Исследования, проведенные Амстердамским университетом, показали, что неуловимое излучение, исходящее от черных дыр, можно изучать, имитируя его в лаборатории.
Черные дыры — самые экстремальные объекты во Вселенной, упаковывающие так много массы в столь маленькое пространство, что ничто — даже свет — не может избежать их гравитационного притяжения, когда оно подойдет достаточно близко.
Понимание черных дыр является ключом к разгадке наиболее фундаментальных законов, управляющих космосом, потому что они представляют пределы двух наиболее проверенных физических теорий: общей теории относительности , которая описывает гравитацию как результат (крупномасштабного) искривления. пространства-времени массивными объектами, и теория квантовой механики , которая описывает физику на самых маленьких масштабах длины. Чтобы полностью описать черные дыры, нам нужно сшить эти две теории вместе и сформировать теорию квантовой гравитации.
Излучающие черные дыры
Чтобы достичь этой цели, мы могли бы захотеть посмотреть на то, что удается вырваться из черных дыр, а не на то, что проглатывается. Горизонт событий — это неосязаемая граница вокруг каждой черной дыры, за которую нет возможности выбраться. Однако Стивен Хокинг открыл, что каждая черная дыра должна излучать небольшое количество теплового излучения из-за небольших квантовых флуктуаций вокруг своего горизонта .
К сожалению, это излучение так и не было обнаружено напрямую. Предсказывается, что количество излучения Хокинга, исходящего от каждой черной дыры, настолько мало, что его невозможно обнаружить (с помощью современных технологий) среди излучения, исходящего от всех других космических объектов.
В качестве альтернативы, можем ли мы изучить механизм, лежащий в основе появления излучения Хокинга прямо здесь, на Земле? Это то, что исследователи из Университета Амстердама и IFW Dresden решили исследовать. И ответ — захватывающее «да».
Черные дыры в лаборатории
«Мы хотели использовать мощные инструменты физики конденсированного состояния, чтобы исследовать недостижимую физику этих невероятных объектов: черных дыр», — говорит автор Лотте Мертенс.
Для этого исследователи изучили модель, основанную на одномерной цепочке атомов, в которой электроны могут «прыгать» с одного атомного узла на другой. Деформация пространства-времени из-за присутствия черной дыры имитируется путем настройки того, насколько легко электроны могут прыгать между каждым местом.
При правильном изменении вероятности прыжка вдоль цепи электрон, движущийся от одного конца цепи к другому, будет вести себя точно так же, как кусок материи, приближающийся к горизонту черной дыры. И, аналогично излучению Хокинга, модельная система имеет измеримые тепловые возбуждения при наличии синтетического горизонта.
Обучение по аналогии
Несмотря на отсутствие реальной гравитации в модельной системе, рассмотрение этого синтетического горизонта дает важное представление о физике черных дыр . Например, тот факт, что смоделированное излучение Хокинга является тепловым (что означает, что система имеет фиксированную температуру) только для определенного выбора пространственного изменения вероятности прыжка, предполагает, что реальное излучение Хокинга также может быть чисто тепловым только в определенных ситуациях. .
Кроме того, излучение Хокинга возникает только тогда, когда модельная система начинается без каких-либо пространственных вариаций вероятностей прыжков, имитируя плоское пространство-время без какого-либо горизонта, а затем превращается в систему, в которой находится синтетическая черная дыра. Таким образом, появление излучения Хокинга требует изменения искривления пространства-времени или изменения того, как наблюдатель, ищущий излучение, воспринимает это искривление.
Наконец, излучение Хокинга требует, чтобы какая-то часть цепи существовала за синтетическим горизонтом. Это означает, что существование теплового излучения неразрывно связано с квантово-механическим свойством запутанности между объектами по обе стороны горизонта.
Поскольку модель настолько проста, ее можно реализовать в ряде экспериментальных установок. Это могут быть настраиваемые электронные системы, спиновые цепи, ультрахолодные атомы или оптические эксперименты. Использование черных дыр в лаборатории может приблизить нас на один шаг к пониманию взаимодействия между гравитацией и квантовой механикой и на пути к теории квантовой гравитации.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.
