Песня чёрной дыры

Искусственная чёрная дыра симулирует излучение Хокинга с помощью звуковых частиц.

Чёрные дыры – сердца спиральных галактик – не перестают интриговать исследователей. Они обладают такой сильной гравитацией, что даже фотоны – элементарные частицы, которые переносят свет и электромагнитное излучение, – не могут их покинуть.

Поверхность чёрной дыры определяется горизонтом событий: ничто не может покинуть дыру после пересечения этой поверхности. Концепция чёрных дыр будоражит умы физиков-теоретиков уже около 50 лет, но до сих пор многие вопросы о том, как они устроены, остаются неразрешёнными.

В 1973 году Беркенштейн предположил, что чёрные дыры имеют свою «термодинамику», в которой роль температуры и энтропии (степени хаотичности системы, которая должна непрерывно возрастать, согласно второму закону термодинамики) играют гравитация и площадь поверхности. Отсюда следует, что у чёрной дыры должна быть температура, а раз есть температура, то должно быть и излучение, что идёт вразрез с концепцией горизонта событий. Стивен Хокинг нашёл объяснение противоречию, используя квантовую теорию поля, после чего парадоксальное излучение стали называть его именем.

Дело в том, что в физическом вакууме постоянно рождаются и аннигилируют флуктуации различных полей, и в некоторых случаях это означает возникновение пары частица-античастица. Если такая пара появится вблизи горизонта событий, то одна частица может «улететь» к предполагаемому наблюдателю, а другая «проскочить» внутрь дыры за счёт квантового туннелирования (см. рис.1).

Улетевшая частица обладает положительной энергией, следовательно, по закону сохранения энергии вторая частица должна обладать отрицательной энергией. В результате энергия (то есть масса) чёрной дыры должна уменьшиться. Хокинг показал, что спектр излучения частиц первого типа похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела (идеализированная физическая модель, которая сопоставляет спектр излучения и температуру объекта, поглощающего весь спектр электромагнитного излучения), и ему должна соответствовать температура, обратно пропорциональная массе дыры. Современные технологии не позволяют измерить излучение Хокинга: чёрные дыры слишком массивны, а значит, излучение слишком слабо.

Физики, как часто бывает в таких случаях, идут в обход и ищут способ смоделировать излучение Хокинга, этакий симулятор чёрной дыры. Уже несколько лет Джефф Штейнхауер из Израильского технологического института – Техниона работает над таким экспериментом в одиночку. Это заслуживает отдельного упоминания, потому что подобный стиль работы – большая редкость в мире современной экспериментальной физики, где над экспериментами обычно трудится целая команда из студентов, аспирантов и более опытных исследователей. Несколько лет назад появились первые результаты работы Штейнхауера, а его новая статья исследует характеристики искусственного излучения Хокинга.

«Земная» версия чёрной дыры представляет собой установку для создания конденсата Бозе-Эйнштейна. В таком агрегатном состоянии могут находиться только бозоны – частицы со спином равным 1, например, фотоны или протоны, а также некоторые атомы.

Бозонам «можно» находится в одном и том же квантовом состоянии, то есть они не подчиняются запрету Ферми. Бозоны конденсируются при температуре, очень близкой к абсолютному нулю (-273.15°C), и квантовые эффекты тут проявляются на макроскопическом уровне. В эксперимент Штейнхауера атомы рубидия собраны в ловушку и охлаждены примерно до 170 нК (см. рис.2). Атомы в конденсате почти неподвижны, поэтому скорость звука в такой среде составляет всего 0.5 мм/с.

Почему мы заговорили о скорости звука? Фононы – частицы, соответствующие звуковым колебаниям (как фотоны соответствуют свету), играют роль флуктуаций в вакууме около горизонта событий чёрной дыры. Акустический эквивалент горизонта событий создан с помощью лазера: он заставляет атомы в ловушке колебаться быстрее, чем скорость звука.

Фононы из той части конденсата, где атомы колеблются со сверхзвуковой скоростью, не могут перейти в «спокойную» часть, потому что не могут обогнать колебания, вызванные лазером в конденсате (см. рис.3). В качестве аналогии можно представить себе реку с подвижной заслонкой, которая гонит воду в одном направлении. Волны, идущие по воде в обратном направлении, не могут «перегнать» общую массу воды. Впрочем, у фононов есть важное отличие: они подчиняются законам квантового мира и могут туннелировать из-за «горизонта событий», тем самым имитируя излучение Хокинга в настоящей чёрной дыре. Получается, что искусственную чёрную дыру можно услышать!

Выяснилось, что созданное таким образом излучение Хокинга подчиняется термодинамическому распределению с температурой около 1 нК. Более того, оказалось, что в высокоэнергетической части спектра фононы по «разные стороны» чёрной дыры запутаны.

Это противоречит современному пониманию горизонта событий, и указывает на то, что полуклассический подход к моделированию чёрной дыры не разрешает парадокса с потерей информации за пределами горизонта событий («испарение» чёрной дыры за счёт излучения Хокинга нарушает постулат о сохранении информации о квантовом состоянии объектов). Полностью новые данные описаны в статьи в Nature и в препринте статьи на сайте arXiv.org.

Сложно сказать однозначно, насколько результаты эксперимента сопоставимы с тем, что происходит вблизи горизонта событий настоящей чёрной дыры. Физики со всего мира всё ещё спорят о верности данного подхода. Также можно поставить под сомнение некоторые технические аспекты эксперимента и выводы, следующие из наблюдений.

Однако нельзя не признать, что исследования искусственных чёрных дыр, подобные тем, которые проводит Джефф Штейнхауер, помогают справиться с противоречиями между разными теориями, описывающими физику чёрных дыр, и позволяют сделать ещё один шаг к непротиворечивому объединению квантовой теории поля и теории гравитации.