Коллайдер

У решения Шварцшильда есть одна любопытная черта, которая сначала считалась математическим казусом, но потом привлекла к себе внимание астрономического сообщества. Дело в том, что у достаточно плотных тел появляется воображаемая сферическая граница - горизонт событий - с удивительным свойством: если нечто под нее попало, оно уже не сможет выйти обратно, даже свет. Оказывается, на горизонте событий вторая космическая скорость сравнивается со скоростью света. Поэтому никакое тело не может ее достигнуть и улететь. Такие неизменно темные сверх-компактные объекты Джон Уилер в 60-х гг. окрестил черными дырами. Они представляют собой проколы в ткани пространства-времени, являя собой астрономические «преисподние».

Наличие недоступных областей пространства заставляет задуматься о том, каковы законы физики в этих укрытиях. Соблюдаются ли под горизонтом событий те же физические принципы, что и снаружи? Как об этом узнать, если никому не дано заглянуть внутрь, а потом, вернувшись, рассказать об увиденном? Уилера особенно волновало, что происходит с неупорядоченной материей, когда она достигает той точки, откуда нет пути назад? Согласно давно известному второму закону термодинамики энтропия замкнутой системы в естественных условиях либо сохраняется, либо возрастает. Энтропия - это мера беспорядка или количества отработанного материала в системе. Таким образом, в естественных условиях упорядоченная энергия неизменно превращается в отработанный материал (например, пожар делает из аккуратных насаждений груду пепла), но нет способа полностью превратить все отходы снова в топливо. Никто, правда, не сказал, что второй закон термодинамики можно применять к Вселенной в целом. Тем не менее Уилер не находил себе места: как это так, мы выкидываем мусор в черную дыру, он там бесследно исчезает, а доля упорядоченной энергии во Вселенной при этом возрастает! Может быть, черные дыры - это пластические хирурги космологии, умеющие искусно скрыть возрастные изменения и провести Вселенной омоложение?

В 1972 г. ученик Уилера Якоб Бекеннггейн предложил элегантное решение проблемы энтропии черной дыры. По представлениям Бекенштейна, развитым впоследствии Стивеном Хокингом, любая энтропия, привнесенная упавшим в черную дыру веществом, отзывается увеличением площади горизонта. То есть когда энтропия немного возрастает, горизонт событий черной дыры становится чуть-чуть шире. Набухание черных дыр, следовательно, относится к тем самым возрастным изменениям.

Как продемонстрировал Хокинг, из теории Бекенштейна следует потрясающий вывод о конечной судьбе черных дыр. Хотя из-под горизонта ничто не может выйти не будучи разрушенным,

Хокинг высказал гипотезу, что черные дыры теряют свою массу за счет излучения. Удивлению астрофизиков не было предела. Но так называемое хокинговское излучение является следствием одного из умозаключений Бекенштейна. Он не только определил, что такое энтропия черных дыр, но и показал, что у них есть температура. А поскольку все в природе, нагретое до некоторой температуры, - от лавы до звезд, светится (в видимых или невидимых лучах), Хокинг отсюда заключил, что и черные дыры должны излучать. Чтобы частицы могли обойти препятствие, которое представляет собой горизонт событий, приходится предположить, что они совершают квантовое туннелирование. Примерно так же, как альфа-частицы сбегают из ядра в обход ядерных сил. Частицы будут целую вечность вытекать едва сочащимися струйками, слишком слабыми, чтоб нам их наблюдать. Чем тяжелее черная дыра, тем ниже ее температура и тем дольше она испаряется. Скажем, прежде чем полностью «выкипит» черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса звезды с массой в десять раз больше, чем у Солнца, пройдет 10⁷⁰ (единица с семьюдесятью нулями) лет. Здесь даже сравнивать с возрастом Вселенной бесполезно. Столь большое время жизни пока не позволяет зарегистрировать хокинговское излучение в прямых наблюдениях.

Черные дыры полегче испарятся быстрее. Но возникает задача, как их получить, потому что механизм звездного коллапса здесь уже не работает. Звезды солнечной массы, например, оканчивают свою жизнь не в виде черных дыр, а в виде тусклых белых карликов. Давление внутри них предотвращает дальнейшее сжатие, и такие звезды, застряв на полпути к черной дыре, просто-напросто постепенно остывают.

Как бы то ни было, в решении Шварцшильда о минимальной массе черной дыры ничего не говорится. Однако есть выражение для радиуса Шварцшильда (расстояния от центра до горизонта событий), включающее в себя массу материи, неважно, сколько ее. Чем легче тело, тем меньше у него радиус Шварцшильда.