Клетка для звука. К чему приведет создание искусственной черной дыры

О черных дырах привыкли думать как об объектах, которые не излучают, а только поглощают материю, – даже свет не способен вырваться из них. Но если прав физик-теоретик Стивен Хокинг, черные дыры на самом деле не такие уж черные – они могут излучать элементарные частицы и за счет этого процесса уменьшаться, а когда-нибудь и вовсе испариться. Это свойство черных дыр было предсказано Хокингом в 1974 году, получило его имя и с тех пор будоражит умы исследователей. Сейчас ученые, возможно, сделали еще один шаг к подтверждению сорокадвухлетней теории: 15 августа в журнале Nature Physics вышла статья израильского физика, в которой описывается, как искусственно созданная черная дыра позволила наблюдать излучение Хокинга прямо в лаборатории.

Джефф Штайнхауэр из Израильского технологического института работал над своей акустической черной дырой семь лет. Он создал ее из охлажденных почти до абсолютного нуля (несколько миллиардных градуса Кельвина) атомов рубидия – при такой температуре атомы переходят на самый низкий энергетический уровень, теряют самостоятельные свойства и превращаются в конденсат Бозе – Эйнштейна. Ускорив атомы с помощью лазера до сверхзвуковой скорости, Штайнхауэр получил аналог черной дыры – объект, имеющий горизонт событий, но для звука: изнутри этого горизонта звук не мог выбраться за его пределы. Физик обнаружил, что когда рядом с этой «черной дырой» спонтанно возникали пары фононов (квазичастицы, кванты звука в кристалле), то один фонон мог падать в дыру, а второй улетать от нее. Это поведение фононов подобно поведению частиц света, фотонов, возле горизонта событий черной дыры, которое называют излучением Хокинга. Кроме того, Штайнхауэр наблюдал квантовую запутанность между частицами с высокой энергией – свойство, подтверждающее квантовую природу излучения Хокинга.

Многие медиа назвали опыты Штайнхауэра сильнейшим на данный момент подтверждением того, что теоретически предсказанное излучение Хокинга действительно существует. Однако тот факт, что запутанности не было у пар частиц с низкой энергией, заставил некоторых ученых скептически отнестись к эксперименту: как заявил Nature физик из Института имени Вейцмана (Израиль), экспериментатор мог наблюдать другой тип флуктуаций, ведущих себя как излучение Хокинга.

Можно ли считать результаты опытов Штайнхауэра доказательством того, что черные дыры способны что-то излучать, зачем физики ищут это доказательство и какова важность проведенного эксперимента, корреспонденту Slon Magazine рассказал российский астрофизик, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга (МГУ) Сергей Попов.

– В чем сложность с экспериментами по изучению черных дыр, чем акустическая черная дыра отличается от настоящей?

– Черные дыры, безусловно, очень интересные и загадочные объекты, и с ними связано несколько больших вопросов. Один из них – излучение Хокинга. Модель Хокинга предполагает, что черные дыры могут рождать частицы и тем самым тратить свою энергию. Частицы улетают от ЧД, часть энергии перерабатывается в излучение, которое мы можем надеяться заметить. Последний момент испарения черной дыры взрывоподобный, должна быть довольно яркая вспышка в разных диапазонах электромагнитного спектра. Это важная штука, которую интересно изучать, но непонятно как, – черной дыры у нас в руках нет.

Известный физик Уильям Унру предложил создавать аналоги черных дыр, используя разнообразные системы; примерно половина или больше половины этих систем основана на чем: вы создаете какую-то среду, – это может быть жидкий гелий, очень холодные атомы, – в которой существуют звуковые волны и, например, существует граница между сверхзвуковым и дозвуковым потоком. Получается, что есть некая граница, и звуковые волны не могут ее пересечь, они как бы захвачены. Это немножко похоже на захват фотонов горизонтом черной дыры.