Звучит как аналог: физик мог бы впервые экспериментально доказать, что черные дыры не черные. Потому что он сконструировал черную дыру для звуковых волн в лаборатории, которая на сегодняшний день излучает наиболее убедительный аналог излучения Хокинга, как сообщает исследователь в журнале Nature Physics. В эксперименте были созданы виртуальные частицы, одна из которых была проглочена, а другая выпущена - как и предполагалось для настоящих черных дыр.
Британский физик Стивен Хокинг постулировал это еще в 1970-х годах: из черной дыры есть выход. Из-за квантовых флуктуаций постоянно образуются пары виртуальных частиц и их античастиц, даже в кажущемся пустом пространстве. Однако, если один находится на этой стороне, а другой за горизонтом событий, они не компенсируют друг друга, как это обычно бывает.
Консенсус, но никогда не доказанный
Вместо того, одна частица втягивается в черную дыру, другая может улететь. Эти «ускользнувшие» частицы образуют излучение Хокинга, согласно теории. Чем меньше масса черной дыры, тем сильнее это излучение. На самом деле, для микроскопических отверстий это излучение заставляет их сжиматься со временем и полностью рассеиваться в излучение.
Но хотя этой теории уже добрых 40 лет, однозначно доказать это излучение никогда не удавалось. Проблема: в случае звездной или еще более крупной черной дыры излучение Хокинга просто слишком слабое, чтобы его можно было измерить. Поэтому исследователи всего мира некоторое время пытались создать в лабораториях условия, аналогичные условиям в черной дыре.
Звук вместо света и материи
Одним из этих ученых является Джефф Штайнхауэр из Техниона в Хайфе. Возможно, теперь ему впервые удалось хотя бы очень близко подойти к такому аналогу черной дыры. Его эксперимент основан на теории о том, что звуковые волны, охватываемые их средой, так же неизбежны, как объект за горизонтом событий в черной дыре.
Таким образом, в лаборатории можно сконструировать своего рода черную дыру для звука. Для этого Штайнхауэр сначала охладил облако атомов рубидия чуть выше абсолютного нуля. Таким образом, атомы становятся конденсатом Бозе-Эйнштейна. В этом квантовом состоянии их поведение можно описать только в терминах волн, они больше не образуют независимых индивидуальных частиц.
Горизонт событий из ультрахолодных атомов
В этих экстремальных условиях даже звук движется очень медленно, со скоростью примерно полмиллиметра в секунду. И это позволяет исследовать особое явление конденсата Бозе-Эйнштейна: подобно тому, как в космическом вакууме рождаются виртуальные частицы, в атомном конденсате образуются спонтанные импульсы плотности, так называемые фононы.
И здесь вступает в игру аналогия с черной дырой: С помощью лазера Штайнхауэр создал в конденсате зону, в которой атомы двигались со скоростью один миллиметр в секунду - сверхзвуковая скорость для этих условий. Если фононы рождались спонтанно в этой части конденсата, то они были сметены, как виртуальные частицы, за горизонт событий черной дыры.
Доказательства радиации Хокинга?
И теперь Штайнхауэр заметил ключевой момент: «Наши измерения показывают корреляции между точками по обе стороны горизонта событий», - объясняет исследователь. По-видимому, в консенсусе образовались пары запутанных фононов, один из которых затем был унесен, а другой успел вырваться - как виртуальные частицы в черной дыре.
Таким образом, звуковой аналог черной дыры не бесшумный, а издавал бы слабое шипение, если бы исходящие фононы были слышны. По словам Штайнхауэра, это реальный эквивалент излучения Хокинга от черной дыры: «Измерения подтверждают квантовую природу излучения Хокинга», - говорит физик.
Самое убедительное доказательство на данный момент
По мнению редакторов журнала Nature, эксперимент Штайнхауэра является наиболее убедительным доказательством существования аналога излучения Хокинга. «Его попытка может приблизиться к экспериментальному наблюдению излучения Хокинга», - говорится в журнале. «Это определенно новаторская работа», - комментирует физик Ульф Леонхардт из Научного института Вейцмана в Реховоте.
Однако доказательство излучения Хокинга еще не завершено. Потому что Штейнхауэр смог наблюдать связывание фононных пар в своем конденсате только для высокоэнергетических звуковых импульсов. Кроме того, остается открытым вопрос о том, можно ли перенести утверждения таких аналоговых экспериментов на реальные космические черные дыры.
Тем не менее: «Если результаты Штайнхауэра подтвердятся, это станет триумфом для Хокинга - так же, как открытие бозона Хиггса стало триумфом для Питера Хиггса и его коллег», - комментирует Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета. в новостях природы.