Почему легендарное излучение Хокинга работает не совсем так, как вы думаете?

Долгое время чёрные дыры воспринимались учёными и любителями популярной науки, как этакий абсолютный парадокс. Вся материя, попавшая в эту странную область пространства, по стандартным представлениям пропадала бесследно, а потому сама идея нарушала базовый для Вселенной закон сохранения.

Логика строилась просто — если чёрная дыра что-то да поглотила, то она должна отдать какой-то вариант материи или энергии, а тут даже информация пропадала бесследно. Вероятно, можно было бы исходить из какой-то странной «двери» в другие Вселенные или из логики кротовой норы, но всё это было не более, чем гипотезами.

Но в 1974 Стивен Хокинг предложил идею, что чёрные дыры излучают частицы и это потрясло весь научный мир. Так появилось легендарное излучение Хокинга. Казалось бы, что парадокс был решён, но при детальном изучении выяснялись интересные подробности. Система работала не совсем так, что частица почему-то вдруг вылетела из недр чёрной дыры. Всё было куда интереснее.

Те частицы, которые испускала чёрная дыра, никогда и не были внутри самой дыры. Физически процесс работает не так, что мясорубка (чёрная дыра) готовит фарш, а потом этот фарш (материя, попавшая в чёрную дыру) вылетает обратно. Это другой фарш. Однако, представлять процесс удобно именно так и это не очень корректно.

Чтобы разобраться, начнём с самой природы излучения Хокинга. В квантовой механике вакуум космоса — это не пустое пространство, а место, где постоянно возникают и исчезают пары частиц и античастиц. Обычно эти пары аннигилируют мгновенно, не оставляя следа. Однако вблизи горизонта событий чёрной дыры гравитационное поле невероятно сильно, и его влияние не может не сказываться.

Когда пара частиц рождается прямо у горизонта событий, одна из них может угодить внутрь чёрной дыры, а другая — улететь наружу. На этом этапе мы уже понимаем, что представляли себе суть процесса совсем иначе. Даже если исходить из того, что общий баланс материя-энергия сохраняется в черной дыре, то вернувшаяся частица — это не прямой результат переработки попавший внутрь материи. Это скорее захват окружающих частицы из вакуума. Тогда почему же все твердят, что парадокс информации и закон сохранения работают при наличии этого противоречия? Потому, что частица всё равно связана с материей нашей реальности.

Она никогда не была внутри, но ключевой момент в том, что общая энергия системы сохраняется. Попавшая внутрь частица имеет отрицательную энергию относительно внешнего наблюдателя и связана со своей парой. В результате её поглощение уменьшает общую массу и энергию чёрной дыры.

Излучение Хокинга не возникает потому, что частица выходит из самой чёрной дыры, а работает благодаря процессу рождения частиц рядом с горизонтом событий. Это создаёт баланс и часть энергии уходит наружу в виде излучения, а чёрная дыра теряет массу, поглощая частицу с отрицательной энергией. Это тонкая и контринтуитивная механика, которая соединяет эффекты гравитации и квантового вакуума.

Представьте, что у вас есть счёт, и кто-то неожиданно занимает у вас деньги, которые сразу же возвращаются, но в другой валюте. Для вас баланс уменьшается, хотя деньги физически никуда не исчезли. Аналогично, энергия чёрной дыры уменьшается, хотя сама излучаемая частица никогда не была внутри.

Эта концепция также объясняет, почему маленькие чёрные дыры испаряются быстрее. Чем меньше масса, тем сильнее гравитационное поле у горизонта относительно размеров квантовых флуктуаций, и тем интенсивнее излучение. В теории, при достаточно длительном времени даже огромные чёрные дыры могут испариться полностью.