Ученые создали акустическую черную дыру в лаборатории, подтвердив теорию Стивена Хокинга

Физики в Израиле изобрели аналог черной дыры - только вместо того, чтобы быть гравитационным фортексом, не позволяющим свету выходить, этот конкретный объект представляет собой звуковую черную дыру, которая не позволяет звуковым волнам уходить. В процессе исследователи измерили давно теоретизированное излучение Хокинга, что имело важные последствия для физики.

Черная дыра - это область пространства-времени, где гравитация действует настолько сильно, что даже свет не может выйти, когда он пересекает точку невозврата, известную как горизонт событий, - но вы, вероятно, уже это знали. Что может быть новым для вас, так это то, что почти 50 лет назад Стивен Хокинг предложил более тонкую точку зрения, согласно которой черные дыры также могут генерировать свет.

По словам Хокинга, черные дыры могут спонтанно испускать фотоны на горизонте событий благодаря кратковременным квантовым флуктуациям, известным как виртуальные частицы. Несмотря на свое название, виртуальные частицы действительно являются настоящими частицами - просто они появляются и исчезают на мгновение.

Виртуальные частицы появляются парами и в подавляющем большинстве случаев аннигилируют друг друга практически сразу. Однако, если они появляются поблизости от черной дыры, Хокинг предположил, что одна частица в паре может быть поглощена черной дырой, а другая улетит в космос.

Этот поток частиц известен как стационарное излучение Хокинга, но, поскольку это явление настолько тонкое, наши инструменты практически не могут его обнаружить. Но, если подумать нестандартно, можно понять это неуловимое космическое явление.

Чтобы изучить излучение Хокинга, ученые из Израильского технологического института Техниона разработали в лаборатории уменьшенную версию черной дыры или ее аналог. Пример аналога черной дыры можно найти в вашем собственном доме: водоворот в ванной. Водоворот, стекающий в канализацию, можно сравнить с образованием материи в виде черной дыры, но физики в Израиле использовали не это.

Вместо этого команда охладила 8000 атомов рубидия почти до абсолютного нуля и зафиксировала их на месте с помощью лазерного луча. Этот почти статичный газ находился в экзотическом состоянии вещества, известном как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК), в котором атомы становятся настолько плотно упакованными, что ведут себя как один суператом, действуя в унисон.

Второй лазерный луч создал поток потенциальной энергии, который заставил газ BEC течь, как вода, устремляющаяся вниз по водопаду. Граница между областью, где одна половина газа течет быстрее скорости звука, а другая половина течет медленно, была горизонтом событий звуковой черной дыры.

Вместо пар фотонов, спонтанно образующихся в газе, исследователи искали пары фононов - частицы квантовой звуковой волны. Фононы в более быстрой половине газового потока, за горизонтом событий, задерживаются скоростью текущего газа. Так же, как в черной дыре, которая захватила световые частицы, пересекающие горизонт событий, фонон не может вернуться на другую сторону звукового горизонта событий черной дыры.

Физикам под руководством профессора Джеффа Штайнхауэра потребовалось 97 000 повторений этого эксперимента в течение 124 дней подряд, чтобы подтвердить излучение Хокинга. К счастью для них, их терпение окупилось.

«Экспериментальные результаты профессора Штайнхауэра имеют большое значение и интерес», - говорится в заявлении профессора Амоса Ори, эксперта по общей теории относительности и черным дырам из отдела физики Техниона.

«Штайнхауэр измеряет стационарное излучение Хокинга, испускаемое звуковой черной дырой, в соответствии с теоретическим предсказанием Хокинга. Это дает очень значительную экспериментальную поддержку анализу Хокинга, который впервые в экспериментах Штайнхауэра получил экспериментальное одобрение».

Эксперименты также выявили новые идеи, которые не были предсказаны при жизни Хокинга. Через некоторое время излучение, испускаемое системой, стало усиливаться. Вероятно, это связано с развитием стимулированного излучения после образования внутреннего горизонта, объяснили физики в журнале Nature Physics .

«Наша новая долгосрочная цель, - пишет Штайнхауэр, - состоит в том, чтобы увидеть, что произойдет, если выйти за рамки приближений, используемых Хокингом, в которых излучение Хокинга является квантовым, а пространство-время - классическим. Другими словами, мы должны принять во внимание, что аналогичная черная дыра состоит из точечных атомов».