Колеблющиеся зеркала из света создают аналог горизонта событий чёрной дыры

Оптическая полость — это пара зеркал, удерживающих свет между собой. На таких устройствах работают лазеры, атомные часы и многие точные датчики. Если расстояние между зеркалами менять достаточно быстро, некоторые теории предсказывают, что волны внутри начнут собираться в короткие интенсивные импульсы. Напрямую это предсказание до сих пор не проверяли.

Группа Дэвида Уэлда из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре подтвердила его, поменяв местами свет и вещество. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В обычной полости свет отражается от двух зеркал туда и обратно. Удерживаются только волны, длина которых точно совпадает с расстоянием между зеркалами, поэтому полость выделяет очень стабильные частоты. Если же одно зеркало колеблется с частотой, совпадающей со временем прохода света туда и обратно, теория предсказывает, что свет будет постепенно перетекать в одну сторону и соберётся в короткий сгусток. Математически такое одностороннее движение напоминает поведение света у горизонта событий чёрной дыры или у её гипотетического двойника — белой дыры. Но для проверки на практике зеркало пришлось бы раз за разом разгонять до заметной доли скорости света за миллиардные доли секунды — это далеко за пределами нынешних технологий.

Чтобы обойти ограничение, команда заменила свет в полости атомами: при сверхнизких температурах они ведут себя как волны. Газ атомов лития охладили почти до абсолютного нуля и поместили в решётку из лазерного света. Как и свет, эта решётка заставляла «волны материи» двигаться с почти постоянной скоростью — только не со скоростью света, а менее одного метра в секунду.

Атомы удерживали два лазерных листа, игравших роль невесомых зеркал, и один из них двигали взад и вперёд примерно 100 раз в секунду. Затем учёные снимали, как распределяются атомы во времени, и сравнивали результат с теоретическими расчётами.

За несколько циклов движущийся лазерный лист превратил изначально размытое облако в плотный сгусток атомов, следующий по повторяющемуся пути. Сгустки, начинавшие движение в разных точках, уходили с неустойчивой траектории и сходились на одной устойчивой — том самом одностороннем движении, которое, по предсказанию, повторяет горизонты чёрной и белой дыр. Удвоив частоту колебаний, исследователи получили два плотных сгустка, каждый на своём пути. Резко сдвинув момент движения лазерного листа, они поменяли местами устойчивую и неустойчивую траектории и обратили движение сгустков. Заметили и тонкие эффекты, выходящие за пределы идеальной картины, — их объяснили тем, что скорость атомов не так постоянна, как у света.

Команда надеется, что эффект даст новые способы сжимать и разжимать оптические сигналы, возможно, в твёрдых материалах, оптические свойства которых можно настраивать электрически, вообще без движущихся зеркал. Установка может помочь и в проверке других фундаментальных предсказаний — например, того, как пары световых частиц возникают из пустого пространства между быстро движущимися зеркалами.

Остаётся вопрос: если аналог горизонта событий удалось собрать из атомов и лазерных листов, какие ещё предсказания физики сильных полей можно проверить на такой установке — и где проходит граница между точной аналогией и просто похожей математикой?