Стивен Хокинг, астрофизик, который изменил наше представление о черных дырах
80 лет назад, а именно 8 января 1942 года, в Оксфорде родился один из самых известных астрофизиков всех времен: Стивен Хокинг. Ровно через 300 лет после смерти Галилео Галилея, как он всегда любил подчеркивать. С той же решимостью, с которой он бросил вызов форме прогрессирующей мышечной атрофии, диагностированной у него в подростковом возрасте и со временем приведшей его к параличу, Хокинг также бросил вызов физике и космологии своего времени. Благодаря ему, его открытиям и его теориям, фактически, черные дыры перестали быть просто фантазией.
"Мы — всего лишь продвинутая разновидность обезьян на планете размером меньше средней звезды", — сказал Хокинг. "Но мы можем понять Вселенную. Это делает нас чем-то особенным".
Сконструированное на заказ инвалидное кресло и компьютер с синтезатором голоса - вот те средства, которые позволили ему общаться с миром и продолжать заниматься наукой каждый день из 76 лет своей жизни, до 14 марта 2018 года. Он умер ровно через 130 лет после рождения Альберта Эйнштейна и за годы своих научных исследований полностью изменил наше представление о космосе. И в особенности загадочных небесных объектов с сильным гравитационным притяжением, от которого не может убежать даже свет: черных дыр.
Вселенная началась с сингулярности
Одним из первых вкладов Хокинга в наше понимание космоса стала его докторская диссертация в Кембриджском университете. В ней он постулировал рождение Вселенной в бесконечно малом и плотном сгустке материи, свернутом само на себя: сингулярности. Подобно черной дыре, бесконечно плотному гравитационному колодцу, который засасывает все вокруг себя.
На самом деле эта гипотеза долгое время оспаривалась. Главным образом потому, что изначальная материя в происхождении нашей Вселенной не может быть черной дырой, если материя может из нее вырваться! По словам математика Джона Баэза из Калифорнийского университета, это могла быть белая дыра, полная противоположность черной дыре. Но пока нет возможности проверить любую из этих гипотез, включая гипотезу Хокинга.
Излучение Хокинга
Несколько лет спустя Хокинг доказал, что черные дыры — это черные тела, поддающиеся описанию с помощью законов термодинамики. По этой причине, имея определенную температуру и энтропию, определяемую гравитационным полем и поверхностью, они должны излучать субатомные частицы. Это излучение известно как излучение Хокинга с такими характеристиками, которые приводят к постепенному уменьшению массы черной дыры.
Такой чисто квантовый механизм возник бы, когда вблизи горизонта событий пары частиц и античастиц, которые обычно испускаются в вакууме квантовыми флуктуациями, могли бы разделиться. Одна из них упала бы внутрь черной дыры, а другая смогла бы выбраться, вместо того чтобы обе аннигилировать сразу после своего создания. Таким образом, античастица будет поглощена черной дырой, а вылетающая частица будет обнаружена в виде излучения.
Одним из самых интригующих следствий этой теории излучения Хокинга является тот факт, что из-за выброса частиц за пределы черной дыры, масса черной дыры будет уменьшаться, пока она полностью не испарится (примерно через 1066 лет).
Черные дыры не имеют границ
В 2014 году Хокинг поставил под сомнение одну из фундаментальных концепций черных дыр: горизонт событий, за которым ничто не может скрыться. Он предположил, что горизонт событий не является фиксированной границей, а смещается в зависимости от того, что делают субатомные частицы внутри черной дыры.
Понятие "плавающей границы" черной дыры было разработано для решения так называемого парадокса брандмауэра. Этот парадокс гласит, что астронавт, дрейфующий через черную дыру, не заметит ничего необычного, когда пересечет горизонт событий, потому что он будет находиться в свободном падении и не будет испытывать никаких сил. Однако излучение Хокинга предсказывает, что внутри горизонта событий должно существовать "адское кольцо", которое испепелит астронавта до того, как его успеет раздавить черная дыра. Отсутствие фиксированного горизонта событий было попыткой примирить эти две концепции.
У черных дыр есть волосы
Изначально ученые считали, что черные дыры "лысые". Это означает, что на их краях нет никаких сложных или разнообразных деталей: все они идентичны, за исключением массы, углового момента и спина.
Однако совсем недавно, в 2016 году, Хокинг и физик Эндрю Строминджер из Гарвардского университета предположили, что у черных дыр есть "волосы" в виде длинных прядей частиц с нулевой энергией, исходящих из их горизонта событий. Идея заключается в том, что часть информации, поглощаемой черной дырой, может храниться в этих длинных "волосках".
Мини-черные дыры как источники энергии
Самыми большими черными дырами во Вселенной считаются сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центре галактик и в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. В то время как самые маленькие черные дыры будут примерно в 10 раз больше массы Солнца. Однако ученые также предложили несколько еще более мелких черных дыр, которые были бы размером с гору на Земле. Поскольку они настолько малы, а излучение Хокинга позволяет частицам выходить только тогда, когда они имеют длину волны, равную размеру черной дыры, Хокинг предположил, что эти мини-черные дыры могут испускать частицы более высокой энергии, которые затем можно использовать в качестве источника энергии.
В своей лекции, прочитанной в феврале 2016 года, астрофизик заявил:
Черная дыра размером с гору испускала бы рентгеновское и гамма-излучение мощностью около 10 миллионов мегаватт, что достаточно для электроснабжения всего мира. Однако использовать мини-черную дыру будет нелегко. Вы не можете хранить ее на электростанции, потому что она провалится сквозь пол и попадет в центр Земли.
Эти и многие другие негласные вклады Стивена Хокинга в физику и космологию останутся в истории человечества, передаваясь из поколения в поколение. Человечество, как считал Хокинг, могло выжить только благодаря колонизации космоса, который поэтому нужно было наблюдать, изучать, узнавать, прежде чем его "трогать". И поэтому в концепции Вселенной и ее игр тьмы, материи и энергии Хокинг сделал часть истории.