Лабораторная черная дыра ведет себя так, как предсказал Стивен Хокинг
Искусственная черная дыра подтвердила теорию.
В 1974 году Стивен Хокинг выдвинул теорию о том, что самые темные гравитационные чудовища Вселенной, черные дыры, не были черными как смоль поглощающими все звездами, которые представляли себе астрономы, но они спонтанно излучали свет - явление, которое теперь называют излучением Хокинга.
Проблема в том, что ни один астроном никогда не наблюдал таинственного излучения Хокинга, и, поскольку оно предсказано очень тусклым, они, возможно, никогда его не увидят. Вот почему сегодня ученые создают свои собственные черные дыры.
Именно это и сделали исследователи из Израильского технологического института Техниона. Они создали аналог черной дыры из нескольких тысяч атомов. Они пытались подтвердить два из самых важных предсказаний Хокинга, что излучение Хокинга возникает из ничего и что его интенсивность не меняется со временем, то есть оно стационарно.
"Черная дыра должна излучать, как черное тело, которое по сути является теплым объектом, постоянное инфракрасное излучение", - сказал соавтор исследования Джефф Штайнхауэр, доцент кафедры физики Израильского технологического института Техниона. "Хокинг предположил, что черные дыры похожи на обычные звезды, которые постоянно излучают определенный тип излучения. Это то, что мы хотели подтвердить в нашем исследовании, и мы это сделали".
Гравитация черной дыры настолько сильна, что даже свет не может избежать его схватывания, когда фотон, или частиц света, попадает за ее точку невозврата и называется горизонтом событий. Чтобы покинуть эту границу, частица должна нарушить законы физики и двигаться быстрее скорости света.
Хокинг показал, что, хотя ничто, пересекающее горизонт событий, не может ускользнуть, черные дыры все же могут спонтанно излучать свет с границы благодаря квантовой механике и так называемым "виртуальным частицам".
Как объясняется принципом неопределенности Гейзенберга, даже полный космический вакуум кишит парами "виртуальных" частиц, которые появляются и исчезают. Эти мимолетные частицы с противоположными энергиями обычно почти сразу же аннигилируют друг с другом. Но из-за экстремального гравитационного притяжения на горизонте событий Хокинг предположил, что пары фотонов могут быть разделены: одна частица поглощается черной дырой, а другая улетает в космос. Поглощенный фотон имеет отрицательную энергию и вычитает энергию в виде массы из черной дыры, в то время как ускользнувший фотон становится излучением Хокинга. Только благодаря этому при достаточном времени (намного превышающем возраст Вселенной) черная дыра может полностью испариться.
"Теория Хокинга была революционной, потому что он объединил физику квантовой теории поля с общей теорией относительности", - рассказал Штайнхауэр о теории Эйнштейна, описывающей, как материя искажает пространство-время. "Это все еще помогает людям искать новые законы физики, изучая комбинацию этих двух теорий на физическом примере. Люди хотели бы проверить это квантовое излучение, но это очень сложно с реальной черной дырой, потому что излучение Хокинга настолько слабо по сравнению с радиационному фону космоса".
Эта проблема вдохновила Штайнхауэра и его коллег на создание собственной черной дыры - более безопасной и гораздо меньшей, чем настоящая.
Черная дыра, выращенная исследователями в лаборатории, состояла из потока газа, состоящего из примерно 8000 атомов рубидия, охлажденных почти до абсолютного нуля и удерживаемых на месте с помощью лазерного луча. Они создали загадочное состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК), которое позволяет тысячам атомов действовать вместе в унисон, как если бы они были одним атомом.
Используя второй лазерный луч, команда создала обрыв потенциальной энергии, который заставил газ течь, как вода, устремляющаяся вниз по водопаду, тем самым создав горизонт событий, где одна половина газа течет быстрее скорости звука, а другая наполовину медленнее. В этом эксперименте команда искала пары фононов или квантовых звуковых волн вместо пар фотонов, спонтанно образующихся в газе.
Фотон на более медленной половине мог двигаться против потока газа, прочь от обрыва, в то время как фонон на более быстрой половине был захвачен скоростью сверхзвукового потока газа, объяснил Штайнхауэр. "Это похоже на попытку плыть против течения, которое быстрее, чем ты можешь плыть. [Это] похоже на то, чтобы оказаться в черной дыре, когда ты внутри, невозможно добраться до горизонта".
Как только они нашли эти фононные пары, исследователи должны были подтвердить, коррелированы ли они и оставалось ли излучение Хокинга постоянным с течением времени (если оно было стационарным). Этот процесс был сложным, потому что каждый раз, когда они фотографировали свою черную дыру, она разрушалась из-за тепла, создаваемого в процессе. Таким образом, команда повторила свой эксперимент 97 000 раз, потребовалось более 124 дней непрерывных измерений, чтобы найти корреляции. В конце концов, их терпение окупилось.
"Мы показали, что излучение Хокинга было стационарным, то есть не изменялось со временем, что и предсказывал Хокинг", - сказал Штайнхауэр.