Физик зафиксировал излучение Хокинга от аналоговой черной дыры

Джефф Штейнхауэр, физик из Израильского технологического института, зафиксировал самый достоверный на сегодняшний день аналог излучения Хокинга. В эксперименте ученый создал так называемую «глухую дыру» — акустический аналог черной дыры. Наблюдая за ее поведением, физик обнаружил, что на специальной границе, за которую не могут распространяться колебания материи «глухой дыры», рождаются пары квантов колебаний, движущихся в разные стороны. Более того, эти пары оказываются квантово-запутанными.

В отличие от предыдущих экспериментов с аналоговыми черными дырами, «запрещенное» излучение в работе Штейнхауэра возникает самопроизвольно и имеет квантовую природу: оно рождается из флуктуаций вакуума, как и излучение Хокинга. По словам Леонарда Сасскинда, если результат получит подтверждение, то он станет «триумфом Хокинга, как открытие бозона Хиггса стало триумфом для Питера Хиггса и его коллег». Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает редакционный материал Nature.

Традиционное объяснение природы излучения Хокинга связано с флуктуациями вакуума на горизонте событий черной дыры. Это такая область, в которой гравитационное поле объекта оказывается настолько сильным, что даже свет не может ее покинуть. Природа квантовой механики не позволяет существовать идеальному нулевому вакууму — этому мешает принцип неопределенности Гейзенберга. В результате в вакууме непрерывно рождаются и аннигилируют пары виртуальных частиц. Если одна из частиц такой пары окажется затянутой «под» горизонт, то вторая частица станет реальной и покинет черную дыру. При этом эта пара частиц — внутри и снаружи черной дыры — окажется квантово-запутанной.

Излучение Хокинга ведет к тому, что со временем черная дыра испаряется. Причем, чем меньше сверхплотный объект, тем быстрее это произойдет. С этим связан важный парадокс, указывающий на сложность объединения общей теории относительности и квантовой механики — парадокс потери информации. Подробно о нем рассказывал Эмиль Ахмедов в серии интервью N+1 (1, 2). Однако зафиксировать излучение напрямую, от известных кандидатов в черные дыры, невозможно. Оно подобно тепловому излучению, и чем массивнее звезда, тем меньше температура излучения. Так, для черной дыры с массой Солнца температура излучения Хокинга составляет 0,0000001 кельвина — на 7 порядков меньше, чем заполняющее Вселенную реликтовое излучение.

Поэтому для того, чтобы подтвердить существование излучения Хокинга, ученые используют модельные объекты — аналоговые черные дыры. Физики обратили внимание, что при правильной постановке эксперимента волны звука или других колебаний могут вести себя подобно световым волнам вблизи черной дыры.

В роли аналоговых черных дыр выступали как макро-, так и микроскопические системы. К примеру, в 2008 году физики под руководством Ульфа Леонхардта моделировали волны хокинговского излучения с помощью волн в бассейне, распространявшихся против сильного течения. Тогда ученым удалось зафиксировать следы волн, менявших свою частоту с положительной на отрицательную. Позднее та же группа использовала оптические волокна с нелинейными свойствами для тех же целей.

Автор новой работы, Джефф Штейнхауэр, пошел дальше и применил для моделирования горизонта событий конденсат Бозе-Эйнштейна из охлажденных до сверхнизких температур атомов рубидия. Эксперименты со звуковыми аналогами черных дыр — «глухими дырами» — физик начал еще в 2009 году.

В основе работ лежит следующая идея: скорость распространения звука в охлажденном облаке атомов рубидия очень мала — порядка полмиллиметра в секунду. Если создать границу, слева от которой атомы движутся со дозвуковой скоростью, а справа ускоряются, переходя на сверхзвуковую скорость, то она будет играть роль горизонта событий. В такой ситуации кванты коллективных колебаний холодных атомов — фононы — будут захватываться областью со сверхзвуковой скоростью, аналогично фотонам, захватываемым черной дырой.

В газе, охлажденном до долей кельвина, основным источником фононов являются флуктуации вакуума — колебания, рождающиеся при этом, являются виртуальными и гасят друг друга. Однако пары фононов, рожденные флуктуацией на аналоговом горизонте событий, могут оказаться разорваны. В результате этого возникают реальные фононы в сверхзвуковой и дозвуковой областях. Фонон в дозвуковой области и играет роль излучения Хокинга.

Штейнхауэр фиксировал фононы в облаке холодных атомов и анализировал возможную взаимосвязь между ними. Оказалось, что между поведением атомов, находившихся на одинаковых расстояниях от «горизонта», существовали корреляции. Это, по словам автора, указывает на квантовую запутанность между фононами.

Как отмечает Ульф Леонхардт, несмотря на значимость работы, израильский физик показал запутанность лишь между фононами высоких энергий, в то время как пары с низкими энергиями, по всей видимости, не коррелируют. По словам эксперта, если использованные холодные атомы не формировали истинного Бозе-Эйнштейновского конденсата, то вклад в поведение могли внести и другие процессы.

Существование аналога излучения Хокинга у аналоговой черной дыры не означает, что и у астрофизических черных дыр есть такое же свойство. Единственная возможность зафиксировать излучение напрямую — наблюдение миниатюрных черных дыр, существовавших в ранней Вселенной. Исследование аналогового излучения может дать подсказки о свойствах черных дыр, которые нельзя измерить напрямую. 

Интересно, что Штейнхауэр работал над экспериментом в одиночку. Как рассказывает физик, он не стремился к этому, но, вероятно, его лаборатория пользуется репутацией места, в котором сложно работать. По словам ученого, у лаборатории из одного человека есть и свои преимущества: можно ежедневно, на протяжении всего дня, уделять время только одному важному проекту.

Владимир Королёв