Стивън Хокинг беше прав: черните дупки могат да се изпарят, показва ново изследване

През 1974 г. Стивън Хокинг прави една от най-известните си прогнози: че черните дупки в крайна сметка напълно се изпаряват и изчезват.

Според теорията на Хокинг черните дупки не са напълно „черни“, а всъщност излъчват частици. Това излъчване, вярва Хокинг, би могло евентуално да изтръгне достатъчно енергия и маса от черните дупки, за да ги накара в крайна сметка да изчезнат. Тази теорията е широко приемана за истина, но е почти невъзможна за доказване.

Сега за първи път физици доказаха това неуловимо излъчване на Хокинг – поне в лабораторни условия. Въпреки че радиацията на Хокинг е твърде слаба, за да бъде открита в космоса от настоящите инструменти с които разполагат учените, физици вече са демонстрирали това излъчване в аналог на черна дупка, създадена с помощта на звукови вълни и едно от най-студените неща във Вселената – хипер изстуден газ.

Черните дупки упражняват такава невероятно мощна гравитационна сила, че дори един фотон, който пътува със скоростта на светлината, не може да избяга. Макар вакуумът на пространството обикновено да е смятан за напълно празен, квантовата механика диктува, че вместо това вакуумът е изпълнен с виртуални частици, които се вмъкват и излизат от съществуване в двойки материя-антиматерия. Частиците антиматерия имат същата маса, както и техните партньори – частиците материя, но с обратен електрически заряд.

Обикновено, след като се появи чифт виртуални частици, те веднага се самоунищожават. Около черната дупка обаче, екстремните сили на гравитацията вместо това, разделят двойката частици, като едната частица бива абсорбирана от черната дупка, докато другата се изстрелва в космоса. Абсорбираната частица има отрицателна енергия, която намалява енергията и масата на черната дупка. Когато погълне достатъчно от тези виртуални частици, черната дупка евентуално ще се изпари. Излъчваните частици са известни като радиация на Хокинг.

Тази радиация е достатъчно слаба, за да не е възможно да я наблюдаваме в космоса, но физиците са измислили много креативни начини да я измерват в лаборатория.

Физикът Джеф Щайнхауер и негови колеги от Технологичния институт в Хайфа, Израел, използват хипер изстуден газ, наречен „кондензат на Бозе-Айнщайн“, за да моделират хоризонта на черна дупка – невидимата граница, отвъд която нищо не може да избяга, хванато от гравитацията. В течащ поток от този газ те поставят скала, създавайки „водопад“ от газ. Когато газът тече по водопада, той превръща достатъчно потенциална енергия в кинетична енергия, за да тече по-бързо от скоростта на звука.

Вместо частици материя и антиматерия, изследователите са използвали двойки фонони или квантови звукови вълни в газовия поток. Във физиката на твърдото тяло фононът описва квантово трептене. Въпреки че този режим на трептене има вълнов характер, от гледна точка на квантовата механика те проявяват и свойства на частица. Фононите са вид бозони. Фононът на бавната страна може да се движи срещу потока на газа, далеч от „водопада“, докато фононът на бързата страна не може, защото е заловен от „черната дупка“ от свръхзвуков газ.

„Това е като да се опитваш да плуваш срещу течение, което е по-бързо, отколкото можеш да плуваш“, казва Щайнхауер. „Ще се чувствате, че вървите напред, но всъщност се връщате назад. И това е аналогично на фотон в черна дупка, който се опитва да се измъкне от черната дупка, но гравитацията го тегли обратно.

Хокинг прогнозира, че излъчваните частици ще бъдат в непрекъснат спектър от вълни с различни дължини и енергии. Той също така казва, че може да се опише с една единствена температура, която зависи само от масата на черната дупка. Неотдавнашният експеримент в звуковата черна дупка, потвърди и двете предсказания.

„Това е много прецизен експеримент. В експерименталната страна, Джеф Щайнхауер е в момента наистина водещ в света експерт в използването на студени атоми за изследване на физиката на черната дупка“, казва Реуд Парентани, теоретичен физик в Laboratoire de Physique Théorique, към университета Париж-Сюд. Парентани не е участвал в новото проучване.

Парентани обаче подчертава, че това изследване е само „една стъпка от дълъг процес“. По-специално, това изследване не показва, че двойките фонони са корелирани на квантово ниво, което е друг важен аспект на предсказанията на Хокинг.

„Историята ще продължи – казва Парентани. „Това изобщо не е краят“.

Публикувано в Live Science.