Фундаментальные физические силы управляют материей, из которой состоит Вселенная, но то, как именно эти силы работают вместе, до сих пор полностью не изучено. Существование излучения Хокинга - испускания частиц вблизи черных дыр - указывает на то, что общая теория относительности и квантовая механика должны сотрудничать. Но прямое наблюдение излучения Хокинга от черной дыры практически невозможно из-за фонового шума Вселенной, так как же исследователи могут изучить его, чтобы лучше понять, как взаимодействуют силы и как они интегрируются в «Теорию всего»?
По словам Харуны Катаямы, докторанта Высшей школы передовых наук и инженерии Университета Хиросимы, поскольку исследователи не могут обратиться к излучению Хокинга, излучение Хокинга должно быть доведено до исследователей. Она предложила квантовую схему, которая действует как лазер черной дыры, обеспечивая эквивалент черной дыры в лабораторных условиях с преимуществами по сравнению с ранее предложенными версиями. Предложение было опубликовано 27 сентября в Scientific Reports.
«В этом исследовании мы разработали теорию квантового лазера, используя аналоговую черную дыру и белую дыру в качестве резонатора», - сказал Катаяма.
Белая дыра является теоретическим партнером черной дыры, которая излучает свет и материю в равной оппозиции к свету и материи, потребляемой черной дырой. В предлагаемой электрической цепи метаматериал, спроектированный для обеспечения движения со скоростью, превышающей скорость света, охватывает пространство между горизонтами, вблизи которых испускается излучение Хокинга.
«Свойство сверхсветовой скорости невозможно в нормальной среде, установленной в обычном контуре», - сказал Катаяма.«Элемент метаматериала позволяет излучению Хокинга перемещаться туда и обратно между горизонтами, а эффект Джозефсона, описывающий непрерывный поток тока, распространяющийся без напряжения, играет важную роль в усилении излучения Хокинга за счет преобразования мод в горизонты, имитируя поведение белых и черных дыр."
Предложение Катаямы основывается на ранее предложенных оптических лазерах с черными дырами, предлагая метаматериал, который обеспечивает сверхсветовую скорость, и используя эффект Джозефсона для усиления излучения Хокинга. В результате квантовая цепь индуцирует солитон, локализованную самоусиливающуюся форму волны, которая сохраняет скорость и форму до тех пор, пока внешние факторы не разрушат систему.
"В отличие от ранее предложенных лазеров черных дыр, наша версия имеет резонатор черной дыры/белой дыры, сформированный внутри одного солитона, где излучение Хокинга испускается вне солитона, поэтому мы можем его оценить", - сказал Катаяма.
Излучение Хокинга производится в виде запутанных пар частиц, одна из которых находится внутри, а другая - за пределами горизонта. Согласно Катаяме, наблюдаемая запутанная частица несет на себе тень частицы-партнера. Таким образом, квантовая корреляция между двумя частицами может быть определена математически без одновременного наблюдения за обеими частицами.
«Обнаружение этой запутанности необходимо для подтверждения излучения Хокинга», - сказал Катаяма.
Однако, предупредил Катаяма, лабораторное излучение Хокинга отличается от истинного излучения Хокинга черной дыры из-за нормальной дисперсии света в предлагаемой системе. Компоненты света расходятся в одном направлении, как в радуге. Если компонентами можно управлять так, чтобы некоторые из них могли поворачиваться и возвращаться обратно, полученное в результате лабораторное излучение Хокинга будет отражать ту же положительную частоту истинного излучения Хокинга черной дыры. Сейчас она исследует, как интегрировать аномальную дисперсию для достижения более сопоставимого результата.
«В будущем мы хотели бы разработать эту систему для квантовой связи между разными пространствами-временами с использованием излучения Хокинга», - сказал Катаяма, отметив масштабируемость и управляемость системы как преимущества при разработке квантовых технологий.
Это исследование поддержало Японское общество содействия развитию науки.