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.