Имитация чёрной дыры впервые продемонстрировала излучение Хокинга

Чёрные дыры — камень преткновения в спорах астрофизиков о законах квантовой механики и релятивизма. С точки зрения теорий Эйнштейна, чёрная дыра является бесконечно плотным объектом с практически абсолютной гравитацией. Из-за этого ни одна частица не может покинуть горизонт событий чёрной дыры — некую условную границу, за пределы которой не может выйти даже свет или информация.

Квантовая механика гласит, что существование таких объектов противоречит фундаментальным законам Вселенной, а значит, чёрные дыры должны работать как-то по-другому.

Известнейший сторонник квантовой механики британский космолог Стивен Хокинг (Stephen Hawking) разработал собственную модель, объясняющую природу чёрных дыр и их взаимодействия со Вселенной. Именем этого учёного был назван феномен излучения Хокинга: так называется поток частиц, периодически покидающий пределы чёрной дыры. Именно благодаря этому явлению существование чёрных дыр становится приемлемым для квантовой механики.

Чтобы воспроизвести в рамках эксперимента появление излучения Хокинга, учёные создали в лаборатории имитацию чёрной дыры. Как сообщается в статье журнала Nature Physics, в модели происходит улавливание звуковых волн при помощи ультрахолодной жидкости.

Собственно, явление излучения Хокинга опирается на основной принцип квантовой космологической теории: за краткий период времени могут происходить крупные колебания энергии. Это означает, что космический вакуум является не пустым, как нам кажется, но он наполнен частицами и их античастицами (единицами антиматерии), которые быстро появляются и столь же быстро исчезают, аннигилируя при столкновении друг с другом. Однако на горизонте событий чёрной дыры аннигиляции не происходит: из пары частица-античастица та, что ближе к чёрной дыре, падает в неё, а та, что дальше, выбрасывается обратно в космос.

Этот сценарий примиряет ОТО с квантовой механикой, по крайней мере, в рамках описания чёрных дыр. Но до сих пор никто не мог найти экспериментального подтверждения правоты Хокинга, поскольку понаблюдать за сверхмассивными космическими объектами вблизи не представляется возможным.

Джефф Штайнхауэр (Jeff Steinhauer), физик из Израильского технологического института в Хайфе, решил предоставить первое экспериментальное доказательство существования излучения Хокинга. Его работа заняла целых пять лет, и до сих пор экспериментаторы не слишком довольны своими результатами.

Вместе со своими коллегами Штайнхауэр провёл опыт, в рамках которого использовал облако из атомов рубидия, охлаждённых до менее чем одной миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. При таких температурах атомы плотно упакованы и начинают вести себя как единый жидкий квантовый объект, которым значительно проще манипулировать, чем обычными частицами.

Низкая температура также гарантирует, что жидкость, известная как конденсат Бозе-Эйнштейна, обеспечит «бесшумную» среду для прохождения звуковых волн, возникающих в ходе квантовых флуктуаций. Это означает, что возможность фоновых эффектов сводится к минимуму.


Используя лазеры, физики заставили «жидкое» облако из ультрахолодных атомов рубидия течь быстрее скорости звука. В то же время звуковые волны, идущие против этого «течения», оказывались пойманными в ловушку (как пловец, гребущий против потока, будто бы остаётся на месте) — так учёные дали конденсату сыграть роль горизонта событий чёрной дыры.

Пары звуковых волн, появляющиеся и исчезающий в лабораторном вакууме, имитировали пары частиц-античастиц, возникающих и пропадающих в космическом вакууме близ чёрной дыры. И те волны, которые оказывались за пределами этого «звукового» горизонта событий, имитировали частицы, покидающие пределы чёрной дыры — собственно, излучение Хокинга.

Для того чтобы сделать звуковые волны достаточно мощными, чтобы их могли уловить детекторы, Штайнхауэр и его коллеги создали второй звуковой горизонт событий внутри первого, регулируя жидкость таким образом, чтобы звуковые волны не могли пройти через второй горизонт событий и отскакивали бы от него назад. Когда звуковые волны неоднократно сталкивались с внешним горизонтом событий, они создавали пары, усиливая «излучение Хокинга» настолько, чтобы эффект можно было зарегистрировать при помощи детекторов.

Исследователи, знакомые с работой Штайнхауэра и его команды, сомневаются в том, что объект, созданный в лаборатории, может полноценно имитировать космические чёрные дыры. Тем не менее, первое подтверждение квантовомеханическим эффектам на примере чёрной дыры, пусть и искусственной, является, по словам физиков, важным шагом в экспериментальной космологии.

В ближайшее время Штайнхауэр планирует завершить свою работу над технологией исследования искусственной чёрной дыры без усиления звуковых волн. Это позволит разрешить давний парадокс исчезновения информации в чёрной дыре.