Чорні діри: як Стівен Гокінг двома сторінками перевернув розуміння чорних дір із ніг на голову

1 березня 1974 року 32-річний фізик Стівен Гокінг опублікував у журналі Nature статтю обсягом трохи менше ніж дві сторінки і спростував одне з наших фундаментальних припущень про чорні діри, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Згідно з теорією відносності Ейнштейна, чорні діри настільки масивні, а значить мають настільки велику гравітацію, що ніщо, навіть світло, не може вирватися назад, подолавши горизонт подій чорної діри. За цією логікою, чорні діри повинні рости тільки в міру старіння Всесвіту, поглинаючи прилеглу матерію або зливаючись з іншими чорними дірами, щоб зрештою стати надмасивними.

Гокінг досліджував, як квантова механіка вплине на зростання та еволюцію чорних дір. Він об'єднав загальну теорію відносності, закони термодинаміки і відносно просту квантову фізику, щоб зробити висновок, що чорні діри випромінюють мізерно малу кількість тепла.

Гокінг стверджував, що це відбувається тому, що пари "віртуальних" частинок і античастинок з'являються, а потім зникають у Всесвіті після зустрічі. Іноді, однак, один із членів пари з'являється за межами горизонту подій чорної діри, а інший — усередині цієї невидимої межі. Одна частинка падає всередину чорної діри, а інша виривається і забирає з собою невелику кількість тепла. З часом ця втрата тепла, або випромінювання, зменшує чорну діру, що призводить до збільшення її поверхневої гравітації. Це, своєю чергою, призводить до прискорення випромінювання, що зрештою спричиняє випаровування чорної діри, можливо, за допомогою вибуху. Згодом втрату маси чорною дірою стали пов'язувати саме з випромінюванням Гокінга.

У своїй статті фізик зробив висновок, що для чорних дір із масою, як у Сонця або більше, випаровування, викликане випромінюванням Гокінга, зайняло б більше часу, ніж вік Всесвіту.

Але Гокінг також задавався питанням, чи не утворилися крихітні первинні чорні діри з квантових коливань на початку історії Всесвіту. Ці крихітні чорні діри, масою менше 1 трильйона кілограмів, давно б вибухнули, припустив фізик.

"Це досить невеликий вибух за астрономічними мірками, але він еквівалентний приблизно 1 мільйону водневих бомб із потужністю вибуху в 1 мегатонну", — написав Гокінг у своїй статті.

Випромінювання Гокінга незабаром міцно закріпилося в теорії фізики. Але також було виявлено величезний парадокс у фізиці чорних дір. Випаровування чорної діри означає, що інформація, яка потрапила в чорну діру, втрачається назавжди. Це суперечить центральному принципу квантової механіки: інформація не може бути створена або знищена. Протягом наступних 40 років до своєї смерті у 2018 році, Гокінг поступово розбирався з інформаційним парадоксом чорної діри.

У 2015 році Гокінг припустив, що інформація може покинути чорну діру, можливо, через червоточину і вийти до іншого Всесвіту. Після смерті фізика деякі вчені припустили, що інформація не втрачається, потрапивши в чорну діру, а, навпаки, вивергається з неї.

У 2024 році фізики запропонували спосіб її виявлення: інформація, поглинена чорною дірою, залишить сліди у вигляді ледь помітних коливань у просторі-часі — гравітаційних хвиль.

Вченим поки що не вдалося знайти прямі докази вибухів чорних дір або існування первинних чорних дір.

Фокус уже писав про те, як теорії Стівена Гокінга змінили уявлення про Всесвіт.

Також Фокус писав про те, що вчені створили модель Землі без будь-якого життя на ній, і те, що вони виявили, може змінити підходи до пошуку інопланетян.