Физики смоделировали черную дыру в лаборатории, а потом она начала светиться

Синтетический аналог черной дыры может рассказать нам кое-что о неуловимом излучении, теоретически испускаемом реальной вещью.

Использование цепочки атомов в одном ряду для имитации горизонта событий черной дыры, группа физиков наблюдала эквивалент того, что мы называем излучением Хокинга — частицы, рожденные в результате возмущений квантовых флуктуаций, вызванных разрывом черной дыры в пространстве-времени.

Это, по их словам, может помочь решить противоречие между двумя в настоящее время непримиримыми основами описания Вселенной: общей теорией относительности, которая описывает поведение гравитации как непрерывного поля, известного как пространство-время; и квантовая механика, описывающая поведение дискретных частиц с помощью математики вероятности.

Для единой теории квантовой гравитации, которую можно применять повсеместно, эти две несмешивающиеся теории должны найти способ как-то ужиться. .

Именно здесь на сцену выходят черные дыры — возможно, самые странные и экстремальные объекты во Вселенной. Эти массивные объекты настолько невероятно плотны, что на определенном расстоянии от центра масс черной дыры никакая скорость во Вселенной не достаточна для побега. Даже не со скоростью света.

Это расстояние, зависящее от массы черной дыры, называется горизонтом событий. Как только объект пересекает свою границу, мы можем только представить, что происходит, поскольку ничего не возвращается с жизненно важной информацией о его судьбе.

Но в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что прерывания квантовых флуктуаций, вызванные горизонтом событий, приводят к тип излучения, очень похожий на тепловое излучение.

Если это излучение Хокинга существует, оно слишком слабое, чтобы мы могли его обнаружить. Возможно, мы никогда не отсеем его от шипящей статики Вселенной. Но мы можем исследовать его свойства, создавая аналоги черных дыр в лабораторных условиях.

Это уже делалось раньше, но в исследовании, опубликованном в прошлом году под руководством Лотте Мертенс из Амстердамского университета в Нидерландах, исследователи сделал что-то новое.

Одномерная цепочка атомов служила путем, по которому электроны «прыгали» из одного положения в другое. Настраивая легкость, с которой может происходить этот прыжок, физики могли заставить исчезнуть определенные свойства, фактически создав своего рода горизонт событий, который мешал волнообразной природе электронов.

Команда сказала, что эффект этого фальшивого горизонта событий привел к повышению температуры, которое соответствовало теоретическим ожиданиям эквивалентной системы черных дыр, но только тогда, когда часть цепи расширилась. за горизонтом событий.

Это может означать, что запутывание частиц, которые пересекают горизонт событий, играет важную роль в генерации излучения Хокинга.

Смоделированное излучение Хокинга было тепловым только для определенном диапазоне амплитуд прыжков и при моделировании, которое началось с имитации пространства-времени, считающегося «плоским».

Это предполагает, что излучение Хокинга может быть тепловым только в ряде ситуаций, и когда представляет собой изменение искривления пространства-времени из-за гравитации.

Неясно, что это означает для квантовой гравитации, но модель предлагает способ изучения появления излучения Хокинга в среде, которая не под влиянием дикой динамики формирования черной дыры. Исследователи заявили, что, поскольку это так просто, его можно использовать в самых разных экспериментальных установках.

«Это может открыть место для изучения фундаментальных квантово-механических аспектов наряду с гравитацией. и искривленное пространство-время в различных условиях конденсированной материи», — объяснили исследователи в своей статье.

Исследование опубликовано в Physical Review Research.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в ноябре 2022 г.