Лабораторна модель чорної діри поводиться точнісінько, як і передбачали: не лише все поглинає, а й дещо випромінює
Стівен Гокінг у 1974-му теоретично передбачив, що чорні діри не тільки поглинають світло, а й випромінюють його – нині це явище називають "радіація Гокінга".
Проблема в тому, що астрономи не можуть зафіксувати це надто слабке для телескопів випромінювання. Тоді науковці створюють власні чорні діри.
Дослідники з Ізраїльського технологічного інституту "виростили" лабораторний аналог чорної діри з кількох тисяч атомів. По суті, чорна діра є чорним, але теплим тілом, яке випромінює тепло – тобто інфрачервоне світло.
Дослідження підтвердило, що так і є.
Як це? Чорна діра – і випромінює?
Гравітація чорної діри така, що за "горизонтом подій" зникає кожен фотон. Щоб вийти за межі горизонту подій, частинці довелося б розвинути швидкість більшу за швидкість світла. Тобто порушити базовий закон фізики.
Але хоча ніщо не може вийти за межі горизонту подій – чорні діри спонтанно випромінюють інфрачервоне світло завдяки "віртуальним частинкам" та квантовій механіці, а саме принципу невизначеності Гайзенберга.
Навіть повний вакуум переповнено парами "віртуальних" частинок, які миттєво з'являються та зникають (pop in and out of existence).
Через гравітацію горизонту подій прямо на ньому пари фотонів розділяються – один поглинається чорною дірою, інший відлітає в космос.
Сума енергій пари фотонів дорівнює нулю. Фотон, поглинутий чорною дірою, має негативну енергію, тобто забирає енергію в формі маси від чорної діри. Натомість парний до нього втеклий фотон і стає "радіацією Гокінга".
Завдяки цьому зрештою, теоретично, вся чорна діра може "випаруватись". Але випромінювання насправді таке слабке, що для зникнення чорної діри потрібно більше часу, ніж вік усесвіту.
Теорія Гокінга поєднала загальну теорію відносності з фізикою квантового поля.
Як одна, так і інша є для більшості людей незрозумілими й контрінтуїтивними (доходило до того, що творець теорії відносності обурено відкидав квантову електродинаміку фразою "Бог не грає в кості!") А тут їх поєднано. Але як перевірити цю теорію експериментально?
Змайструй свою власну чорну діру!
Науковці запевняють простолюд, що, як і адронний колайдер, це абсолютно безпечно.
Вісім тисяч атомів рубідію охолоджено до практично абсолютного нуля. Потім їх тримають купи за допомогою лазерного пучка.
Це так званий конденсат Бозе-Айнштайна. В ньому тисячі атомів діють усі разом як єдиний атом.
Другий лазерний промінь змусив газ рухатися так, як рухається вода вниз по водоспаду. Це відтворило горизонт подій: одна половина "багатоатомного атома" рухається швидше за швидкість звуку, інша повільніше. Оскільки в аналогу йшлося про швидкість звуку, а не світла, то команда фізиків шукала пари фоНонів – квантових звукових "хвиль" - замість фоТонів.
Фонон повільнішої половини "багатоатомного атома" рухався геть, тоді як фонон швидшої половини залишався всередині надзвукової частини "атома". Це як коли ти пливеш проти течії, що швидша за тебе – плисти вперед неможливо. Те саме стається зі звуком в експерименті, як і зі світлом у чорній дірі.
Але цікавіша друга "половина звуку": вона таки випромінюється. Так само як "половина" фотона (віртуальні частинки) випромінюються чорною дірою, за теорією Гокінга.
Проблема полягала в тому, щоб виміряти, чи залишається випромінювання постійним – як у теорії. Адже кожне вимірювання такого малого об'єкта знищує його у процесі.
Тому команда повторювала створення "чорної дірочки" 97000 тисяч разів і стільки ж само знищувала її вимірюваннями.
Це забрало майже пів року цілодобових вимірювань.
Але терплячість було відшкодовано. Випромінювання виявилося постійним, воно не змінювалось у часі. "Точнісінько, як передбачав Гокінг", – зауважують науковці.
Детальна наукова стаття – в Nature Physics, популярний виклад англійською – в Live Science.
