Что общего между излучением Хокинга и эффектом Унру?

Излучение Хокинга возникает на границе черной дыры и заставляет ее постепенно испаряться, а из-за эффекта Унру равномерно ускоряющийся наблюдатель видит рождение частиц с постоянной температурой, которых нет в инерциальных системах отсчета. Несмотря на то, что эти эффекты кажутся принципиально разными, в действительности оба они связаны с изменением вакуумного состояния вблизи границы двух причинно-несвязных областей пространства-времени. В этом блоге мы рассмотрим эти два эффекта и попробуем разобраться, чем же они так похожи.

Для начала вспомним, что в Общей теории относительности существует так называемый принцип эквивалентности, который утверждает, что равномерно ускоряющаяся система неотличима от системы, помещенной в однородное гравитационное поле (то есть инертная и гравитационная масса совпадают). Другими словами, пассажиры космического корабля, которые могут ставить на его борту произвольные физические опыты, но не имеют связи с внешним миром, не смогут с уверенностью сказать, попал их корабль в поле притяжения какой-нибудь массивной звезды или движется с постоянным ускорением. В частности, если ускорение корабля будет равно ускорению свободного падения на поверхности Земли g, космонавты будут чувствовать себя абсолютно так же, как их оставшиеся дома знакомые.

Для описания равномерно ускоряющейся системы удобно использовать метрику, введенную Вольфгангом Риндлером в середине прошлого века и напоминающую метрику обычного плоского пространства (метрику Минковского). Метрика — это тензор, который задает правила вычисления расстояния между двумя заданными точками пространства-времени. Как и метрика Минковского, метрика Риндлера диагональна и не зависит от времени — проще говоря, в ней квадрат расстояния между двумя точками полностью определяется квадратами разницы их координат. В то же время, есть и отличия: вместо координаты оси x, вдоль которой движется равномерно ускоряющийся наблюдатель, в метрике Риндлера используется параметр ρ - обратная величина от собственного ускорения наблюдателя 1/ρ. Например, космический корабль, который сжигает больше топлива и движется с большим ускорением, имеет меньшее значение координаты ρ.

Заметим, что постоянное ускорение — это очень сильное свойство системы, поскольку оно заставляет ее скорость все ближе и ближе подходить к скорости света, и в результате время в собственной системе отсчета идет все медленнее и медленнее. Например, космический корабль, который движется с ускорением свободного падения g, пройдет расстояние 13 миллиардов световых лет (долетит до края наблюдаемой Вселенной!) менее чем за сто лет, если считать время в собственной системе отсчета. В то же время, на Земле Новый год совершенно честно отпразднуют 13 миллиардов раз (на самом деле, меньше, поскольку вращение Земли постепенно замедляется, к тому же за это время все живое на планете исчезнет, как и, скорее всего, сама планета, но речь сейчас не об этом).

Кроме того, метрика Риндлера не может полностью покрыть "обычное" пространство Минковского, поскольку при движении с постоянным ускорением в пространстве-времени возникают причинно-несвязные области. В самом деле, световой луч, испущенный из достаточно далекой от наблюдателя точки O (смотри рисунок), никогда не сможет его догнать — из-за постоянного ускорения скорость наблюдателя постепенно будет все сильнее и сильнее приближаться к скорости света, на бесконечности полностью переходя в нее. Другими словами, поле зрения наблюдателя оказывается ограничено определенным световым конусом, и точки вне этого конуса для наблюдателя недоступны, — следовательно, пространство-время разбивается на несколько причинно-несвязных областей. Граница области, в которой находится ускоряющийся наблюдатель, называется горизонтом Риндлера. Заметим, что по своим свойствам горизонт Риндлера аналогичен горизонту событий черной дыры, который также разделяет пространство-время на причинно-несвязные области.

Теперь аналогия между излучением Хокинга и эффектом Унру становится практически очевидной. В самом деле, качественно возникновение излучения Хокинга можно объяснить следующим образом. Из-за принципа неопределенности, который приводит к квантовым флуктуациям вакуума — наименьшего энергетического состояния поля, отвечающего частицам определенного сорта, — в пространстве постоянно образуются виртуальные пары частица-античастица. Когда такая пара возникает вблизи горизонта событий черной дыры, одна из виртуальных частиц захватывается дырой и исчезает для внешнего мира, а другая уходит на бесконечность и становится частью излучения Хокинга. Причем из-за особенностей системы энергетический спектр уходящих на бесконечность частиц оказывается аналогичен температурному спектру, то есть черной дыре можно приписать определенную температуру, зависящую от ее массы. С другой стороны, тот же самый процесс может происходить около горизонта Риндлера равномерно ускоряющегося наблюдателя — следовательно, в этой системе тоже должно возникать излучение с температурным спектром. Собственно, в этом и заключается эффект Унру.

Конечно, такое качественное рассмотрение задачи не совсем верно. В самом деле, кажется, что число частиц и античастиц в излучении Хокинга должно быть одинаковым, а значит, они должны полностью уничтожать друг друга и превращаться в фотоны. В действительности это не совсем так и эффекты Хокинга и Унру выводятся немного по-другому. Обычно физики доказывают их, выписывая уравнения движения для каждого типа частиц и рассматривая, как на их решении сказывается включение в рассмотрение внешних сил — гравитации или постоянного ускорения.

В результате при аккуратном рассмотрении оказывается, что вакуумное состояние, а также операторы числа частиц N (который описывает число частиц в заданном состоянии) и тензора энергии-импульса T^μν (который определяет энергию частиц в заданном состоянии) необходимо переопределить. В обычном случае вакуумные средние всех этих операторов равны нулю. Однако при добавлении в систему внешних сил переопределенные операторы нужно усреднять по вакуумному состоянию пустого пространства, отвечающему удаленному на бесконечность наблюдателю, который сидит в инерциальной системе отсчета. Из-за этого средние значения отличаются от нуля, что можно интерпретировать как рождение реальных частиц (среднее <N> ≠ 0) и температурный спектр (среднее <T^μν> ~ exp[−E/T], где E — энергия частиц, T — температура). Собственно, именно эти утверждения формулируются в знаменитых работах Стивена Хокинга и Уильяма Унру.

Таким образом, и излучение Хокинга, и эффект Унру оказываются связаны с вакуумными флуктуациями поблизости от границы двух причинно-несвязных областей пространства времени — а если точнее, с изменением основного состояния поля, которое по-научному называется перенормировкой вакуума. Более того, в силу принципа эквивалентности можно сказать, что излучение Хокинга и эффект Унру, по сути, являются проявлением одного и того же процесса. Правда, стоит отметить, что на границе применимости Общей теории относительности и квантовой теории поля, на которой лежат оба этих эффекта, говорить о принципе эквивалентности нужно с большой осторожностью.

Упрощенный, но сравнительно строгий вывод эффекта Унру, который использует общепринятый в теоретической физике подход, можно найти в блоге Роман Парпалака «Эффект Унру», написанном на основе статьи физиков Форда и О’Коннела «Is there Unruh radiation?» Качественное объяснение эффекта Унру можно послушать в рассказе физика-теоретика Эмиля Ахмедова, а про излучение Хокинга можно прочитать в его интервью «Уйдем по направлению световой бесконечности».