Тайну черных дыр раскрыли при помощи частиц-призраков

Физики выяснили, что может играть ключевую роль в появлении черных дыр. Согласно расчетам ученых, черные дыры возникают при активном участии так называемых виртуальных частиц.

В журнале Physical Review Letters группа физиков опубликовала статью, в которой описывается влияние сильных гравитационных полей на процесс появления виртуальных частиц из вакуума. Виртуальные частицы — это одно из наиболее неожиданных и противоречащих интуиции положений квантовой теории поля: они согласно законам квантовой механики действительно могут возникать на короткое время из вакуума и столь же бесследно исчезать.

В квантовой теории поля вакуум постоянно порождает элементарные частицы, которые тут же и пропадают. А если это происходит в сильном гравитационном поле, то число таких виртуальных частиц заметно возрастает — согласно новым расчетам настолько, что это влияет на дальнейшее поведение создающего гравитационное поле объекта.

Так физики представляют наглядно процессы с участием виртуальных частиц. В квантовой теории поля любое взаимодействие есть процесс с виртуальными частицами.
Источник: The High Energy Physics Group at SFU

Нарушители

Может показаться, что виртуальные частицы нарушают законы сохранения, так как появление частицы из ничего очевидным образом связано с какой-то энергией. И если проигнорировать первое слово в названии «квантовая теория поля», то законы сохранения действительно не работают!

Но стоит учесть квантовые эффекты, и все встает на свои места. У любого квантового объекта (а виртуальные частицы — именно квантовые объекты) никогда нельзя измерить с абсолютной точностью большинство величин одновременно. К примеру, нельзя совершенно точно указать скорость частицы и ее координату, или время существования и энергию.

Смотрите также

Про астрофизические приложения виртуальных частиц GZT.RU уже писал, рассказывая о механизмах взрыва сверхновых звезд.

Именно последнее соотношение неопределенностей и позволяет «нарушать» сохранение энергии: виртуальная частица существует такое время, за которое нельзя точно определить ее энергию. Наглядно и корректно проиллюстрировать этот эффект сложно, но приблизительной аналогией будет касса, из которой успели взять деньги без ведома бухгалтерии, дать в долг, вернуть долг и положить обратно.

«Положить обратно» — ключевой момент. Он не только делает невозможным создание вечного двигателя, который бы черпал энергию виртуальных частиц. Он еще и объясняет то, как взаимодействуют любые частицы через электромагнитное или иное поле. В основе взаимодействия тел лежит именно обмен виртуальными частицами, причем требование «вернуть энергию» приводит к тому, что в любой замкнутой системе как угодно взаимодействующих частиц суммарная энергия не изменится.

Невыносимая тяжесть виртуальности

Работа ученых строилась не только на квантовой теории поля, предсказывающей виртуальные частицы. Вторым краеугоульным камнем в ее фундаменте стала теория относительности, включая знаменитую формулу E=mc^2^.

Из этой формулы следует, что энергия имеет массу: раскаленные угли немного тяжелее холодных, а сжатая пружина чуть массивнее находящейся в несжатом состоянии (на миллиардные доли грамма). И виртуальные частицы, которые обладают «взятой взаймы» энергией, тоже могут вносить свой вклад в массу того объекта, вблизи которого они возникли.

Новизна исследования — именно в оценке этого вклада и тех эффектов, которые он может спровоцировать. По оценкам ученых, вблизи сверхплотных нейтронных звезд гравитационное поле вызывает появление такого количества виртуальных частиц, что их суммарная энергия сама по себе может давать в массу больший вклад, чем масса самой нейтронной звезды!

А где масса, там и гравитационное поле. И при значении гравитационного поля больше некоторой критической величины нейтронная звезда может стать черной дырой, свернув вокруг себя пространство так, что с ее поверхности не ускользнет даже свет. Этот процесс, который играет важнейшую роль в жизни Вселенной (черные дыры расположены в ядрах галактик, в них превращаются после смерти достаточно массивные звезды), с учетом новых данных может быть пересмотрен.

Доказательства

То, что энергия имеет массу, доказывать уже не надо: любое ядерное устройство, от светящегося брелока для ключей до реактора АЭС, это наглядно подтверждает. А вот что в реальных экспериментах указывает на наличие виртуальных частиц?

Таблица элементарных частиц. Важно отметить - кварки по отдельности не встречаются, только в протонах, нейтронах и иных составных частицах!
Источник:

MissMJ

 

 

Теорией виртуальных частиц удается, например, объяснить рождение струй частиц при экспериментах на ускорителях. Квантовая теория поля приложима также и к астрофизическим процессам: с ее помощью удается описать не только формирование черных дыр, но и эволюцию звезд на менее экстремальных и потому проще наблюдаемых стадиях.