Наука и Техника

Наука И Техника
16 октября 2014

Лабораторная черная дыра продемонстрировала излучение Хокинга

Модель черной дыры, которая улавливает звук вместо света, была поймана за излучением квантовых частиц, которые посчитали аналогом теоретического излучения Хокинга. Этот эффект был впервые продемонстрирован в лабораторных условиях, сообщает Phys.org, — и, возможно, от реальных черных дыр можно ожидать того же.

Черные дыры — это сверхплотные концентрации вещества, которые остаются после разрушения звезды или другого массивного тела. Их гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может покинуть границу черной дыры — так называемый горизонт событий.

Учитывая это, физики ожидали, что черные дыры, конечно, будут черными. Но в 1974 году Стивен Хокинг из Кембриджского университета предсказал, что они должны испускать слабый свет из частиц — излучение Хокинга.

Странность квантовой теории заключается в том, что вакуум космоса на самом деле не пуст, а насыщен парами частиц и их антиматериальных коллег. Как правило, эти пары уничтожают друг друга и исчезают. Но если одна попадает внутрь горизонта событий черной дыры, другая вольна убежать и становится наблюдаемой в качестве излучения Хокинга.

Свечение от настоящих черных дыр должно быть слишком слабым, чтобы его можно было увидеть и тем самым подтвердить предсказания Хокинга. Поэтому физики создали искусственные черные дыры, которые имитируют горизонт событий.

Новые горизонты
В 2010 году группа ученых под руководством Франческо Бельжорно из Университета Милана создала модель черной дыры, горизонт которой захватывал фотоны с помощью лазерных импульсов в оптоволоконном кабеле. Команда утверждала, что в процессе эксперимента наблюдалось излучение Хокинга, но другие ученые усомнились в том, что его физика соответствует реальному горизонту событий черной дыры.

Квантово-механическая жидкость могла бы в точности сымитировать точную физику горизонта событий черной дыры, хотя и в гораздо меньших масштабах. В 2009 году Джефф Штейнхауэр из Техниона — Израильского технологического института в Хайфе и его коллеги сделали именно такую модель черной дыры с помощью конденсата Бозе-Эйнштейна, квантового состояния материи, в котором скопление сверххолодных атомов ведет себя как один атом.

Теперь команда утверждает, что их черная дыра произвела именно то излучение Хокинга, которое предполагается у настоящей черной дыры. «Это говорит нам о том, что идея Хокинга на самом деле работает, — говорит Штейнхауэр. — Черная дыра действительно должна испускать излучение Хокинга».

Лазер черной дыры
Команда использовала один лазер, чтобы сконцентрировать конденсат Бозе-Эйнштейна в узкой трубе, и еще один, чтобы разогнать его до скорости звука. Быстрый поток создал два горизонта: «внешний» — в точке, где поток стал сверхзвуковым, и «внутренний», где поток снова замедлился.

Эффект Хокинга пришел из квантового шума на горизонте, говорит Уильям Унру из Университета Британской Колумбии в Канаде, который одним из первых предложил аналоги черных дыр на основе жидкости. Горизонты создают пары частиц звука, или фононов. Один фонон покидает горизонт, а другой остается в ловушке.

Один фонон слишком слаб, чтобы за ним можно было наблюдать, но фононы внутри черной дыры снуют туда и обратно между внутренним и внешним горизонтами, порождая больше и больше фононов Хокинга каждый раз, почти так же, как лазер усиливает свет. Физики называют этот эффект «лазером черной дыры».

«Излучение Хокинга растет экспоненциально, усиливается само по себе, — говорит Штейнхауэр. — Это позволяет мне наблюдать за ним, поскольку амплитуда растет». В будущем ученый надеется улучшить свои детекторы, чтобы наблюдать за излучением одного горизонта, что, в свою очередь, поможет определить, запутываются ли пары фононов. Это еще одна прогнозируемая особенность настоящих черных дыр, у которой могут быть определенные огненные последствия.

Все течет, все меняется
«Эта работа весьма впечатляет, — говорит Даниэль Фаччио из Университета Гериота-Ватта в Эдинбурге, который был в команде, сделавшей черную дыру на оптоволоконной основе. Хотя он и выдвигает свою работу как первую, которая показала, что излучение Хокинга можно измерить, он признает наглядность работы Штейнхауэра. — Эта работа подняла планку, и теперь мы видим, можно сказать, первое ясное свидетельство эффектов Хокинга и квантового вакуума. Думаю, эта работа на самом деле изменит правила игры».

Унру менее позитивен в своих утверждениях: «Я бы не сказал, что дело в шляпе, но оно явно ближе к этому, чем остальные. Совершенно очевидно, что черные дыры отличаются от текущего конденсата Бозе-Эйнштейна, и эффект, возникающий в последнем случае, не доказывает, что это произойдет и в черных дырах. Тем не менее вероятность этого растет. Математика и результаты слишком похожи, чтобы быть простым совпадением».