Квантовые эффекты оказались несущественны при коллапсе звезды
Канадские физики-теоретики вычислили вакуумные значения тензора энергии-импульса вещества, коллапсирующего в черную дыру, и показали, что они не имеют особенностей во всем пространстве кроме начала отсчета. Это значит, что квантовые эффекты не могут существенно повлиять на формирование горизонта событий. Работа опубликована в Physical Review D, препринт статьи выложен на сайте arXiv.org.
Черные дыры служат замечательной моделью для изучения эффектов, находящихся на стыке гравитации и квантовой теории поля. Из-за того, что каждая из этих теорий оказывается неприменима рядом с черной дырой, возникают различные вопросы, на которые у физиков пока еще нет однозначных ответов. Одной из самых больших проблем, связанных с черными дырами, является парадокс потери информации. Заключается он в том, что излучение Хокинга, исходящее от черной дыры, имеет тепловой спектр и не несет информации об упавших в нее объектах, а значит, сведения об исходных состояниях поглощенных частиц бесследно теряются. Подробнее о парадоксе потери информации можно прочитать в нашем интервью с физиком-теоретиком Эмилем Ахмедовым.
В последнее время физики предпринимали несколько попыток разрешить этот парадокс. В частности, некоторые ученые считают, что черные дыры просто не существуют в природе — их горизонт событий разрушается из-за излучения Хокинга и не успевает сформироваться. Подобные рассуждения полагаются на то, что исходящее от черной дыры излучение «накапливается» около горизонта, из-за чего он должен иметь бесконечную собственную энергию, что невозможно.
В данной статье физики-теоретики Бруно Ардерусио-Коста (Bruno Arderucio-Costa) и Уильям Унру (William Unruh) показали, что в действительности при коллапсе звезды накапливание энергии на горизонте событий не происходит. Для этого они вычислили среднее значение тензора энергии-импульса вещества в так называемом вакуумном состоянии Унру на фоне коллапсирующей звезды. Физики считали, что во внешнем пространстве метрика совпадает с обычной метрикой Шварцшильда, а во внутреннем — с решением Фридмана-Роберстсона-Уолкера для трехмерной сферы (случай k = 1).
Для упрощения расчетов теоретики рассмотрели радиальное движение материи, так что четырехмерный случай свелся к двумерному («расстояние» до начала отсчета плюс «время»), и привели метрику к конформно плоскому виду. Это позволило сравнительно просто рассчитать скалярную кривизну пространства. Наконец, ученые вычислили вакуумное значение тензора энергии-импульса для материи, находящейся внутри и снаружи звезды.
Оказалось, что в обеих областях компоненты тензора остаются конечными и отличными от нуля. Единственная точка, в которой значения тензора обращаются в бесконечность — это начало отсчета, в котором находится физическая сингулярность. Остаются конечными и наблюдаемые величины — плотность и поток энергии излучения. Это совпадает с результатами классических вычислений на основании Общей теории относительности. Кроме того, при больших временах расчеты воспроизводят результат, возникающий при изучении коллапса тонкостенной сферически симметричной оболочки. По словам физиков, это означает, что природа начального состояния вещества и квантовые эффекты при коллапсе звезды в конечном счете слабо сказываются на характере излучения, испускаемого черной дырой.
Уильям Унру — известный канадский физик-теоретик, в настоящее время работающий в области квантовой гравитации. Больше всего Унру известен тем, что предсказал в 1976 году эффект, названный впоследствии в его честь. Заключается эффект Унру в том, что равномерно ускоряющийся наблюдатель видит фон теплового излучения даже тогда, когда в инерциальной системе отсчета никакого излучения нет. Этот эффект напоминает, что понятие вакуума зависит от того, как наблюдатель движется сквозь пространство-время. Подробнее про эффект Унру и связанный с ним эффект Соколова-Тернова можно послушать в рассказе Эмиля Ахмедова.
Дмитрий Трунин
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».