RW Space

Единственное, что мы все «знаем» о черных дырах, — это то, что ничто не ускользает от их неотвратимой хватки.

В основном это правда, но с 1970-х годов физики предсказывали, что черные дыры могут медленно терять энергию в виде теплового излучения.

Это излучение Хокинга, и хотя оно было воссоздано в лабораторных аналогах, механизм, посредством которого оно выкачивает энергию из черной дыры, известный как обратная реакция, остался прежним. неуловимым.

Теперь в аналоге черной дыры, состоящем, по иронии судьбы, из света, группа физиков под руководством Лоренцо Прокопио из Падерборнского университета в Германии наблюдала аналог обратной реакции излучения Хокинга.

Их результаты были опубликованы в журнале Nature.

«Это упрощает теоретическое понимание и открывает новые способы расчета эффектов в таких системах», — говорит Прокопио. — «Это может даже пролить свет на то, как излучение Хокинга возникает в контексте гравитации».

Черные дыры — самые странные и самые экстремальные объекты в мире. Вселенная.

Они настолько невероятно плотны, что, как только вы подойдете достаточно близко, невозможно избежать их гравитационного притяжения.

Представьте себе ракету, покидающую Землю. Чтобы вырваться из гравитации планеты, ей необходимо достичь определенной скорости, известной как скорость убегания.

Во Вселенной нет ничего, что могло бы достичь скорости убегания, даже свет. Расстояние от центра черной дыры, которое отмечает точку, за которой свет больше не может. ускользание — это горизонт событий.

Излучение Хокинга, впервые предложенное физиком Стивеном Хокингом в 1974 году, представляет собой излучение черного тела, которое, по предсказаниям, возникает в результате квантовых эффектов вблизи горизонта событий черной дыры.

Однако, хотя излучение Хокинга является надежным и широко признанным предсказанием квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени, вопрос о том, как именно передается энергия от черной дыры к излучению, остается открытым вопросом.

Большая проблема остается той же, с которой мы всегда сталкиваемся. черные дыры: прямое наблюдение излучения Хокинга в настоящее время невозможно. Фактически, ожидается, что сигнал будет настолько слабым, что мы никогда не сможем отделить его от фонового излучения, пронизывающего Вселенную.

Здесь физики проявляют творческий подход.

Вместо того, чтобы изучать черные дыры напрямую, они создают лабораторные системы, подчиняющиеся той же базовой физике.

Некоторые из них удивительно просты, например, вода, циркулирующая в канализации, имитирует поток пространства-времени вокруг черной дыры. Другие используют ультрахолодные конденсаты Бозе-Эйнштейна или цепочки атомов, чтобы воссоздать физику горизонта событий.

Аналог, использованный в этом исследовании, был разработан более десяти лет назад соавтором исследования Ульфом Леонхардтом из Научного института Вейцмана в Израиле.

Он использует сверхбыстрые лазерные импульсы, проходящие через оптическое волокно со специальным рисунком. Один импульс меняет оптические свойства волокна ровно настолько, чтобы создать аналог горизонта событий для второго импульса.

Предыдущие эксперименты с использованием этой установки воссоздали само излучение Хокинга. На этот раз исследователи искали что-то более тонкое — крошечную обратную реакцию, которая показывает, как энергия передается от аналоговой черной дыры в излучаемое ею излучение.

Чтобы понять обратную реакцию, можно на секунду подумать о Ньютоне.

Представьте, что вы и ваш друг катаетесь на роликовых коньках. Если вы оттолкнете друга, он покатится вперед, но и вы покатитесь назад. У каждого действия есть противодействие – третий закон движения Ньютона.

Обратная реакция – это аналог отдачи в виде черной дыры. Поскольку излучение Хокинга уносит энергию, создавшая его система должна отдать эквивалентное количество энергии. Исследователи пытались обнаружить эту крошечную потерю энергии.

Когда они посылали лазерные импульсы через оптическое волокно, исследователи не смотрели на укатывающего друга. Они искали эффект толчка на толкатель – крошечный сдвиг в лазерном импульсе, который генерировал аналоговое излучение Хокинга.

Они нашли его – и вот тут-то и возник сюрприз.

Раньше физики считали, что излучение Хокинга, наблюдаемое в аналогах черных дыр, возникает в результате сложного каскада оптических взаимодействий. Вместо этого новые результаты указывают на единый прямой процесс, который естественным образом объясняет как излучение, так и обратную реакцию.

«Наш эксперимент и лежащая в его основе теория показывают, что излучение Хокинга является результатом прямого процесса, если взаимодействие между излучением и эквивалентом гравитационного поля является биквадратичным», — пишут исследователи в своей статье.

«Возможно, астрофизические черные дыры излучают посредством такого же простого и прямого процесса, как наш. Результирующую обратную реакцию можно описать следующим образом: микроскопические детали того, как испаряются черные дыры.»

Наблюдение того же процесса вокруг настоящей черной дыры, скорее всего, останется невозможным в обозримом будущем.

Связанный: Ученые, возможно, обнаружили первые признаки горизонта событий черной дыры

Но если этот механизм обнаружится в других типах аналогов черной дыры, это укрепит аргументы в пользу того, что исследователи определили что-то фундаментальное о самом излучении Хокинга.

Если это так, то это может помочь решить некоторые из самых сложных проблем в теоретической физике черных дыр.

«Все это может пролить свет на информационный парадокс, — пишут исследователи, — проблему, с которой Хокинг боролся до своей последней статьи в 2018 году».

Новая статья опубликована в журнале Nature.

Эта статья была проверена Джессом Кокериллом и отредактирована Майклом Ирвингом. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, сообщите нам об этом.