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.

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?

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.