Космическая кастрюля: учёные нашли новый способ описать «испарение» чёрных дыр

В 1970-х годах легендарный физик-теоретик Стивен Хокинг опубликовал в журнале Nature письмо под интригующим названием «Взрывы чёрных дыр?». В нём он объяснил, как эти объекты могут испускать тепловое излучение, постепенно испаряться и в конце концов схлопнуться в финале своей жизни. Это явление впоследствии получило название «излучение Хокинга».

Однако спустя полвека группа исследователей предложила альтернативный взгляд на проблему. Их метод опирается не на хитросплетения квантовой физики у горизонта событий, а на более фундаментальное и интуитивно понятное свойство — рост энтропии, то есть меры беспорядка в системе. Примерно так же мы описываем кастрюлю с закипающей водой: мы не видим каждую молекулу пара, но точно знаем законы, по которым растёт хаос при нагреве. Для чёрных дыр эта мера связана с их массой, спином и энергией, а значит, с её помощью можно понять, как космические титаны реагируют на слияния и собственную гибель.

«Законы механики чёрных дыр Хокинга обеспечили изящную связь между экстремальной и обычной физикой и оставались парадигмой на протяжении 50 лет, но у них есть серьёзное ограничение, — пояснил руководитель научной группы Абэй Аштекар из Научного колледжа Эберли Университета штата Пенсильвания. — Они были сформулированы для чёрных дыр, находящихся в равновесии, то есть неизменных во времени. Однако чёрные дыры постоянно меняются: они формируются, сливаются и в конце концов испаряются. Мы хотели найти способ преодолеть это ограничение и распространить законы на чёрные дыры, которые вышли из равновесия».

Тень Эйнштейна и прорыв Хокинга

Чтобы понять суть открытия, нужно вернуться в 1915 год. Тогда Альберт Эйнштейн представил миру общую теорию относительности. Одним из следствий его уравнений стала возможность существования сингулярности — точки, где параметры плотности и гравитации устремляются в бесконечность, образуя сердце чёрной дыры. Вокруг этой сингулярности, как гласит теория, лежит горизонт событий — незримая граница, где скорость убегания превышает скорость света. Долгое время считалось, что ни вещество, ни информация не могут покинуть эту ловушку.

«Поскольку заглянуть внутрь чёрной дыры нельзя, казалось, что существует бесконечное множество способов её создать, а значит, и энтропия её бесконечна. Также считалось, что дыры только поглощают энергию и никогда не излучают, поэтому их температура равна нулю», — пояснил участник исследования Дэниел Э. Параизо, аспирант-физик из Пенсильвании.

Всё изменилось с появлением излучения Хокинга. Предположив, что чёрные дыры всё же испускают тепловую энергию, Хокинг переопределил их природу. Внезапно к ним стало возможным применять законы термодинамики. В рецепте Хокинга площадь горизонта событий оказалась пропорциональна температуре и энтропии дыры и обратно пропорциональна её массе.

Но тут кроется подвох. «Эти аналогии работают только для равновесной чёрной дыры, — говорит участник команды Джонатан Шу. — В динамических же ситуациях горизонты событий могут формироваться и расти в так называемых плоских областях пространства-времени, где ничего не происходит». Это означает, что свойства дыры нельзя определить только по локальной физике вблизи неё, приходится полагаться на предсказание событий, которые могут произойти (или не произойти) в будущем. Для слияний, роста и испарения чёрных дыр старый инструмент перестаёт работать.

Кипящий котёл вместо горизонта событий

Выходом из тупика стала замена самого понятия «горизонт событий» на «динамический горизонт» — концепцию, которая уже применяется при компьютерном моделировании чёрных дыр. Такой подход позволяет применить первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) и второе начало (закон неубывания энтропии) к чёрным дырам, даже когда те находятся в самом разгаре динамических процессов — будь то рождение в коллапсе звезды, слияние с другой дырой или постепенное испарение.

«Это позволяет нам распространить первое и второе начала термодинамики на чёрные дыры, которые не находятся в равновесии, преодолев тем самым ограничения парадигмы, использовавшейся более полувека, — подвёл итог Аштекар. — Мы можем применить эти обобщённые законы, чтобы лучше понять испаряющиеся чёрные дыры в квантовой теории, а также процессы их слияния».

Проще говоря, чёрная дыра больше не похожа на загадочный сейф, который существует вне времени. Теперь физики предлагают смотреть на неё как на кастрюлю с кипящей водой: даже если мы не знаем, что именно бурлит внутри, мы можем точно измерить, сколько энергии уходит с паром, и предсказать, когда жидкость выкипит окончательно. Возможно, именно этот «кипящий» подход поможет наконец примирить общую теорию относительности с квантовой механикой и понять, чем заканчивается жизнь самых загадочных объектов Вселенной.

Исследование было опубликовано в июне в журнале Physical Review Letters.

Источники:

1. Заявление и интервью научной группы под руководством Абэя Аштекара, Университет штата Пенсильвания (Penn State University).

2. Публикация в журнале Physical Review Letters, июнь 2026 года.

3. Историческая справка: письмо Стивена Хокинга «Black hole explosions?» в журнале Nature, 1974 год.