу, называемую горизонтом событий.

Долгое время считалось, что:

*   Объекты, пересекшие горизонт событий, никогда не смогут вернуться обратно [00:56].
*   Черные дыры должны существовать вечно, только увеличиваясь в размерах.
*   Ничто в теории или воображении ученых того времени не позволяло материи покинуть пределы черной дыры [01:10].

Ситуация изменилась в 1974 году, когда Стивен Хокинг опубликовал в журнале Nature статью «Взрывы черных дыр?» (Black Hole Explosions?), за которой последовала работа 1975 года [01:24]. В них ученый предпринял попытку объединить квантовую механику и общую теорию относительности, доказав, что черные дыры должны «протекать», испуская излучение, которое теперь носит его имя.

## 🧪 Популярная трактовка против реальности
[[JUMP:01:48]]

Существует широко известное, но упрощенное описание механизма излучения Хокинга [01:48]. Согласно этой версии, вакуум постоянно порождает пары виртуальных частиц — материи и антиматерии, которые почти мгновенно аннигилируют, «одалживая» энергию у самого пространства. Однако возле черной дыры одна частица из пары может упасть за горизонт событий, а вторая — улететь прочь, унося с собой энергию. Чтобы восполнить этот «энергетический долг», черная дыра вынуждена отдавать часть своей массы [02:03].

Мэтт О'Дауд отмечает, что хотя эта картина наглядна, реальные вычисления Хокинга описывают процесс иначе [02:15]. Для понимания сути необходимо обратиться к квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени.

Ключевые аспекты квантового поля:

*   Пространство заполнено квантовыми полями, которые колеблются на разных частотах [02:41].
*   Частица — это, по сути, «заметка» или возбуждение на этих колебательных модах [03:07].
*   Поля имеют как положительные частоты (материя), так и отрицательные (антиматерия, движущаяся назад во времени) [03:33].
*   В пустом плоском пространстве моды сбалансированы, и реальных частиц нет — это состояние вакуума [03:48].

## 🛠️ «Математический хак» Хокинга
[[JUMP:04:15]]

Искривление пространства-времени нарушает баланс квантовых полей. Чтобы описать этот процесс, Хокингу требовалась теория квантовой гравитации, которой не существовало тогда и нет до сих пор [04:39]. Ученому пришлось придумать гениальный обходной путь.

Хокинг представил траекторию светового луча (нулевую геодезическую), которая проходит через область формирования черной дыры в самый последний момент перед возникновением горизонта событий [05:05]. Траектория проходит в опасной близости от коллапсирующей звезды и выходит наружу.

Хокинг обнаружил следующее:

1.  Квантовое поле, изначально находившееся в состоянии чистого вакуума в далеком прошлом, искажается из-за экстремальной кривизны [05:19].
2.  При выходе в плоское пространство («далекое будущее») эти искаженные колебания начинают выглядеть для удаленного наблюдателя как реальные частицы [05:33].
3.  Для расчетов использовались так называемые преобразования Боголюбова — математический инструмент, связывающий регионы плоского пространства через искривленную область [06:14].

## 🌡️ Температура и масса черных дыр
[[JUMP:07:33]]

Расчеты показали, что распределение частот этого излучения идентично тепловому (чернотельному) [07:46]. Это означает, что черные дыры обладают температурой, которая зависит от их массы и площади поверхности горизонта событий:

*   **Массивные черные дыры** излучают очень слабо и кажутся чрезвычайно холодными [07:59].
*   **Маленькие черные дыры** должны быть горячими.
*   **Микроскопические черные дыры** должны излучать энергию взрывообразно [07:59].

Важной особенностью излучения Хокинга является его нелокальность. Длина волны создаваемых частиц сопоставима с размером самой черной дыры [08:53]. Из-за квантовой неопределенности невозможно сказать, что частица вылетела из конкретной точки на горизонте событий — кажется, что излучает вся черная дыра целиком [09:06].

## 🌌 Альтернативные теории и загадки
[[JUMP:09:45]]

Хотя Хокинг сам пытался найти ошибки в своих расчетах, излучение «отказывалось исчезать» из математических моделей [11:04]. Позже другие ученые подтвердили те же результаты, используя принципиально иные подходы.

В 2001 году Малик Парикх и Фрэнк Вильчек получили тот же тепловой спектр, рассматривая процесс как квантовое туннелирование частиц из-за горизонта событий [10:25]. Общим знаменателем всех теорий остается квантовая неопределенность — либо в положении/импульсе частиц, либо в их энергии [10:39].

Тем не менее, излучение Хокинга порождает новые вопросы, которые ведущий Мэтт О'Дауд планирует разобрать в будущем:

*   Как именно поглощенные частицы уменьшают массу черной дыры? [11:18]
*   Информационный парадокс: почему излучение Хокинга, будучи тепловым и хаотичным, кажется уничтожающим квантовую информацию, которая по законам физики должна сохраняться? [11:32]

На текущий момент наука признает: черные дыры не вечны. Благодаря открытию Стивена Хокинга мы знаем, что самые пугающие объекты Вселенной медленно испаряются, становясь жертвой квантовых свойств самого пространства-времени [11:46].