Физик зафиксировал излучение Хокинга от аналоговой черной дыры
Черная дыра искажает Большое Магелланово Облако (моделирование)Джефф Штейнхауэр, физик из Израильского технологического института, зафиксировал самый достоверный на сегодняшний день аналог излучения Хокинга. В эксперименте ученый создал так называемую «глухую дыру» — акустический аналог черной дыры. Наблюдая за ее поведением, физик обнаружил, что на специальной границе, за которую не могут распространяться колебания материи «глухой дыры», рождаются пары квантов колебаний, движущихся в разные стороны. Более того, эти пары оказываются квантово-запутанными.
В отличие от предыдущих экспериментов с аналоговыми черными дырами, «запрещенное» излучение в работе Штейнхауэра возникает самопроизвольно и имеет квантовую природу: оно рождается из флуктуаций вакуума, как и излучение Хокинга. По словам Леонарда Сасскинда, если результат получит подтверждение, то он станет «триумфом Хокинга, как открытие бозона Хиггса стало триумфом для Питера Хиггса и его коллег». Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает редакционный материал Nature
Традиционное объяснение природы излучения Хокинга связано с флуктуациями вакуума на горизонте событий черной дыры. Это такая область, в которой гравитационное поле объекта оказывается настолько сильным, что даже свет не может ее покинуть. Природа квантовой механики не позволяет существовать идеальному нулевому вакууму — этому мешает принцип неопределенности Гейзенберга. В результате в вакууме непрерывно рождаются и аннигилируют пары виртуальных частиц. Если одна из частиц такой пары окажется затянутой «под» горизонт, то вторая частица станет реальной и покинет черную дыру. При этом эта пара частиц — внутри и снаружи черной дыры — окажется квантово-запутанной.
Излучение Хокинга ведет к тому, что со временем черная дыра испаряется. Причем, чем меньше сверхплотный объект, тем быстрее это произойдет. С этим связан важный парадокс, указывающий на сложность объединения общей теории относительности и квантовой механики — парадокс потери информации. Подробно о нем рассказывал Эмиль Ахмедов в серии интервью N+1 (1, 2). Однако зафиксировать излучение напрямую, от известных кандидатов в черные дыры, невозможно. Оно подобно тепловому излучению, и чем массивнее звезда, тем меньше температура излучения. Так, для черной дыры с массой Солнца температура излучения Хокинга составляет 0,0000001 кельвина — на 7 порядков меньше, чем заполняющее Вселенную реликтовое излучение.
Поэтому для того, чтобы подтвердить существование излучения Хокинга, ученые используют модельные объекты — аналоговые черные дыры. Физики обратили внимание, что при правильной постановке эксперимента волны звука или других колебаний могут вести себя подобно световым волнам вблизи черной дыры.
В роли аналоговых черных дыр выступали как макро-, так и микроскопические системы. К примеру, в 2008 году физики под руководством Ульфа Леонхардта моделировали волны хокинговского излучения с помощью волн в бассейне, распространявшихся против сильного течения. Тогда ученым удалось зафиксировать следы волн, менявших свою частоту с положительной на отрицательную. Позднее та же группа использовала оптические волокна с нелинейными свойствами для тех же целей.
Автор новой работы, Джефф Штейнхауэр, пошел дальше и применил для моделирования горизонта событий конденсат Бозе-Эйнштейна из охлажденных до сверхнизких температур атомов рубидия. Эксперименты со звуковыми аналогами черных дыр — «глухими дырами» — физик начал еще в 2009 году.
