"Підказав" Хокінг: вперше в історії створено штучну чорну діру

Розуміння природи чорних дір необхідне людству для з’ясування фундаментальних законів Всесвіту. Справа в тому, що чорні діри є межами двох непримиренних теорій, а саме: загальної теорії відносності, яка описує гравітацію як прояв викривлення простору-часу, створюваного масивними об’єктами, і теорії квантової механіки, яка описує поведінку атомів і частинок. Повний опис чорних дір вимагатиме об’єднання цих двох теорій за допомогою теорії квантової гравітації.

Про це йдеться у статті у Physical Review Research.

Стівен Хокінг у 1974 році передбачив, що кожна чорна дірка повинна випускати крихітну кількість теплового випромінювання через невеликі квантові флуктуації навколо горизонту подій. Однак "випромінювання Хокінга" ніколи не було виявлено. Тому за справу взялася команда з Амстердамського університету, яка вирішила відтворити це випромінювання у лабораторії за допомогою штучних чорних дірок.

"Ми хотіли використовувати потужні інструменти фізики конденсованого стану речовини, щоб досліджувати недоступну фізику цих неймовірних об’єктів — чорних дір ", — пояснює Лотте Мертенс, аспірант теоретичної фізики Амстердамського університету та перший автор дослідження, що описує експеримент.

Для досягнення своєї мети Мертенс та його колеги вивчили модель, засновану на одномірному ланцюжку атомів, в якій електрони можуть "стрибати" з одного атомного вузла на інший.

Регулюючи легкість, з якої електрони можуть переходити з одного місця в інше, дослідники змогли змоделювати спотворення простору-часу через присутність чорної дірки: при правильній зміні ймовірності стрибка по ланцюжку електрон рухається від одного кінця до іншого поводячись так само, як шматок матерії, що наближається до горизонту чорної діри.

Щоб створити штучну чорну діру, достатньо взяти ланцюжок атомів (зелений колір) та змінити легкість, з якою електрон може перестрибнути між кожною атомною ділянкою: зміна міцності зв’язку в нижній частині ланцюжка імітує деформацію простору-часу у присутності чорної діри.

Змусивши частину ланцюжка впасти над змодельованим горизонтом подій, команда зафіксувала стрибок температури всередині ланцюжка — відповідно до теплового випромінювання, передбаченого Хокінгом.

Дослідження цього штучного горизонту дозволило отримати кілька важливих відомостей про фізику чорних дірок. По-перше, той факт, що змодельоване випромінювання Хокінга є тепловим (тобто система має фіксовану температуру) тільки за певного вибору просторової зміни ймовірності стрибка, дозволяє припустити, що справжнє випромінювання Хокінга також може бути чисто тепловим за певних умов, пояснюють дослідники. Більш того, випромінювання виникало тільки тоді, коли у вихідній модельній системі не було просторової зміни ймовірності стрибка, що імітує "плоский" простір-час без горизонту, до перетворення на систему, що містить штучну чорну дірку.

Тому для виникнення випромінювання Хокінга необхідна зміна деформації простору-часу (через гравітацію) або зміна того, як спостерігач, який спостерігає це випромінювання, сприймає цю деформацію. Зрештою, випромінювання вимагає, щоб частина ланцюга існувала за штучним горизонтом. Це може означати, що існування випромінювання Хокінга тісно пов’язане із заплутаністю між частинками по обидва боки горизонту.

Ця модель горизонту, мабуть, не призвела до створення теорії квантової гравітації, але це чудовий спосіб вивчити виникнення випромінювання Хокінга. Більше того, оскільки модель настільки проста, вона може бути реалізована у широкому діапазоні експериментальних установок.

"Введення чорних дір у лабораторію може наблизити нас до розуміння взаємодії між гравітацією та квантовою механікою та поставити нас на шлях до створення теорії квантової гравітації ", — зазначають автори дослідження.

Нагадаємо, раніше вчені з’ясували, як космос впливає на різноманітність життя на Землі.