В 1974 году доктор Стивен Хокинг выдвинул тревожную теорию, согласно которой черные дыры испаряются. Теперь, 40 лет спустя, исследователь объявил о создании симуляции излучения Хокинга в лабораторных условиях.
Возможность появления черной дыры возникла из теории общей теории относительности Эйнштейна. Карл Шварцшильд в 1916 году был первым, кто осознал возможность гравитационной сингулярности с окружающей ее границей, при которой входящий свет или материя не могут вырваться.
В этом месяце Джефф Штайнхауэр из Техниона - Израильского технологического института, в своей статье «Наблюдение за самоусиливающимся излучением Хокинга в аналоговом лазере с черной дырой» в журнале «Природа» описывает, как он создал аналоговый горизонт событий с использованием вещества. охлаждали до почти абсолютного нуля и с помощью лазеров удалось обнаружить излучение Хокинга. Может ли это быть первым достоверным доказательством существования радиации Хокинга и, следовательно, решить судьбу всех черных дыр?
Это не первая попытка создания аналога излучения Хокинга в лаборатории. В 2010 году был создан аналог из блока стекла, лазера, зеркал и охлаждаемого детектора (Phys. Rev. Letter, Sept 2010); дым не сопровождал зеркала. Сверхкороткий импульс интенсивного лазерного излучения, проходящего через стекло, вызывал возмущение показателя преломления (RIP), которое функционировало как горизонт событий. Был замечен свет, исходящий от RIP. Тем не менее, результаты F. Belgiorno et al. остаются противоречивыми. Больше экспериментов все еще оправдано.
Последняя попытка воспроизвести излучение Хокинга по Штайнхауэру использует более высокотехнологичный подход. Он создает конденсат Бозе-Эйнштейна, экзотическое состояние вещества при температуре, близкой к абсолютному нулю. Границы, созданные внутри конденсата, функционировали как горизонт событий. Однако, прежде чем углубляться в детали, давайте сделаем шаг назад и рассмотрим, что Штейнхауэр и другие пытаются воспроизвести.
Рецепт создания радиации Хокинга начинается с черной дыры. Подойдет черная дыра любого размера. Теория Хокинга гласит, что более мелкие черные дыры будут излучать быстрее, чем более крупные, и при отсутствии материи, попадающей в них - аккреция, будет «испаряться» гораздо быстрее. Гигантские черные дыры могут испаряться радиацией Хокинга дольше, чем в миллион раз больше нынешнего возраста Вселенной. Подобно шине с медленной утечкой, большинство черных дыр приведет вас к ближайшей ремонтной станции.
Итак, у вас есть черная дыра. У него есть горизонт событий. Этот горизонт также известен как радиус Шварцшильда; свет или материя, попадающие в горизонт событий, никогда не смогут проверить Или так это было общепринятым пониманием, пока теория доктора Хокинга не перевернула его. А за горизонтом событий - обычное пространство с некоторыми оговорками; рассмотреть это с добавлением некоторых специй. На горизонте событий сила гравитации от черной дыры настолько велика, что она вызывает и усиливает квантовые эффекты.
Все пространство - внутри нас и окружающих нас до концов Вселенной включает в себя квантовый вакуум. Повсюду в космическом квантовом вакууме пары виртуальных частиц появляются и исчезают; немедленно уничтожать друг друга в чрезвычайно короткие сроки. В экстремальных условиях на горизонте событий материализуются пары виртуальных частиц и античастиц, такие как электрон и позитрон. Те, которые кажутся достаточно близкими к горизонту событий, могут иметь одну или другую виртуальную частицу, захваченную гравитацией черных дыр, оставляя только одну частицу, которая, следовательно, теперь может свободно добавлять к излучению, исходящему вокруг черной дыры; излучение, которое в целом это то, что астрономы могут использовать для обнаружения присутствия черной дыры, но не для непосредственного наблюдения за ней. Это распаривание виртуальных частиц черной дырой в ее горизонте событий, который вызывает излучение Хокинга, которое само по себе представляет чистую потерю массы от черной дыры.
Так почему же астрономы не ищут в космосе радиацию Хокинга? Проблема в том, что излучение очень слабое и подавляется излучением, создаваемым многими другими физическими процессами, окружающими черную дыру аккреционным диском. Излучение заглушается хором энергетических процессов. Таким образом, самая непосредственная возможность - повторить излучение Хокинга, используя аналог. В то время как излучение Хокинга является слабым по сравнению с массой и энергией черной дыры, излучение имеет практически все время во Вселенной, чтобы отколотиться от своего родительского тела.
Именно здесь сближение растущего понимания черных дыр привело к плодотворной работе доктора Хокинга. Теоретики, в том числе Хокинг, осознали, что, несмотря на квантовую и гравитационную теорию, которая необходима для описания черной дыры, черные дыры также ведут себя как черные тела. Они управляются термодинамикой и являются рабами энтропии. Производство излучения Хокинга можно охарактеризовать как термодинамический процесс, и это то, что возвращает нас к экспериментаторам. Другие термодинамические процессы могут быть использованы для воспроизведения излучения этого типа излучения.
Используя конденсат Бозе-Эйнштейна в сосуде, Штайнхауэр направил лазерные лучи в деликатный конденсат, чтобы создать горизонт событий. Кроме того, его эксперимент создает звуковые волны, которые попадают в ловушку между двумя границами, которые определяют горизонт событий. Штайнхауэр обнаружил, что звуковые волны на его аналоговом горизонте событий усиливались, как это происходит со светом в общем лазерном резонаторе, но также и в соответствии с теорией черных дыр доктора Хокинга. Свет выходит из лазера, присутствующего на аналоговом горизонте событий. Штайнхауэр объясняет, что этот уходящий свет представляет долгожданное излучение Хокинга.
Публикация этой работы в Природе прошла значительную рецензию, чтобы быть принятой, но это само по себе не подтверждает его выводы. Работа Штайнхауэра теперь будет выдерживать еще большую проверку. Другие будут пытаться дублировать его работу. Его лабораторная установка является аналогом, и остается проверить, что то, что он наблюдает, действительно представляет излучение Хокинга.
Ссылки:
«Наблюдение самоусиливающегося излучения Хокинга в аналоговом лазере с черной дырой», Nature Physics, 12 октября 2014 г.
«Излучение Хокинга от ультракоротких лазерных импульсных нитей», F. Belgiorno и др., Phys. Письмо, сентябрь 2010
«Взрывы черной дыры?», С. У. Хокинг и др., Nature, 01 марта 1974 г.
«Квантовая механика черных дыр», С. Хокинг, ученый, январь 1977 г.
