Что такое радиация Хокинга
Стивен Хокинг во второй половине XX века предсказал, что у черных дыр есть собственное излучение — его впоследствии назвали радиацией Хокинга. Но до недавнего времени ученые никак не могли воссоздать ее в лабораторных условиях. Портал livescience.com рассказал об эксперименте, который смог создать миниатюру черной дыры с помощью стекла и лазерного излучения.
Радиация Хокинга известна, потому что она лежит на пересечении важнейших идей в физике. Яаков Бекенштейн предсказал, что у черных дыр есть энтропия и температура, а Хокинг рассчитал термальную радиацию черной дыры. То есть, радиация Хокинга-Бекенштейна объединяет квантовую физику, общую относительность и термодинамику — сферы, которые обычно конфликтуют друг с другом.
Причем их конфликт достаточно глубок. Общая относительность описывает пространство и время как гладкие и непрерывные, тогда как квантовая механика описывает мир отдельных, непредсказуемых прыжков — и никто не мог полностью «помирить» эти взгляды друг с другом.
Именно это противоречие делает радиацию Хокинга сложным предметом для изучения. Астрономы никогда не фиксировали эту радиацию у реальных черных дыр и, скорее всего, никогда не зафиксируют; сияние слишком блеклое, чтобы заметить его в черноте космоса. Поэтому физики обращаются к лабораторным аналогам, подчиняющимся той же математике: они строят миниатюрные черные дыры из текущей воды, ультра-холодных атомов и, в данном случае, света.
Центральный трюк, стоящий за каждым таким аналогом черный дыры — движущийся медиум. Авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature, приводят аналогию с пловцом в море, где течение быстрее, чем он может плыть; рано или поздно его смывает течением. Именно это происходит за горизонтом событий черной дыры, и именно поэтому, обычно, ничто не может сбежать из черной дыры.
Но для того, чтобы воссоздать это течение в лабораторных условиях, ученым требовался материал, способный перемещаться достаточно быстро. Они выбрали самый элегантный «материал» — непосредственно свет. Исследователи выстрелили мощным, но очень коротким импульсом в тонкое фотон-кристальное волокно: фрагмент стекла, прошитый крошечными воздушными каналами. Импульс, по мере движения по волокну, немного изменил преломление света, тем самым создав иллюзию, похожую на горизонт события. После этого второй импульс, выполнявший роль зонда, попал в течение — и когда он больше не мог угнаться за скоростью течения, сформировался искусственный горизонт.
Итоги эксперимента были видны только в ультрафиолетовом спектре. Теория гласит, что радиация Хокинга излучается парно: один партнер сбегает, пока другой, заряженный «негативной» энергией, отражает то, что упало в реальную черную дыру. В данном опыте этот партнер появился в форме ультрафиолетового излучения.
Примечателен не только сам факт наличия излучения, но и то, как оно появилось. Многие годы физики думали, что волокно формирует радиацию Хокинга каскадом: цепочкой раздельных шагов, в ходе которых свет конвертируется из одной формы в другую. Но опыт со светом показал, что достаточно одного прямого взаимодействия — процедура может быть куда проще, причем ее можно перенести и на другие материалы.
Поскольку энергия должна откуда-то появиться, излучение радиации Хокинга должно немного толкнуть источник, который его создал. Если говорить о реальных черных дырах, то эти толчки заставляют их постепенно терять массу — Хокинг описал это явление в своей работе 1974 года. Ни один эксперимент прежде не мог зафиксировать подобную отдачу в лабораторных условиях, но опыт со светом переломил тренд.
Результат эксперимента также связан с одной из самых заковыристых головоломок в физике черных дыр — транс-планковой проблеме. Если отследить радиацию Хокинга к источнику, то математика заходит на территорию, за которую не может поручиться ни один физик — шкалу Планка. Она оперирует настолько малыми значениями, что пространство и время перестают работать привычным образом, как и известные нам законы физики. Другими словами, предсказание Хокинга может опираться на фундамент, которого, теоретически, не существует.
Теперь команде ученых предстоит провести дополнительные эксперименты. Обычный лазер не может воссоздать странные квантовые свойства радиации Хокинга — именно их и собираются изучить исследователи.