Чёрные дыры на самом-то деле не чёрные. В том смысле, что они не только поглощают, но и источают свет. Считается, что эти "гравитационные приёмники" испускают излучение. В результате они постепенно уменьшаются в размерах, а со временем и вовсе могут исчезать. Это явление — одно из самых необычных теоретических "предсказаний" знаменитого астрофизика Стивена Хокинга, сделанное более 40 лет назад. Однако не все учёные согласны с этой гипотезой.
После семи лет исследований физик-экспериментатор Джефф Штайнхауэр (Jeff Steinhauer) из Израильского технологического института добился создания искусственной чёрной дыры (в лабораторных условиях). Которая, по всей видимости, испускает то самое излучение Хокинга из-за квантовых флуктуаций, возникающих в экспериментальной установке учёного. Как это возможно? Расскажем чуть позже, а пока проясним краткую историю вопроса.
Хокинг в середине 1970-х годов обнаружил, что горизонт событий чёрной дыры – поверхность, из-за пределов которой ничего (даже свет) "убежать" не в состоянии – должен обладать своеобразными последствиями для физики.
Его отправной точкой была мысль, что случайность квантовой теории исключает существование истинного небытия. Даже в пустой области пространства "кишат" колебания энергетического поля, заставляющие пары фотонов постоянно появляться и исчезать. То есть даже полный вакуум нельзя считать абсолютно пустым пространством. При этом "виртуальные" фотоны могли бы становиться вполне реальными частицами, если бы горизонт событий разделял их пары прежде, чем они взаимно уничтожали друг друга. Один фотон упал бы внутрь горизонта событий, а другой вырвался бы в космос.
Проведя все необходимые теоретические обоснования этого процесса, Хокинг показал, что чёрные дыры испускают слабое излучение и в конечном итоге "сжимаются" и исчезают, поскольку частицы, падающие внутрь горизонта событий, всегда имеют отрицательную энергию, что истощает чёрные дыры.
Отметим, что не столько само "испарение" чёрных дыр является наиболее спорным моментом гипотезы Хокинга. Физиков куда больше смущает, что исчезновение чёрной дыры означало бы уничтожение всей информации об объектах, которые в своё время попали в неё. Этому противоречит общепринятое мнение о том, что общее количество информации во Вселенной остаётся постоянной.
Несколько лет спустя после публикации гипотезы Хокинга канадский физик Уильям Унру из Университета Британской Колумбии предложил один из способов проверить некоторые предсказания Хокинга.
Он описал среду, в которой происходило бы некоторое ускоренное движение. Например, как при изменении скорости течения воды при приближении к водопаду. Точно так же как и пловец, достигший точки, в которой он не сможет плыть достаточно быстро, чтобы спастись от водопада, звуковые волны, прошедшие такую точку невозврата в представленной среде будут не в состоянии двигаться против "течения".
Унру предсказал, что эта точка будет являться эквивалентом горизонта событий и что, создав такую систему, мы получим звуковую версию излучения Хокинга.
Штайнхауэр реализовал идею Унру в облаке атомов рубидия, которое учёный охладил практически до абсолютного ноля температур. Атомы, заключённые в сигарообразной ловушке, вошли в квантовое состояние, которое учёные называют конденсатом Бозе–Эйнштейна (БЭК). При таком состоянии скорость звука составляет всего половину миллиметра в секунду. Физик создал в нём искусственный "горизонт событий", ускорив атомы так, чтобы некоторые из них перемещались в конденсате со сверхзвуковой скоростью.
При своей невероятно низкой температуре БЭК подвергается только слабым квантовым флуктуациям, подобным тем, что существуют в безвоздушном пространстве. И они должны производить так называемые фононы (квазичастицы звука/колебаний), как вакуум производит фотоны (частицы света), говорит Штайнхауэр. Участники процесса должны разделяться: один должен оставаться на сверхзвуковой стороне "горизонта событий", другой формировать то самое "излучение Хокинга".
В итоге, когда физик "сфотографировал" БЭК, он зафиксировал прямое соотношение между плотностью атомов, которые были на одинаковом расстоянии от "горизонта событий", но на противоположных его сторонах. Это говорит о том, что пары фононов были спутаны – признак того, что они возникли спонтанно и из одного кванта колебаний, говорит Штайнхауэр. Он добавляет, что это означает, что его БЭК произвёл искусственное излучение Хокинга.
Без всяких сомнений, это новаторская научная работа, говорит физик из Института Вейцмана Ульф Леонхардт (Ulf Leonhardt), который работает в другом направлении в попытках продемонстрировать этот эффект. Но, по его словам, свидетельства о запутанности кажутся незавершёнными, поскольку Штайнхауэр продемонстрировал корреляцию только для фононов относительно высоких энергий. То есть, вполне вероятно, что пары фононов с меньшей энергией не соотносятся между собой.
По словам специалистов, излучение Хокинга практически невозможно наблюдать у настоящей чёрной дыры, и предыдущие эксперименты с искусственными чёрными дырами не показали никаких подобных следов этого явления. Продвинуться в этом вопросе удалось только Штайнхауэру (он и ранее проводил эксперименты такого рода, однако имитация чёрной дыры была другой).
По его мнению, искусственные аналоги чёрных дыр могут помочь разрешить некоторые дилеммы, связанные с этим явлением, в том числе и так называемым информационным парадоксом чёрных дыр, и, вероятно, укажут путь к объединению квантовой механики с теорией гравитации.
Другие физики были очень впечатлены результатами исследования, но, предупреждают они, выводы пока до конца не проверены. Кроме того, многие сомневаются, что лабораторные аналоги космических "монстров" помогут лучше узнать природу настоящих чёрных дыр.
"Этот эксперимент действительно удивителен, но он не доказывает, что излучение Хокинга существует вокруг астрофизических чёрных дыр", — говорит Зильке Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner), физик из Ноттингемского университета.
У учёных есть ещё много вопросов относительно выводов исследования Штайнхауэра, однако ясно одно: если результаты будут подтверждены, то это может означать настоящий триумф Хокинга (и Штайнхауэра).
Исследование опубликовано в научном издании Nature Physics.
