Как сделать лазер из чёрной дыры

В последние годы стало выясняться, что некоторые материалы (особенно метаматериалы) могут подвергнуть свет воздействию, очень сходному с тем, что оказывает на него искривление пространства-времени.

Более того, в 2009-м китайские физики создали таким образом аналог чёрной дыры — к счастью, действующий как ЧД только на электромагнитное излучение. Иными словами, падающие в такой метаматериал микроволны могли входить внутрь, но не могли вырваться наружу из-за эффектов взаимного резонанса. Тот же эффект, что у реальной ЧД посредством колоссальной гравитации вызывает искажение пространства-времени, здесь достигался без особых сложностей.

Разумеется, были попытки (Франческо Бельджорно, Миланский университет) создать сходным способом белую дыру — нечто, из чего свет может только исходить, но никак не может войти. И ЧД, и БД должны порождать излучение Хокинга — спонтанные всплески излучения около горизонта событий таких объектов. Несмотря на то что авторы метаматериального аналога БД заявили, что такое излучение ими наблюдалось, эти результаты, в отличие от эксперимента с искусственной «чёрной дырой», до сих пор активно дискутируются.

Результаты численного моделирования столкновения импульса света с горизонтом событий искусственной белой дыры. (Здесь и ниже иллюстрации Daniel Faccio et al.)

Теперь исследователи из Университета Гериота — Ватта (Шотландия) во главе с Даниэлем Фаччио задумались над другим вопросом: предположим (к этому идёт), излучение Хокинга будет всё же обнаружено (обнаружено несомненно), но что с ним делать дальше?

Они предлагают разработать метаматериальную чёрную дыру и установить её поблизости от столь же метаматериальной белой дыры, оставив между ними небольшую полость. Вслед за этим в полость нужно запустить стартовый импульс света, который начнёт отражаться от горизонта событий искусственной белой дыры к горизонту событий искусственной чёрной дыры. При этом на каждом этапе отражения хокинговское излучение будет добавляться к энергии излучения, усиливая его. Учёные полагают, что такой процесс будет носить логарифмический характер, поэтому даже слабый импульс за счёт извлечения энергии из пары ЧД — БД должен колоссально усилиться за короткое время.

Более того, они уверены, что такое устройство можно создать в лаборатории. Дело в том, что показатель преломления целого ряд веществ зависит от интенсивности света внутри них, а очень интенсивный пучок света создаст с помощью такого материала огромный градиент показателя преломления, который может работать как горизонт событий. По сути, даже одиночный импульс может создать ЧД на своём переднем крае и БД — позади себя.

По сути, горизонты событий ЧД и БД выступают для такого лазера стенками камеры накачки, только дополнительно усиливающими импульс света при помощи излучения Хокинга.

По расчётам шотландцев, чтобы всё получилось, нужен оптический волновод из алмаза. Предварительный анализ показал, что экспериментальная установка вполне реальна и будет относительно компактна.

Итак, чего от всего этого ждать. Подобный эксперимент, с одной стороны, представляет нешуточный интерес — хотя бы потому, что впервые позволит зафиксировать существование излучения Хокинга. А с другой — с теоретической точки зрения он не вполне очевиден. В случае реальной чёрной дыры энергия излучения Хокинга берётся из потерь энергии самой ЧД и её испарения. Испарение, определённо, заканчивается взрывом ЧД. Причём чем меньше масса, тем быстрее испарение. Не очень ясно, как это будет выглядеть в случае небольшой экспериментальной ЧД из метаматериалов…

С препринтом соответствующей работы можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Technology Review и arXiv.