Лабораторные черные дыры помогают физикам рассмотреть квантовую вселенную

Черная дыра — игровая площадка для физика. Это то место, где можно наблюдать и проверять самые странные и фундаментальные идеи и концепции из области физики. Однако сегодня не существует способа для непосредственного наблюдения за черными дырами в действии; эти образования не излучают ни свет, ни рентгеновские лучи, которые могут зафиксировать современные телескопы. К счастью, физики нашли способы имитации условий черной дыры в лаборатории, и создавая аналоги черных дыр, они начинают разгадывать самые удивительные загадки физики.

Научный сотрудник кафедры физики Израильского технологического института Технион Джефф Штайнхауэр (Jeff Steinhauer) недавно привлек к себе внимание всего физического сообщества, объявив, что он использовал аналог черной дыры для подтверждения теории Стивена Хокинга, выдвинутой в 1974 году. Эта теория гласит, что черные дыры испускают электромагнитное излучение, известное как излучение Хокинга. Хокинг предположил, что данное излучение вызывается спонтанным возникновением пары частица-античастица у горизонта событий, как называют точку на краю черной дыры, за пределы которой не может выйти ничто, даже свет. Согласно теории Хокинга, когда одна из частиц пересекает горизонт событий и захватывается черной дырой, другая выбрасывается в космос. Эксперимент Штайнхауэра стал первой демонстрацией тех спонтанных флуктуаций, которые подтверждают расчеты Хокинга.

Физики предупреждают, что данный эксперимент все-таки не подтверждает существование излучения Хокинга в астрономических черных дырах, поскольку черная дыра Штайнхауэра не совсем то, что мы можем наблюдать в космосе. Физически пока невозможно создать мощные гравитационные поля, формирующие черные дыры. Вместо этого аналог при помощи звука имитирует способность черной дыры поглощать световые волны.

«Эта звуковая волна подобна попытке плыть против течения реки. Но река течет быстрее, чем ты плывешь», — говорит Штайнхауэр. Его коллектив почти до абсолютного нуля охладил облако атомов, создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. Заставив газ течь быстрее скорости звука, ученые создали систему, которую звуковые волны не могут покинуть.

Свои наблюдения Штайнхауэр опубликовал в начале августа в статье в журнале Nature Physics. Его эксперимент важен не только тем, что он дал возможность наблюдать излучение Хокинга. Штайнхауэр утверждает, что он наблюдал, как частицы, испускаемые звуковой черной дырой, и частицы внутри нее «перепутываются». Это значит, что две частицы в одно и то же время могут находиться в нескольких физических состояниях, таких как энергетический уровень, и что зная состояние одной частицы, мы можем немедленно узнать состояние другой.

Концепцию аналога черной дыры предложил в 1980-е годы Уильям Унру (William Unruh), но в лабораторных условиях она была создана лишь в 2009 году. С тех пор ученые всего мира создают аналоги черной дыры, и многие из них пытаются наблюдать излучение Хокинга. Хотя Штайнхауэр стал первым исследователем, добившимся успеха на этом фронте, системы аналогов уже помогают физикам проверять уравнения и принципы, давно применяемые в этих теоретических системах, но только на бумаге. На самом деле, главная надежда, возлагаемая на аналоги черных дыр, состоит в том, что они могут помочь ученым преодолеть одну из самых больших проблем физики: объединить гравитацию с принципами квантовой механики, которые лежат в основе поведения субатомных частиц, но пока несовместимы с законами гравитации.

Хотя методы используются самые разные, принцип у каждого аналога черной дыры один и тот же. У каждого есть точка, которую, как и горизонт событий, не может пересечь никакая волна, используемая вместо света, поскольку требуемая для этого скорость слишком велика. Вот некоторые способы, посредством которых ученые имитируют черные дыры в лабораторных условиях.

