Ученые создали «черную дыру» из света
Физики сделали еще один шаг к проверке одной из самых известных идей Стивена Хокинга. По данным журнала Live Science, международная группа исследователей создала в лаборатории оптический аналог черной дыры и с его помощью изучила процессы, которые, согласно теории, должны происходить на границе настоящих черных дыр.
Работа не означает, что ученые научились создавать космические объекты в лаборатории, однако позволяет экспериментально проверить предсказания, которые почти невозможно подтвердить астрономическими наблюдениями. О том, что именно удалось сделать исследователям и почему этот эксперимент называют важным для современной физики, — в материале «Известий».
Как физики создали «черную дыру» из света
Исследователи не создали настоящую черную дыру. Вместо этого они построили аналоговую систему, которая воспроизводит некоторые свойства этих космических объектов. Для эксперимента использовались лазерные импульсы и нелинейный оптический материал, в котором свет начинал распространяться так, что для части волн возникал аналог горизонта событий — границы, после пересечения которой сигнал уже не может вернуться обратно. Хотя гравитации в такой установке нет, математические уравнения, описывающие поведение света, во многом совпадают с теми, что применяются для описания процессов возле настоящих черных дыр.
Главной целью эксперимента было проверить одно из ключевых предсказаний Хокинга. В 1974 году британский физик предположил, что из-за квантовых эффектов черные дыры не являются абсолютно «черными»: они должны испускать чрезвычайно слабое тепловое излучение и со временем постепенно терять энергию. Сегодня это явление известно как излучение Хокинга, однако зарегистрировать его у настоящих астрофизических черных дыр пока невозможно — сигнал слишком слаб по сравнению с окружающим космическим излучением. Именно поэтому физики создают лабораторные аналоги, где процессы можно наблюдать напрямую.
Особенность новой работы заключается в том, что ученым удалось изучить не только само возникновение аналога излучения Хокинга, но и так называемую обратную реакцию (backreaction) — процесс, при котором испускаемое излучение начинает изменять состояние системы, его породившей. В теории именно этот эффект должен играть важную роль в эволюции настоящих черных дыр, однако наблюдать его в космосе пока невозможно. Авторы исследования считают, что подобные эксперименты помогают проверить фундаментальные предсказания квантовой теории и лучше понять, как могут взаимодействовать законы квантовой механики и общей теории относительности.
Почему излучение Хокинга — одна из самых важных идей современной физики
До середины 1970-х годов считалось, что черные дыры полностью оправдывают свое название: если объект пересек горизонт событий, покинуть его уже невозможно. Из этого следовало, что черные дыры могут только поглощать материю и энергию, но ничего не излучают.
В 1974 году британский физик Стивен Хокинг предложил неожиданную идею: если учесть законы квантовой механики, ситуация оказывается гораздо сложнее. Согласно его расчетам, рядом с горизонтом событий постоянно возникают пары виртуальных частиц. Обычно они мгновенно уничтожают друг друга, однако вблизи черной дыры одна из частиц может оказаться за горизонтом событий, а другая — покинуть окрестности объекта. Для внешнего наблюдателя это выглядит так, будто черная дыра испускает собственное тепловое излучение и постепенно теряет массу.
Парадокс заключается в том, что за полвека существования этой теории астрономам так и не удалось непосредственно зарегистрировать излучение Хокинга у настоящих черных дыр. Причина проста: чем массивнее черная дыра, тем слабее должно быть ее излучение. Для известных астрофизических объектов оно настолько ничтожно, что полностью теряется на фоне космического микроволнового излучения и других источников сигнала. Поэтому ученые ищут обходные пути — создают лабораторные системы, в которых действуют те же математические принципы, но квантовые эффекты становятся доступными для наблюдений.
Зачем физики создают «игрушечные» черные дыры
На первый взгляд может показаться, что лабораторные аналоги имеют мало общего с настоящими космическими объектами. Однако в современной физике подобный подход давно стал привычным инструментом исследования. Если невозможно провести эксперимент с реальной черной дырой, ученые создают систему, которая подчиняется тем же уравнениям. Такие модели называют аналоговыми гравитационными системами, и они помогают проверять гипотезы, которые невозможно протестировать напрямую.
За последние годы исследователи уже создавали аналоги черных дыр в потоках жидкости, сверххолодных конденсатах Бозе – Эйнштейна, акустических системах и оптических средах. Каждый такой эксперимент позволяет проверить отдельные элементы теории Хокинга или других моделей квантовой гравитации. Новая работа стала еще одним шагом в этом направлении, поскольку впервые позволила исследовать влияние самого излучения на систему, которая его порождает.
Авторы исследования подчеркивают, что подобные установки не заменят наблюдения за настоящими черными дырами. Однако именно они позволяют экспериментально проверять идеи, которые десятилетиями существовали исключительно в виде математических моделей. Если такие исследования будут успешно развиваться и дальше, они могут приблизить физиков к одной из главных целей современной науки — созданию единой теории, которая объединит квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна и объяснит, как устроена Вселенная на самых фундаментальных уровнях.
