Штучна чорна діра симулює випромінювання Гокінга за допомогою звукових частинок.
Чорні діри - серця спіральних галактик - не перестають інтригувати дослідників. Вони мають таку сильну гравітацію, що навіть фотони - елементарні частинки, які переносять світло і електромагнітне випромінювання, - не можуть їх покинути.
Поверхня чорної діри визначається горизонтом подій: ніщо не може покинути дірку після перетину цієї поверхні. Концепція чорних дір розбурхує розуми фізиків-теоретиків вже близько 50 років, але досі багато питань про те, як вони влаштовані, залишаються нерозв'язаними.
У 1973 році Беркенштейн припустив, що чорні діри мають свою «термодинаміку», в якій роль температури і ентропії (ступеня хаотичності системи, яка повинна безперервно зростати, згідно з другим законом термодинаміки) відіграють гравітація і площа поверхні. Звідси випливає, що у чорної діри повинна бути температура, а раз є температура, то повинно бути і випромінювання, що йде врозріз з концепцією горизонту подій. Стівен Гокінг знайшов пояснення протиріччю, використовуючи квантову теорію поля, після чого парадоксальне випромінювання стали називати його ім'ям.
Справа в тому, що у фізичному вакуумі постійно народжуються і анігілюють флуктуації різних полів, і в деяких випадках це означає виникнення пари частинка-античастинка. Якщо така пара з'явиться поблизу горизонту подій, то одна частинка може «полетіти» до передбачуваного спостерігача, а інша «проскочити» всередину діри за рахунок квантового тунелювання (див.
Частинка, що полетіла, володіє позитивною енергією, отже, за законом збереження енергії друга частинка повинна володіти негативною енергією. У результаті енергія (тобто маса) чорної діри повинна зменшитися. Хокінг показав, що спектр випромінювання частинок першого типу схожий на спектр випромінювання абсолютно чорного тіла (ідеалізована фізична модель, яка зіставляє спектр випромінювання і температуру об'єкта, що поглинає весь спектр електромагнітного випромінювання), і йому повинна відповідати температура, назад пропорційна масі діри. Сучасні технології не дозволяють виміряти випромінювання Гокінга: чорні діри занадто масивні, а отже, випромінювання занадто слабке.
Фізики, як часто буває в таких випадках, йдуть в обхід і шукають спосіб змоделювати випромінювання Гокінга, такий собі симулятор чорної діри. Вже кілька років Джефф Штейнхауер з Ізраїльського технологічного інституту - Техніона працює над таким експериментом поодинці. Це заслуговує окремої згадки, тому що подібний стиль роботи - велика рідкість у світі сучасної експериментальної фізики, де над експериментами зазвичай працює ціла команда зі студентів, аспірантів і більш досвідчених дослідників. Кілька років тому з'явилися перші результати роботи Штейнхауера, а його нова стаття досліджує характеристики штучного випромінювання Гокінга.
«Земна» версія чорної діри являє собою установку для створення конденсату Бозе-Ейнштейна. У такому агрегатному стані можуть перебувати тільки бозони - частинки зі спином рівним 1, наприклад, фотони або протони, а також деякі атоми.
Бозонам «можна» знаходиться в одному і тому ж квантовому стані, тобто вони не підкоряються забороні Фермі. Бозони конденсуються при температурі, дуже близькій до абсолютного нуля (-273.15 ° C), і квантові ефекти тут проявляються на макроскопічному рівні. В експеримент Штейнхауера атоми рубідію зібрані в пастку і охолоджені приблизно до 170 нК (див. ризи.2). Атоми в конденсаті майже нерухомі, тому швидкість звуку в такому середовищі становить всього 0.5 мм/с.
Чому ми заговорили про швидкість звуку? Фонони - частинки, що відповідають звуковим коливанням (як фотони відповідають світлу), відіграють роль флуктуацій у вакуумі біля горизонту подій чорної діри. Акустичний еквівалент горизонту подій створено за допомогою лазера: він змушує атоми в пастці коливатися швидше, ніж швидкість звуку.
Фонони з тієї частини конденсату, де атоми коливаються з надзвуковою швидкістю, не можуть перейти в «спокійну» частину, тому що не можуть обігнати коливання, викликані лазером в конденсаті (див. ризи.3). В якості аналогії можна уявити собі річку з рухомою заслінкою, яка жене воду в одному напрямку. Хвилі, що йдуть по воді в зворотному напрямку, не можуть «перегнати» загальну масу води. Втім, у фононів є важлива відмінність: вони підкоряються законам квантового світу і можуть тунелювати через «горизонт подій», тим самим імітуючи випромінювання Гокінга в справжній чорній дірі. Виходить, що штучну чорну діру можна почути!
З'ясувалося, що створене таким чином випромінювання Гокінга підпорядковується термодинамічному розподілу з температурою близько 1 нК. Більш того, виявилося, що у високоенергетичній частині спектру фонони по «різні боки» чорної діри заплутані.
Це суперечить сучасному розумінню горизонту подій, і вказує на те, що напівкласичний підхід до моделювання чорної діри не дозволяє парадоксу з втратою інформації за межами горизонту подій («випаровування» чорної діри за рахунок випромінювання Гокінга порушує постулат про збереження інформації про квантовий стан об'єктів). Повністю нові дані описані в статті в Nature і в препринті статті на сайті arXiv.org.
Складно сказати однозначно, наскільки результати експерименту можна порівняти з тим, що відбувається поблизу горизонту подій справжньої чорної діри. Фізики з усього світу все ще сперечаються про вірність даного підходу. Також можна поставити під сумнів деякі технічні аспекти експерименту і висновки, наступні зі спостережень.
Однак не можна не визнати, що дослідження штучних чорних дір, подібні до тих, які проводить Джефф Штейнхауер, допомагають впоратися з суперечностями між різними теоріями, що описують фізику чорних дір, і дозволяють зробити ще один крок до непротиворечивого об'єднання квантової теорії поля і теорії гравітації.