Термодинамика черных дыр - Черные дыры во Вселенной

Из многих аспектов термодинамики черной дыры мы обсудим здесь только две проблемы: квантовое излучение черной дыры и тепловую атмосферу черной дыры.

С. Хокинг установил [5], что черная дыра должна испускать тепловое излучение, температура которого равна

Как, пользуясь обычными физическими понятиями, можно объяснить, что черная дыра ведет себя подобно обычному телу с температурой T Н? Ключом к пониманию природы теплового излучения черной дыры стали теоретические открытия, сделанные в середине 1970-х годов (см. [6]). Решающим моментом является существование горизонта событий для некоторых классов наблюдателей.

Например, для равномерно ускоренного наблюдателя в плоском пространстве-времени существует горизонт. Этот наблюдатель не может получить информацию из области за горизонтом. Волны вакуумных флуктуаций виртуальных частиц не ограничиваются исключительно областью над горизонтом; частично каждая волна флуктуации находится за горизонтом, а частично -- в пределах области, которую наблюдатель может видеть. Согласно квантовой механике, это принципиальное отсутствие информации о волнах вакуумных флуктуаций приводит к выводу (для ускоренного наблюдателя), что они являются действительными волнами.

В результате этот наблюдатель погружен в идеальный термостат с тепловым излучением, имеющим температуру, где а -- ускорение наблюдателя. Поскольку статический наблюдатель, находящийся непосредственно над горизонтом Шварцшильда, может рассматриваться как аналог ускоренного наблюдателя в плоском пространстве-времени, ускорение которого равно а = с 2 / z, где z -- расстояние до горизонта, то такой наблюдатель должен ощущать, что он погружен в тепловое излучение с локальной температурой. Это тепловое излучение формирует тепловую атмосферу дыры.

Излучение, преодолевающее воздействие гравитационного поля дыры, будет иметь красное смещение, характеризуемое множителем (1 - 2М /r ) 1/2 и поэтому такое излучение будет выходить с температурой T Н. Большая часть фотонов и других частиц вылетает наружу на небольшое расстояние от черной дыры и затем снова захватывается гигантским гравитационным полем дыры.

И только очень немногим частицам, движущимся почти точно вдоль радиуса, удается избежать гравитационного захвата дырой и они могут испариться в пространство. Такие частицы и формируют излучение Хокинга. Заметим, что свободно падающий наблюдатель не ощущает эту тепловую атмосферу. Он "видит" только "обычные" нулевые флуктуации вакуума.

Процесс хокинговского квантового испарения очень медленный. Полное время жизни пропорционально кубу массы черной дыры. Для черной дыры, масса которой равна 20, это время равно 10 70 лет. В принципе, для некоторых специальных процессов взаимодействие черной дыры с внешней Вселенной может существенно изменить эффективность выделения тепловой энергии из атмосферы черной дыры (см. статью Унру и Волда [7]).

Похожие статьи




Термодинамика черных дыр - Черные дыры во Вселенной

Предыдущая | Следующая