Зажатые светом волны материи сымитировали черную дыру
И горизонт белой дыры тоже
Физики из США создали резонатор Фабри — Перо для волн материи, обменяв роли света и вещества, и зафиксировали экспоненциальную концентрацию энергии вокруг отдельных траекторий в пространстве-времени. Ученые увидели, как отдельные неподвижные точки, соответствующие этим траекториям, сыграли роль горизонтов черных и белых дыр. Свои наблюдения экспериментаторы подтвердили рассмотрением теоретической модели в терминах стробоскопической эволюции и предложили использовать полученные результаты для сжатия сигналов, мультиплексирования и охлаждения резонаторов. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Это сложное для понимания исследование. Чтобы разобраться в статье по физике, недостаточно просто интересоваться устройством окружающего мира — нужны глубокие знания, в том числе в области обработки данных, программирования и работы с нейросетями. Получить их и превратить интерес в реальные навыки поможет Т-Образование. А если вы только начинаете этот путь или выбираете его для ребенка, первым шагом может стать Московская школа программистов.
Хотите увеличить сложность? Научим.
Оптический резонатор из двух зеркал (он же резонатор Фабри — Перо) стал центральным элементом лазеров, спектрометров и многих современных сенсоров. Его модовую структуру можно настроить, изменив геометрические параметры: например, если заставить зеркала резонатора колебаться, то непрерывное лазерное излучение превратится в высокоэнергичные импульсы. А при переходе в режим сверхсильного возбуждения динамический эффект Казимира обеспечивает экспоненциальный рост энергии — эволюция поля описывается «стробоскопически» (состояния рассматривают в моменты, разделенные периодом модуляции) и подчиняется уравнениям волн в искривленном пространстве-времени. Устойчивые и неустойчивые неподвижные точки такой эволюции играют роль горизонтов белых и черных дыр.
Однако для подобной концентрации энергии теоретические оценки требуют, чтобы скорость зеркала превысила отношение удвоенной скорости света к добротности резонатора, а время достижения такой скорости должно быть порядка отношения удвоенной средней длины резонатора к скорости света. Для лабораторного резонатора это время составляет наносекунды, а необходимое ускорение даже при добротности 1010 единиц превышает земное в миллион раз. Поэтому, несмотря на фундаментальный интерес, резонаторы в таком режиме сверхсильного возбуждения до сих пор не реализовали экспериментально.
Дэвид Уэлд (David M. Weld) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре совместно с коллегами из США поменял местами роли вещества и света в резонаторе, поместив материю из квантового газа в оптическую решетку и придав ей почти релятивистскую дисперсию. Такой прием открыл путь к сверхсильному режиму и позволил увидеть экзотическое поведение траекторий, описав их в терминах стробоскопической эволюции.
В качестве квантового газа экспериментаторы использовали конденсат Бозе — Эйнштейна на основе 7Li, который поместили в оптическую решетку с шагом 532 нанометров — благодаря этому физики заперли вещество между двумя световыми барьерами, которые сыграли роль безмассовых зеркал. Исследователи достигли сверхсильного режима возбуждения с помощью модуляции одного из световых барьеров: средняя длина такого инвертированного резонатора составила 680,7 микрометра, а резонансная частота около 95,1 герца.
При частоте 95,5 герца физики зафиксировали появление одной траектории, при этом разные начальные условия сошлись к этой устойчивой траектории. Авторы представили стробоскопическую эволюцию поля как распространение волн в искривленном пространстве-времени: неустойчивая и устойчивая неподвижные точки сыграли роли горизонтов черных и белых дыр. При удвоенной частоте 191 герц возникли уже две устойчивые траектории, а скачок фазы на π развернул стробоскопическую эволюцию во времени и обменял характер устойчивости.
В итоге авторы работы пришли к выводу, что резонатор для волн материи воспроизвел экзотическую динамику, предсказанную для модулированного оптического резонатора в сверхсильном режиме. Отклонения от простейшей модели исследователи связали с неидеальной линейностью дисперсии и подчеркнули, что полученные результаты могут стать полезными в сжатии сигналов, мультиплексировании, концентрации энергии и охлаждении резонаторов.
Сымитировать черную дыру может не только квантовый газ: мы ранее писали о том, как физики заставили жидкий свет проявить свойства черной дыры с температурой излучения три кельвина.
Реклама: АНО ДПО «Т-Образование», ИНН 7743270426, erid: 2W5zFFwNXe2