Лабораторные черные дыры помогают физикам рассмотреть квантовую вселенную

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.



загрузка...

Читайте також

Коментарі