Сверхизлучение черных дыр увидели в обычных водоворотах

Физики из Бразилии, Канады и Великобритании обнаружили, что водовороты на поверхности воды могут усиливать проходящие через них волны. Точный механизм такого усиления непонятен — он может быть связан как с рассеянием, так и захватом водоворотом части волн отрицательной энергии. Похожий эффект в черных дырах — сверхизлучение, усиление света, падающего на вращающуюся черную дыру, — был предсказан Яковом Зельдовичем в 1971 году. Водовороты могут оказаться хорошими модельными объектами для изучения этих явлений. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко о нем сообщает Physics World.

Когда волна встречается с препятствием происходит рассеяние: частично волна отражается, частично — проходит мимо препятствия. Если при этом препятствие вращается, то в теории рассеиваемая волна может увеличить свою энергию за счет вращательной энергии препятствия. До сих пор это явление не наблюдалось экспериментально. 

В 1971 году подобное рассеяние с увеличивающейся энергией описал Яков Зельдович. Физик указал, что быстро вращающаяся металлическая сфера может вынужденно и спонтанно испускать электромагнитные волны. Более того, источником частиц может быть и вращающаяся керровская черная дыра — этот неожиданный факт стал итогом дискуссии Зельдовича с Кипом Торном. Позднее, в 1974 году Стивен Хокинг развил этот результат и показал теоретически существование излучения черных дыр, получившего название излучения Хокинга. Его существование, по мнению ряда физиков, является источником парадокса потери информации.

Авторы новой работы впервые увидели эффект усиления волн на вращающемся препятствии. Эксперимент был устроен следующим образом: в прямоугольную емкость наливали небольшое количество воды, в центре открывали отверстие и включали поток воды. Регулируя приток и отток физики добивались постоянного уровня воды в сосуде. Над отверстием возникал водоворот, к которому с одного из концов емкости направляли волны. 

Исследователи анализировали трехмерную форму волн, возникающих после рассеяния на водовороте. Оказалось, что при некоторых условиях: большой частоте падающих волн и быстром вращении водоворота, наблюдалось увеличение энергии рассеянных волн — прирост составил до 14 процентов.

Физики указывают, что точный механизм этого прироста неизвестен, однако он может быть связан с волнами отрицательной энергии. Эти объекты могут возникать в неравновесных средах — например, плазме или жидкости. Отрицательность энергии означает, что если рассмотреть среду с волной и без волны, то окажется, что полная энергия среды с волной меньше, чем у невозмущенной среды. Подобные отрицательные волны могут поглощаться или захватываться водоворотом, что приводит к увеличению энергии системы. 

Водовороты могут оказаться примером аналоговых черных дыр — объектов, частично описывающихся теми же законами, что и настоящие черные дыры. Ранее в качестве аналоговых черных дыр физики рассматривали поведение волн в бассейне, движущихся против сильного течения, оптоволоконные нелинейные системы и бозе-эйнштейновские конденсаты. В последних (они еще называются «глухие дыры») в прошлом году удалось зафиксировать аналог излучения Хокинга.

Владимир Королёв