Исследователи из Института науки им. Вейцмана и Цинвеста недавно провели исследование, проверяющее теорию излучения Хокинга на лабораторных аналогах черных дыр. В своих экспериментах они использовали световые импульсы в нелинейной волоконной оптике для установления искусственных горизонтов событий.

Еще в 1974 году известный физик Стивен Хокинг поразил мир физики своей теорией излучения Хокинга , которая предполагала, что вместо того, чтобы быть черными, черные дыры должны слегка светиться из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий черной дыры. Согласно теории Хокинга, сильное гравитационное поле вокруг черной дыры может влиять на образование совпадающих пар частиц и античастиц.

Если эти частицы будут созданы сразу за горизонтом событий, положительный член этой пары частиц может вырваться, что приведет к наблюдаемому тепловому излучению, испускаемому из черной дыры. Это излучение, которое впоследствии было названо излучением Хокинга, будет, следовательно, состоять из фотонов, нейтрино и других субатомных частиц. Теория излучения Хокинга одной из первых объединила концепции квантовой механики с теорией общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

«Я изучал общую теорию относительности в 1997 году, читая курс, а не проходя курс», — сказал Phys.org Ульф Леонхардт, один из исследователей, проводивших недавнее исследование . «Это был довольно напряженный опыт, когда я был на несколько недель впереди учеников, но я действительно познакомился с Общей теорией относительности и влюбился в нее. Подходящим образом, это также произошло в Ульме, месте рождения Эйнштейна. С тех пор я Я искал связи между моей областью исследований, квантовой оптикой и общей теорией относительности. Моя главная цель — демистифицировать общую теорию относительности. Если, как я и другие показали, обычные оптические материалы, такие как стекло, действуют как искривленные пространства, то искривленное пространство-время Общей теории относительности становится чем-то осязаемым, не теряя своего обаяния «.

В сотрудничестве с его первым доктором философии Студент Пол Пивницкий, Леонхардт, собрал некоторые первоначальные идеи о том, как создать оптические черные дыры, которые были опубликованы в 1999 и 2000 годах. В 2004 году он, наконец, достиг метода, который действительно сработал, и который использовался в его недавнем исследовании.

«Представьте, как в экспериментах Эйнштейна с Геданкеном, свет гонится за очередным импульсом света», — объяснил Леонхардт. «Предположим, что весь свет проходит внутри оптического волокна. В стекловолокне импульс немного изменяет скорость света, преследуя его, так что свет не может обогнать импульс. Он испытывает горизонт белой дыры; место его не может войти. Фронт импульса действует как полная противоположность: горизонт черной дыры, место, которое свет не может покинуть. Это идея в двух словах «.

Леонхардт и его коллеги опубликовали и продемонстрировали эту идею в 2008 году. Впоследствии они попытались использовать ее для демонстрации излучения Хокинга.

Излучение Хокинга никогда не наблюдалось непосредственно в космосе, поскольку в настоящее время это невозможно. Однако это может быть продемонстрировано в лабораторных условиях, например, с использованием конденсатов Бозе-Эйнштейна, волн на воде, поляритонов или света. В прошлом несколько исследователей пытались проверить излучение Хокинга в лаборатории, используя эти методы, однако большинство их исследований были, по сути, проблематичными и, таким образом, были оспорены.

Например, некоторые прошлые результаты, полученные с интенсивными световыми импульсами в оптических средах, оказались несовместимыми с теорией. Вместо того чтобы наблюдать излучение Хокинга, создаваемое горизонтами, как позже выяснили сами авторы, они фактически наблюдали излучение без горизонта, создаваемое их световыми импульсами, так как они превышали фазовую скорость света для других частот. Другие исследования, пытавшиеся наблюдать излучение Хокинга на волнах воды и в конденсатах Бозе-Эйнштейна, также оказались проблематичными.

Обсуждая результаты этих исследований с Physics World , Леонхардт писал: «Я очень восхищаюсь героизмом людей, которые их делают, их техническими навыками и опытом, но это сложный вопрос». Он также писал: «Горизонты — это идеальные ловушки; их легко поймать в ловушку, не замечая этого, и это относится и к исследованию горизонтов. Мы учимся и становимся экспертами в соответствии с классическим определением: эксперт — это тот, кто сделал все возможные ошибки (и извлеченные из них). »

Как доказано предыдущими усилиями, наблюдение за излучением Хокинга в лаборатории является очень сложной задачей. Исследование, проведенное Леонхардтом и его коллегами, могло бы стать первой достоверной демонстрацией излучения Хокинга в оптике.

«Черные дыры окружены горизонтами событий», — пояснил Леонардт. «Горизонт отмечает границу, по которой свет больше не может выходить. Хокинг предсказал, что на горизонте создаются кванты света — фотоны. Один фотон появляется за горизонтом и может уйти, а его партнер появляется изнутри и падает в черная дыра. Согласно квантовой механике частицы связаны с волнами. Фотон снаружи принадлежит к волне, которая колеблется с положительной частотой, а волна его партнера изнутри колеблется с отрицательной частотой ».

В своем исследовании Леонхардт и его коллеги выявили положительные и отрицательные частоты. Их свет с положительной частотой был инфракрасным, а свет с отрицательной частотой — ультрафиолетовым. Исследователи обнаружили их обоих, а затем сравнили с теорией Хокинга.

Небольшое количество ультрафиолетового света, которое им удалось обнаружить с помощью чувствительного оборудования, является первым явным признаком стимулированного излучения Хокинга в оптике. Это излучение называется «стимулированным», потому что оно стимулируется пробным светом, который исследователи посылали, чтобы преследовать импульсы.

«Наш самый важный вывод, возможно, заключается в том, что черные дыры не являются чем-то необычным, но они очень похожи на то, что световые импульсы делают с обычным светом в волокнах», — сказал Леонхардт. «Демонстрировать тонкие квантовые явления, такие как излучение Хокинга, нелегко. Требуются чрезвычайно короткие импульсы, необычные волокна, чувствительное оборудование и, что не менее важно, тяжелая работа преданных учеников. Но даже излучение Хокинга — это то, что можно понять на самом деле».

Исследование, проведенное Леонхардтом и его коллегами, является важным вкладом в область физики, поскольку он обеспечивает первую лабораторную демонстрацию излучения Хокинга в оптике. Исследователи также обнаружили, что аналогия с горизонтами событий является чрезвычайно надежной, несмотря на то, что она выдвинула оптику на крайний уровень, что повысило их уверенность в достоверности их теорий.

«Теперь нам нужно улучшить нашу установку, чтобы подготовиться к следующей большой задаче: наблюдению за спонтанным излучением Хокинга», — сказал Леонардт. «В этом случае излучение больше не стимулируется, за исключением неизбежных колебаний квантового вакуума. Наши следующие цели — это шаги, которые улучшат устройство и протестируют различные аспекты стимулированного излучения Хокинга, прежде чем перейти к самопроизвольному излучению Хокинга». »