Созданная в лаборатории искусственная черная дыра используется для исследования излучения Хокинга
Черные дыры, вероятно, являются самыми загадочными объектами во Вселенной. Они настолько компактны, что ни один объект или излучение не могут избежать их гравитационного поля. Но Стивен Хокинг в 1974 году предсказал, что каждая черная дыра должна испускать крошечное количество теплового излучения из-за небольших квантовых флуктуаций вокруг горизонта событий. Однако "излучение Хокинга" никогда не было обнаружено. Команда из Амстердамского университета нашла способ воспроизвести это излучение в лаборатории с помощью искусственных черных дыр.
Понимание черных дыр необходимо для выяснения самых фундаментальных законов Вселенной. Они представляют собой пределы двух непримиримых теорий, а именно: общей теории относительности, которая описывает гравитацию как проявление искривления пространства-времени, создаваемого массивными объектами, и теории квантовой механики, которая описывает поведение атомов и частиц. Полное описание черных дыр потребует объединения этих двух теорий с помощью теории квантовой гравитации. Это позволило бы понять явления, связанные с большим количеством материи или энергии в малых пространственных измерениях.
Чтобы приблизиться к этой гипотетической теории, ученых интересует горизонт событий черных дыр, граница, от которой уже невозможно убежать. Хотя Стивен Хокинг предсказал, что из этой зоны будет выходить небольшое количество теплового излучения, оно так и не было обнаружено. Причина этого заключается в том, что теоретически излучение слишком слабое, чтобы его можно было обнаружить с помощью современных технологий, и оно было бы неотличимо от излучения, исходящего от всех других космических объектов. Поэтому исследователи сосредоточились на механизме этого излучения, пытаясь воспроизвести его в лабораторных условиях.
Цепочка атомов для моделирования горизонта черной дыры
"Мы хотели использовать мощные инструменты физики конденсированного состояния вещества, чтобы исследовать недоступную физику этих невероятных объектов - черных дыр", — объясняет Лотте Мертенс, аспирант теоретической физики Амстердамского университета и первый автор , описывающего эксперимент.
Для достижения своей цели Мертенс и его коллеги изучили модель, основанную на одномерной цепочке атомов, в которой электроны могут "прыгать" с одного атомного узла на другой. Регулируя легкость, с которой электроны могут переходить из одного места в другое, исследователи смогли смоделировать искажение пространства-времени из-за присутствия черной дыры: при правильном изменении вероятности прыжка по цепочке электрон движется от одного конца до другого вел себя точно так же, как кусок материи, приближающийся к горизонту черной дыры.
Заставив часть цепочки упасть над смоделированным горизонтом событий, команда зафиксировала скачок температуры внутри цепочки - в соответствии с тепловым излучением, предсказанным Хокингом.
Эффект квантовой запутанности между частицами по обе стороны горизонта?
Исследование этого искусственного горизонта позволило получить несколько важных сведений о физике черных дыр. Во-первых, тот факт, что смоделированное излучение Хокинга является тепловым (т.е. система имеет фиксированную температуру) только при определенном выборе пространственного изменения вероятности скачка, позволяет предположить, что истинное излучение Хокинга также может быть чисто тепловым при определенных условиях, объясняют исследователи.
Более того, излучение возникало только тогда, когда в исходной модельной системе не было пространственного изменения вероятности прыжка, имитирующего "плоское" пространство-время без горизонта, до преобразования в систему, содержащую искусственную черную дыру. Поэтому для возникновения излучения Хокинга необходимо изменение деформации пространства-времени (из-за гравитации) или изменение того, как наблюдатель, наблюдающий это излучение, воспринимает эту деформацию.
Наконец, излучение требует, чтобы часть цепи существовала за искусственным горизонтом. Это может означать, что существование излучения Хокинга тесно связано с запутанностью между частицами по обе стороны горизонта.
Эта модель горизонта, очевидно, не привела к созданию теории квантовой гравитации, но это отличный способ изучить возникновение излучения Хокинга. Более того, поскольку модель настолько проста, она может быть реализована в широком диапазоне экспериментальных установок. "Введение черных дыр в лабораторию может приблизить нас к пониманию взаимодействия между гравитацией и квантовой механикой и поставить нас на путь к созданию теории квантовой гравитации", — заключает команда.