Имитация на черна дупка демонстрира лъчение на Хокинг

Черните дупки са препъникамък в споровете на астрофизиците за законите на квантовата механика и релативизма.

От гледна точка на теорията на Айнщайн черната дупка се явява безкрайно плътен обект с практически абсолютна гравитация.

Поради това нищо не може да напусне хоризонта на събитията на черната дупка – условна граница, отвъд пределите на която не може да излезе дори светлината или информацията.

Квантовата механика гласи, че съществуването на такива обекти противоречи на фундаменталните закони на Вселената, а това значи, че черните дупки трябва да работят по друг начин.

Известният привърженик на квантовата механика – британският космолог Стивън Хокинг, е разработил собствен модел, обясняващ природата на черните дупки и техните взаимодействия с Вселената. На негово име е наречен феноменът лъчение на Хокинг – поток частици, който периодично напуска пределите на черната дупка.

За да възпроизведат в рамките на експеримент поява на лъчение на Хокинг, учените създали в лаборатория имитация на черна дупка. Както става ясно от статия в изданието Nature Physics, в модела протича улавяне на звукови вълни с помощта на ултрастудена течност.

Лъчението на Хокинг се опира на основния принцип на квантовата космологична теория – за кратък период от време може да протекат големи колебания на енергия. Това означава, че космическият вакуум не се явява пуст, както ни се струва, а е изпълнен с частици и техните античастици (единици материя), които бързо се появяват и също толкова бързо изчезват, като анихилират при сблъсък помежду си.

Но на хоризонта на събитията на черната дупка анихилация не протича – от двойките частица–античастица тази, която е по-близо до черната дупка, попада в нея, а тази, която е по-далече, се изхвърля обратно в Космоса.

Този сценарий помирява ОТО с квантовата механика, или поне в рамките на описанието на черните дупки. Но досега никой не е успял да открие експериментално потвърждение на правотата на Хокинг.

Джеф Щайнхауер, физик от Израелския технологичен институт в Хайфе, решил да предостави първото експериментално доказателство за лъчението на Хокинг. Неговата работа отнела пет години и засега експериментаторите са много доволни от своите резултати.

Заедно с колеги Щайнхауер провел опит, в който използвал облак от рубидиеви атоми, охладени малко над абсолютната нула. При такава температура атомите са плътно опаковани и започват да се държат като единен течен квантов обект, който се манипулира значително по-лесно от обикновените частици.

Ниската температура гарантира също, че течността, известна като кондензат на Бозе–Айнщайн, ще осигури „безшумна“ среда за протичане на звуковите вълни, възникващи в хода на квантовите флуктуации. Това означава, че възможността за фонови ефекти е сведена до минимум.

Използвайки лазери, физиците накарали „течния“ облак от ултрастудени атоми да тече по-бързо от скоростта на звука. В същото време звуковите вълни, идващи срещу „течението“, се оказвали хванати в капан (както човек, плуващ срещу течението, сякаш остава на място) – така кондензатът изиграл ролята на хоризонт на събитията на черна дупка.

Двойките звукови вълни, появяващи се и изчезващи в лабораторния вакуум, имитирали двойки частица–античастица, възникващи и пропадащи в космическия вакуум близо до черната дупка. И тези вълни, които се оказвали зад пределите на този „звуков“ хоризонт на събитията, имитирали частиците, напускащи пределите на черната дупка – тоест лъчението на Хокинг.

За да направят звуковите вълни достатъчно мощни, за да могат да ги улавят детекторите, Щайнхауер и колегите му създали втори звуков хоризонт на събитията вътре в първия, регулирайки течността по такъв начин, че звуковите вълни да не могат да преминат през втория хоризонт на събитията и да отскокват назад.

Когато звуковите вълни нееднократно се сблъсквали с външния хоризонт на събитията, те създавали двойки, усилвайки лъчението на Хокинг толкова, че ефектът да може да се регистрира с детектори.

Изследователите, запознати с работата на Щайнхауер и неговия екип, се съмняват, че обект, създаден в лаборатория, може пълноценно да имитира космическите черни дупки. И все пак първото потвърждение на квантовомеханичните ефекти с черна дупка, макар и изкуствена, според физиците са важна крачка в експерименталната космология.

В близко време Щайнхауер планира да завърши своята работа над технологията на изследването на изкуствената черна дупка без усилване на звуковите вълни. Това ще позволи да се реши старият парадокс с изчезването на информацията в черната дупка.