Стекло

В 2010 году группа физиков из Миланского университета наделала шума в научном сообществе, заявив, что она наблюдала излучение Хокинга из аналога черной дыры, который был создан при помощи мощных лазерных импульсов, направленных на кварцевое стекло. Хотя утверждение этих ученых подвергли сомнению (физик Уильям Унру сказал, что замеченное ими излучение намного интенсивнее расчетного излучения Хокинга, и что идет оно не в том направлении), созданный ими аналог по-прежнему является очень интересным методом моделирования горизонта событий.
Работает этот метод следующим образом. Первый импульс, направляемый на кварцевое стекло, достаточно силен, чтобы изменить коэффициент преломления (скорость, с которой свет попадает в субстанцию) внутри стекла. Когда в стекло попадает второй импульс, он из-за изменения коэффициента преломления замедляется до полной остановки, создавая «горизонт», за который не может проникнуть свет. Такого рода система является противоположностью черной дыре, из которой не может выйти свет, а поэтому ее назвали «белой дырой». Но как говорит Стивен Хокинг, белые и черные дыры это в основе своей одно и то же, а значит, они должны проявлять одинаковые квантовые свойства.

Другая исследовательская группа в 2008 году показала, что белую дыру можно создать похожим способом при помощи оптоволокна. В ходе дальнейших экспериментов ведется работа по созданию того же горизонта событий с использованием алмаза, который меньше разрушается лазерным излучением, чем кремний.

Поляритоны

Коллектив под руководством Хай Сон Нгуэн (Hai Son Nguyen) в 2015 году продемонстрировал, что звуковую черную дыру можно создать при помощи поляритонов — странного состояния материи, называемого квазичастица. Образуется она при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды. Группа Нгуэна создала поляритоны, сфокусировав лазер большой мощности на микроскопической полости арсенида галлия, который является хорошим полупроводником. Внутри нее ученые специально создали маленькую выемку, которая расширила полость в одном месте. Когда луч лазера попал в эту микрополость, произошло излучение поляритонов, которые устремились к дефекту в виде выемки. Но как только поток этих возбужденных частиц достиг дефекта, его скорость изменилась. Частицы начали двигаться быстрее скорости звука, показывая, что возник горизонт, за пределы которого звук не может выйти.

При помощи этого метода коллектив Нгуэна пока не зафиксировал излучение Хокинга, однако ученые предполагают, что в ходе дальнейших экспериментов можно будет обнаружить колебания, вызванные покидающими поле частицами, измеряя изменения плотности их среды. Другие экспериментаторы предлагают охлаждать поляритоны до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна, который затем можно будет использовать в моделировании процесса формирования червоточин.

Вода

Посмотрите на воду, водоворотом стекающую в водосток, когда будете принимать душ. Вы удивитесь, узнав, что смотрите на нечто подобное черной дыре. В лаборатории Ноттингемского университета доктор наук Зильке Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) имитирует черные дыры в ванной, как она называет прямоугольный бак на 2 000 литров со скошенной воронкой в центре. Вода подается в бак сверху и снизу, что придает ей угловой кинетический момент, создающий водоворот в воронке. В этом водном аналоге свет заменяет небольшая рябь на поверхности воды. Представьте, например, что вы бросаете в этот поток камень и смотрите, как от него кругами расходятся волны. Чем ближе эти волны подходят к водовороту, тем труднее им распространяться в противоположном от него направлении. В определенный момент эти волны вообще прекращают распространяться, и эту точку можно считать аналогом горизонта событий. Такой аналог особенно полезен при моделировании странных физических явлений, происходящих вокруг вращающихся черных дыр. В настоящее время Вайнфуртнер занимается исследованием этого вопроса.

Она подчеркивает, что это не черная дыра в квантовом смысле; этот аналог возникает при комнатной температуре, и при этом можно наблюдать только классические проявления механики. «Это грязная система, — говорит исследователь, — Но мы можем ею манипулировать, показывая, что она устойчива к изменениям. Мы хотим убедиться, что такие же явления происходят и в астрофизических системах».