[Перевод] Лабораторные чёрные дыры помогают учёным изучать квантовые свойства Вселенной
Чёрные дыры — это песочница для физиков. В них можно наблюдать и проверять самые ненормальные и фундаментальные концепции физики. Но пока не существует способа изучать чёрные дыры напрямую; эти объекты не испускают излучения, такого, как видимый свет или рентген, которое бы могли уловить телескопы. К счастью, физики придумали, как можно сымитировать условия, существующие в чёрных дырах, в лаборатории — и, создавая аналоги ЧД, они начинают раскручивать самые удивительные загадки физики.
Джефф Стейнхауэр, исследователь с физической кафедры Израильского технологического института (Техниона) недавно привлёк к себе внимание, объявив об успешном использовании аналога чёрной дыры для подтверждения теории Стивена Хокинга от 1974 года об испускании ЧД электромагнитного излучения, известного, как излучение Хокинга. Хокинг предсказал, что это излучение будет идти благодаря спонтанному созданию пар частица-античастица на горизонте событий, в точке на краю ЧД, за которую ничего, даже свет, не может убежать. Согласно теории, одна из частиц попадает в ЧД, а другая убегает в космос [на самом деле всё немного сложнее, и объяснено по ссылке выше — прим. перев.]. Эксперимент Стейнхауэра впервые продемонстрировал поддерживающие вычисления Хокинга спонтанные флюктуации.
Физики предупреждали, что такой эксперимент не подтверждает существование излучения Хокинга в астрономических ЧД, поскольку у Стейнхауэра ЧД была не настоящей, отличной от существующих в космосе. Пока ещё физически не получается создавать гравитационные поля такой интенсивности, что формируют ЧД. Аналог лишь имитирует возможность ЧД поглощать видимый свет при помощи звука.
«Представьте, что звуковая волна пытается плыть против течения, и течение движется быстрее, чем она может плыть»,- говорит Стейнхауэр. Его команда охладила облако газа почти до абсолютного нуля, создав среду под названием конденсат Бозе-Эйнштейна. Заставляя газ двигаться быстрее звука, они создали систему, из которой звуковые волны не могут выбраться.
Наблюдения Стейнхауэра были опубликованы в журнале Nature Physics в августе. В дополнение к наблюдению излучения Хокинга, его эксперимент был важен тем, что, по заявлению учёного, в нём наблюдалась запутанность частиц, испущенных «звуковой ЧД». Это значит, что две частицы могли находиться в разных физических состояниях, и что, зная состояние одной частицы, можно было сразу же определить состояние второй.
Концепция аналога ЧД была предложена Уильямом Унру в 1980-х, но в лаборатории она была реализована лишь в 2009 году. С тех пор аналоги ЧД были приняты на вооружение физиками всего мира, многие из которых пытались наблюдать излучение Хокинга. И хотя Стейнхауэр стал первым, добившимся в этом успеха, аналоги уже принесли пользу и помогли физикам проверить уравнения и принципы, долгое время существовавшие лишь на бумаге. В самом деле, крупнейшая из возможностей аналогов ЧД может помочь физикам преодолеть величайшее препятствие науки: объединить гравитацию и квантовую физику, управляющую поведением субатомных частиц, и пока что несовместимую с законами гравитации.
Для создания аналогов ЧД используются разные методы, но принципы их одни и те же: у каждой из них есть точка, горизонт событий, который не может преодолеть то колебание, которое в эксперименте является аналогом света, поскольку необходимая для этого скорость слишком велика. А вот как ещё учёные пытались имитировать ЧД в лаборатории.
В 2010-м группа физиков из Миланского университета привлекла к себе внимание общественности, рассказав о наблюдении излучения Хокинга в аналоге ЧД, созданном при помощи лазерных импульсов в кварцевом стекле. И хотя их заявление было подвергнуто сомнению — Уильям Унру посчитал, что их излучение получилось слишком интенсивным, да ещё и шло не в том направлении — их аналог стал интересным методом моделирования горизонта событий.
Работает это так: первый импульс, отправленный в стекло, достаточно силён, чтобы поменять индекс преломления стекла — скорость движения света в среде. Второй входящий в стекло импульс замедляется до остановки, и создаёт «горизонт», который свет не может преодолеть. Система противоположна ЧД, из которой свет не может убежать, и поэтому её называют «белой дырой». Но, согласно Стивену Хокингу, белые и чёрные дыры по сути одинаковы, и их квантовые свойства должны быть аналогичными.
Отдельные исследовательские группы показали в 2008 году, что белую дыру можно создать и при помощи оптоволокна. Продолжаются эксперименты по созданию БД при помощи бриллиантов, повредить которые гораздо сложнее, чем кварцевое стекло.
Команда под управлением Хай Сон Нгуена [Hai Son Nguyen] в 2015 году показала создание акустической ЧД при помощи поляритонов — странного состояния материи, квазичастиц, появляющихся при смешивании фотонов с материалом, возбуждаемым светом. Команда создавала поляритоны, фокусируя мощный лазер на микроскопической полости в арсениде галлия, мощном полупроводнике. Выемка в одной части полости расширяла её. Когда лазер ударял в полость, в ней испускались поляритоны, устремлявшиеся в направлении выемки. Но по её достижению они меняли скорость, двигаясь быстрее звука, тем самым был создан горизонт, за который звук не мог выходить.
Излучение Хокинга они не увидели, но надеются, что в будущих экспериментах можно будет наблюдать флюктуации частиц, измеряя изменения плотности в их потоке. В других экспериментах предлагается охладить поляритоны до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна, который можно использовать для эмуляции формирования червоточин.
Вода, уходящая через дренажное отверстие в канализацию, может быть неплохой симуляцией ЧД. В лаборатории Ноттингемского университета доктор Силке Вайнфюртнер [Silke Weinfurtner] симулировала ЧД в «водовороте ванны», 2000-литровой прямоугольной ёмкости с наклонной воронкой в центре. Вода поступает в ёмкость сверху и снизу, что придаёт воде угловой момент, создающий водоворот в месте контакта с воронкой. Аналогом света служит рябь на поверхности воды. Представьте, что мы бросим камушек в поток, и будем смотреть на рябь, расходящуюся от него. Чем ближе рябь к водовороту, тем меньше у неё возможности распространяться в сторону от него. В какой-то точке рябь уже не будет идти от водоворота — это и будет наш горизонт событий. Этот аналог оказался полезным для симуляции странной физики вращающихся чёрных дыр, которую Вайнфюртнер сейчас и изучает.
Она уточнила, что этот аналог не демонстрирует ЧД в квантовом смысле. Он работает при комнатной температуре и показывает только классическую механику. «Система грязная,- говорит она. — Но ей можно управлять, и она хорошо переносит изменения. Мы убеждаемся, что такие же явления происходят и в астрофизических системах».
