Пустота
Пустота Темные ДЫРЫ И КВАНТЫ
ПУСТАЯ ЛИ ПУСТОТА?
Бум, связанный с темными дырами, начался в астрономии в конце 50-х — начале 60-х годов. Проходили годы, почти все прояснялось в этой загадке. Стала ясна неизбежность рождения темных дыр после погибели мощных звезд; открыли квазары, в центре которых, возможно, находятся сверхмассивные темные дыры. В конце концов, в рентгеновском источнике в созвездии Лебедя нашли первую черную дыру звездного происхождения. Физики-теоретики разобрались с диковинными качествами самих темных дыр, равномерно привыкли к этим гравитационным пропастям, способным только заглатывать вещество, увеличиваясь в размере, и, казалось бы, безнадежным на вечное существование.
Ничто не сулило нового потрясающего открытия. Но такое открытие, изумившее видавших виды знатоков, грянуло как гром посреди ясного неба.
Оказалось, что темные дыры совсем не вечны! Они могут пропасть в итоге квантовых процессов, идущих в сильных гравитационных полях. Нам придется начать рассказ несколько издалека, чтоб сделать более понятным сущность этого открытия.
Начнем с пустоты. Для физика пустота совсем не является пустой. Это не каламбур. Уже издавна установлено, что “абсолютной” пустоты, другими словами “ничего, ничего”, в принципе быть не может. Что все-таки физики именуют пу стотой? Пустотой именуют то, что остается, когда убирают все частички, все кванты всех физических полей. Но тогда ничего не остается, произнесет читатель (если он издавна не интересовался физикой). Нет, оказывается, остается! Остается, как молвят физики, море нерожденных, так именуемых виртуальных, частиц и античастиц. “Убрать” виртуальные частички уже никак нельзя. В отсутствии наружных полей, другими словами без сообщения энергии, они не могут перевоплотиться в реальные частички.
Только на маленький миг в каждой точке пустого места возникает пара — частичка и античастица и здесь же опять соединяются, исчезают, ворачиваясь в свое “эмбриональное” состояние. Очевидно, наш облегченный язык дает только некие образ тех квантовых процессов, которые происходят. Наличие моря виртуальных частиц-античастиц издавна установлено прямыми физическими тестами. Не будем гласить тут об этом, по другому мы бы безизбежно очень отклонились от основной полосы рассказа.
Чтоб избежать невольных каламбуров, физики именуют пустоту вакуумом. Будем так делать и мы.
Довольно сильное либо переменное поле (к примеру, электрическое) может вызвать перевоплощение виртуальных частиц вакуума в реальные частички и античастицы.
Энтузиазм к схожим процессам теоретики и экспериментаторы проявляли издавна. Разглядим процесс рождения реальных частиц переменным полем. Конкретно таковой процесс важен в случае гравитационного поля. Понятно, что квантовые процессы необыкновенны, нередко непривычны для рассуждений исходя из убеждений “здравого смысла”. Потому, до того как гласить о рождении частиц переменным гравитационным полем, приведем обычный пример из механики. Он сделает понятнее предстоящее.
Представьте для себя маятник. Его подвес перекинут через блок, подтягивая веревку либо опуская ее, можно поменять длину подвеса. Толкнем маятник. Он начнет колебаться. Период колебаний зависит только от длины подвеса: чем длиннее подвес, тем больше период колебаний. Сейчас будем очень медлительно подтягивать веревку. Длина маятника уменьшится, уменьшится и период, но возрастет размах (амплитуда) колебаний. Медлительно вернем веревку в прежнее положение. Период возвратится к прежнему значению, прежней станет и амплитуда колебаний. Если пренебречь затуханием колебаний вследствие трения, то энергия, заключенная в колебаниях, в конечном состоянии остается прежней — таковой, как была до всего цикла конфигурации длины маятника. Но можно так изменять длину маятника, что после возвращения к начальной длине амплитуда его колебаний будет изменяться. Для этого нужно подергивать веревку с частотой в два раза больше частоты маятника. Так мы поступаем, раскачиваясь на качелях. Мы опускаем и поджимаем ноги в такт нашим качаниям, и размах качелей все возрастает. Естественно, можно и приостановить качели, если подгибать ноги не в такт колебаниям, а в “противотакт”.
Схожим же образом можно “раскачивать” электрические волны в резонаторе. Так именуется полость с зеркальными стенами, отражающими электрические волны. Если в таковой полости с зеркальными стенами и с зеркальным поршнем имеется электрическая волна, то, двигая поршень вперед и вспять с частотой, в два раза больше частоты электрической волны, мы будем поменять амплитуду волны. Двигая поршень в “такт” колебаниям волны, можно прирастить амплитуду, а означает, и интенсивность электрической волны, а двигая поршень в “противотакт”, можно гасить волну. Но если двигать поршень хаотически — ив такт и в “противотакт”, — то в среднем всегда получится усиление волны, другими словами в электрические колебания энергия “накачивается”.
Пусть сейчас в нашей полости — резонаторе имеются волны различных частот. Вроде бы мы ни двигали поршень, всегда найдется волна, для которой движение поршня происходит в такт. Амплитуда и интенсивность этой волны вырастут. Но чем больше интенсивность волны, тем больше она содержит фотонов-квантов электрического поля. Итак, движение поршня, изменяя размер резонатора, ведет к рождению новых фотонов.
После знакомства с этими ординарными примерами вернемся к вакууму, к этому морю различных виртуальных частиц. Для простоты мы будем гласить пока только об одном сорте частиц — о виртуальных фотонах — частичках электрического поля. Оказывается, процесс, схожий рассмотренному нами изменению размеров резонатора, который в традиционной физике ведет к усилению уже имеющихся колебаний (волн), в квантовой физике может приводить к “усилению” виртуальных колебаний, другими словами к превращению виртуальных частиц в реальные. Так, изменение гравитационного поля с течением времени должно вызывать рождение фотонов с частотой, соответственной времени конфигурации поля. Обычно эти эффекты ничтожны, потому что слабы гравитационные поля. Но в сильных полях ситуация изменяется.
Очередной пример: очень сильное электронное поле вызывает рождение из вакуума пар заряженных частиц — электронов и позитронов.
Вернемся из нашего лаконичного экскурса в физику пустоты к черным дырам. Могут ли рождаться частички из вакуума в округах темных дыр?
Да, могут. Это было понятно издавна, и в этом не было ничего сенсационного. Так, при сжатии электрически заряженного тела и превращении его в заряженную черную дыру электронное поле растет так, что рождает электроны и позитроны. Подобные процессы изучали академик М. Марков и его ученики. Но такое рождение частиц может быть и без темной дыры, нужно только хоть каким методом прирастить электронное поле до достаточной величины. Ничего специфичного для темной дыры тут нет.
Академик Я. Зельдович показал, что появляются частички и в эргосфере вращающейся темной дыры, отнимая от нее энергию вращения. Такое явление подобно процессу, открытому Р. Пенроузом.
Все эти процессы вызываются полями вокруг темной дыры и приводят к изменению этих полей, но они не уменьшают саму черную дыру, не уменьшают размеры области, откуда не выходит свет и хоть какое другое излучение и частички.
Новиков И.Д.