Излучение Хокинга получили в лаборатории

Физики провели эксперимент, в котором изучили излучение Хокинга. Результаты опубликованы в журнале Nature. В перспективе они, возможно, помогут разобраться в квантовой природе гравитации.

Излучение Хокинга — это гипотетическое свечение черных дыр, предсказанное Стивеном Хокингом. Согласно этой теории, черные дыры не только безвозвратно поглощают вещество, как считалось ранее, но и сами испускают чрезвычайно слабое излучение. В космосе его пока зафиксировать не удалось, поэтому ученые прибегают к лабораторным моделям, воспроизводящим свойства черных дыр в контролируемых условиях.

Излучение Хокинга хорошо известно в астрофизике, но детальный механизм его возникновения в гравитационном поле во многом остается неясным. Авторы новой работы задались целью понять его как в теоретической плоскости, так и изучить на практике.

Ранее в теоретических моделях фигурировал каскадный процесс, в котором задействовано множество квантово-механических взаимодействий. Исследователи переписали уравнения движения света в волокне в гамильтоновой форме и увидели, что на самом деле есть один прямой член (взаимодействие через квадрат поля), который сразу создает пару волн — одну с положительной частотой (излучение) и одну с отрицательной (партнер). Вычисления показали, что если излучение достаточно сильное — оно должно действовать на импульс накачки, который его порождает.

Опыты в лаборатории эти теоретические выкладки подтвердили. Экспериментальная установка представляла собой оптический стол с лазером Thorlabs Octavius (8 фс, 800 нм, 80 МГц), двумя отрезками фотонно-кристаллического волокна (1 м и 7 мм), системой фильтров, призмой и фотоумножителем для счета фотонов в УФ-диапазоне.

Встреча двух импульсов в волокне — так называемого насоса, который имитировал черную дыру, и вспомогательного зонда в ИК диапазоне — дала предсказанный расчетами спектр на выходе. Посредством дополнительного моделирования убедились, что это именно спрогнозированный эффект, а не артефакты измерения. Теория и практика сошлись с точностью до 2%.

Наблюдавшаяся обратная связь между излучением Хокинга и породившим его импульсом поможет понять, как именно оно «испаряет» черные дыры — не изучая их непосредственно, что ни сейчас, ни в будущем не представляется возможным. Кроме того, возможность исследовать излучение Хокинга в контролируемой среде может дать важные подсказки о природе квантовой гравитации.