25.10.2021, 16:45
В 1969 году английский физик Роджер Пенроуз открыл долгожданную связь между термодинамикой и странной механикой черных дыр. Рассмотрим методы и мотивы Пенроуза поближе и выясним, как они повлияли на революционное открытие излучения Хокинга.
Физики до 1950-х годов неохотно принимали идею о том, что черные дыры подчиняются законам термодинамики. Но к 1969 году Пенроуз смог их переубедить.
Роджер Пенроуз был первым, кто показал, как можно извлечь энергию из вращающейся черной дыры. К этому времени он уже зарекомендовал себя в научном сообществе, доказав, что сингулярности черных дыр могут быть появиться в результате коллапса умирающих звёзд.
Свою теорию он основал на тогда ещё недавно введенном понятии «эргосферы» — области вокруг чёрной дыры, из которой материя ещё может вырваться наружу. И пускай она находится за границей черной дыры, пространство-время внутри эргосферы вращается вместе с телом, подобно газу в атмосфере планеты. В своей работе он рассматривал чёрные дыры Керра — вращающиеся незаряженные черные дыры.
Пенроуз предположил, что если частица материи попадает в эту область, она может разделиться на две части — одна из них может упасть в черную дыру, а другая сможет вырваться наружу, унося с собой больше энергии, чем было у исходной частицы.
Советский физик Яков Зельдович исследовал открытие Пенроуза через призму квантовой механики в течение следующих нескольких лет. Аспирант Якова Зельдовича, Алексей Старобинский, расширил предложение своего научного руководителя, сосредоточив внимание в первую очередь на черных дырах. Он же продемонстрировал, что вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы в соответствии с принципом неопределённости квантовой механики, что и представил Стивену Хокингу в 1973 году. Хокинг был заинтригован и провел свои собственные расчеты по этому вопросу. К своему удивлению, он пришел к выводу, все черные дыры — не только Керровские — должны излучать частицы и со временем должны испариться.
Выходит, Зельдовичу удалось установить дружеское сотрудничество с западными физиками, что во многом подтолкнуло Стивена Хокинга к открытию квантовых эффектов, которые могут заставить черные дыры излучать частицы. Это и означало, что черные дыры могут подчиняться законам термодинамики — физическое сообщество наконец в этом убедилось.
