Акустическая черная дыра, возможно, показала излучение Хокинга

Черные дыры на самом деле не черные. Вместо этого, эти гравитационные приемники испускают излучение, которое заставляет их сжиматься и в конце концов испаряться. Это одно из самых странных предсказаний о черных дырах, высказанное Стивеном Хокингом более 40 лет назад, споры вокруг которого продолжаются и по сей день. И вот, после семи лет одиночных исследований, физик-экспериментатор Джефф Штайнхауэр из Израильского технологического института создал искусственную черную дыру, которая, кажется, испускает излучение Хокинга самостоятельно в ходе квантовых флуктуаций, возникающих в его экспериментальной установке.

Излучение Хокинга практически невозможно наблюдать в настоящей черной дыре, а предыдущие искусственные черные дыры не показали его следов.

Джефф Штайнхауэр говорит, что лабораторные аналоги черных дыр могут помочь разрешить некоторые дилеммы теорий, связанных с излучением Хокинга, в том числе и информационный парадокс черных дыр, а также, возможно, укажут путь к объединению квантовой механики и теории гравитации.

«Этот эксперимент действительно удивителен. Но это не доказывает, что излучение Хокинга существует вокруг астрофизических черных дыр», – сказал Силке Вайнфуртнер, физик-теоретик и физик-экспериментатор из Ноттингемского университета (Англия).

Все началось в 1970-х годах, когда физик-теоретик из Кембриджского университета (Великобритания) Стивен Хокинг обнаружил, что горизонт событий черной дыры – область, из которой ничто, включая свет, не может убежать – должен иметь своеобразные последствия для физики.

Отправной точкой стало то, что случайность квантовой теории исключает существование истинного небытия. Даже пустая область пространства кишит колебаниями энергетического поля, заставляющими постоянно появляться пары фотонов только затем, что бы они могли уничтожить друг друга. Но! Эти «виртуальные» фотоны могли бы стать реальными, если бы горизонт событий разделил их до того, как они исчезнут. Один фотон упал бы внутрь черной дыры, а другой бы вырвался в космос.

Хокинг показал, что это слабое излучение в конечном итоге заставит черные дыры сжаться и исчезнуть, так как частицы, падающие в них, всегда имеют негативную энергию, истощающую их. Наиболее спорным предположением является то, что исчезновение черной дыры уничтожило бы всю информацию об объектах, попавших в нее. Это противоречит общепринятому мнению о том, что общее количество информации во Вселенной остается постоянным.

В начале 1980-х физик Билл Унру из Университета Британской Колумбии (Канада) предложил способ проверить некоторые из предсказаний Стивена Хокинга. Он представил среду, испытывающую ускоренное движение (наподобие воды, приближающейся к водопаду). Как пловец, достигнувший точки невозврата, в которой он не сможет плыть достаточно быстро, чтобы избежать водопада, звуковые волны, прошедшие точку, за которой «течение» превосходит скорость звука, будут не в состоянии вырваться. Билл Унру показал, что эта точка является эквивалентом горизонта событий и что она должна отображать звуковую форму излучения Хокинга.

Джефф Штайнхауэр, создающий искусственные черные дыры. Credit: Nitzan Zohar

Джефф Штайнхауэр реализовал идею Билла Унру в облаке атомов рубидия, охлажденного практически до абсолютного нуля. Находясь в сигарообразной ловушке в несколько миллиметров, атомы вошли в квантовое состояние, называемое Конденсат Бозе – Эйнштейна (БЭК), в котором скорость звука составляет всего полмиллиметра в секунду. Штайнхауэр создал горизонт событий путем ускорения некоторых атомов до сверхзвуковой скорости в конденсате.

«При своей ультранизкой температуре БЭК подвергается только слабым квантовым флуктуациям, подобным в безвоздушном пространстве, которые производят фононы. Пары фононов будут отделяться друг от друга. Один партнер должен оставаться на сверхзвуковой стороне горизонта, а другой создавать излучение Хокинга», – пояснил Джефф Штайнхауэр.

На одной стороне акустического горизонта событий, где атомы двигались на сверхзвуковых скоростях, фонон попадал в ловушку. И когда Штайнхауэр сфотографировал БЭК, он нашел корреляцию между плотностью атомов, которые находились на одинаковом расстоянии от горизонта событий, но на противоположных сторонах. Это показывает, что пары фононов были запутаны – знак того, что они возникли спонтанно, из одного кванта колебания. Это означает, что БЭК произвел излучение Хокинга. Как реальные черные дыры не черные, акустические дыры Штайнхауэра не совсем тихие. Их звук, если бы он был слышен, напоминал бы статический шум.

«Конечно это новаторский документ. Но это доказательство запутанности кажется незавершенным. Джефф Штайнхауэр продемонстрировал корреляцию только для фононов относительно высоких энергий. Пара фононов с меньшей энергией, возможно, не коррелируется. Также, вполне возможно, могут существовать другие типы колебаний, имитирующие излучение Хокинга», – сказал Ульф Леонхардт, физик из института имени Вейцмана (Израиль).

Также пока неясно, что аналоги могут рассказать о тайнах, окутывающих истинные черные дыры. В отличие от астрофизических черных дыр, в дырах Штайнхауэра информация не теряется, так как масса не испаряется. Тем не менее, если результаты подтвердятся, это станет триумфом Стивена Хокинга.