Подтвердили теорию Хокинга: физики впервые воссоздали “испарения“ черной дыры

Международная группа физиков смоделировала аналог чёрной дыры с помощью лазеров и впервые наблюдала процесс, похожий на обратную реакцию излучение Хокинга. Результаты исследования могут помочь лучше понять природу чёрных дыр и один из самых сложных парадоксов современной физики, пишет ScienceAlert.

«Это упрощает теоретическое понимание и открывает новые способы расчета эффектов в таких системах. Это может даже пролить свет на то, как излучение Хокинга возникает в контексте гравитации», — заявил ведущий автор исследования Лоренцо Прокопио из Падерборнского университета.

Черные дыры настолько массивны и плотны, что после пересечения горизонта событий их гравитационное поле не позволяет уйти даже свету. В то же время ещё в 1974 году физик Стивен Хокинг предсказал, что чёрные дыры не являются полностью «чёрными» и должны медленно терять энергию за счёт так называемого излучения Хокинга.

Именно механизм этой потери энергии, известный как обратная реакция, до сих пор оставался неподтвержденным экспериментально. Непосредственно наблюдать излучение Хокинга невозможно, поскольку его сигнал слишком слаб по сравнению с фоновым излучением Вселенной, поэтому физики создают лабораторные аналоги чёрных дыр, которые воспроизводят ту же физику. Для этого используют различные системы — от потоков воды до конденсатов Бозе-Эйнштейна.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, использовали оптическое волокно и сверхбыстрые лазерные импульсы. Экспериментальная установка, разработанная более десяти лет назад соавтором работы Ульфом Леонгардтом из Научного института Вейцмана, работает следующим образом: один лазерный импульс изменяет оптические свойства специального волокна, создавая для второго импульса аналог горизонта событий чёрной дыры.

Предыдущие исследования на этой установке уже позволили воспроизвести аналог излучения Хокинга. На этот раз ученые искали гораздо более тонкий эффект — передачу энергии от модели черной дыры к излучению, которое она создает.

Для объяснения этого процесса исследователи приводят аналогию с третьим законом Ньютона. Если человек на роликовых коньках отталкивает другого, оба начинают двигаться в противоположных направлениях — точно так же и система, порождающая излучение Хокинга, должна терять соответствующее количество энергии. В ходе эксперимента физики зафиксировали именно такой крошечный сдвиг лазерного импульса, который свидетельствовал о потере энергии аналогом черной дыры — это считается аналогом обратной реакции излучения Хокинга.

Ранее учёные предполагали, что аналог излучения Хокинга возникает в результате сложного каскада оптических взаимодействий. Однако новые данные свидетельствуют о существовании одного прямого физического процесса, который одновременно объясняет и излучение, и потерю энергии.

«Возможно, астрофизические чёрные дыры излучают по такому же простому и прямому процессу, как и наш аналог. Полученная обратная реакция описывает в микроскопических деталях, как чёрные дыры испаряются», — отметили исследователи.

Ученые подчеркивают, что непосредственно подтвердить этот процесс на примере реальных черных дыр в ближайшее время вряд ли удастся. Однако если аналогичный механизм обнаружат и в других лабораторных моделях, это станет весомым аргументом в пользу того, что эксперимент отражает фундаментальные свойства излучения Хокинга.

Результаты исследования также могут приблизить физиков к решению информационного парадокса черных дыр — одной из самых сложных проблем, над которой Стивен Хокинг работал до конца жизни. Суть парадокса, возникающего на стыке квантовой механики и теории относительности, заключается в том, что после полного испарения черной дыры в результате излучения вся информация о ее начальном состоянии безвозвратно теряется.

Недавно учёные впервые представили точное математическое решение уравнений Эйнштейна, описывающее процесс формирования микроскопических чёрных дыр из так называемых «кристаллов пространства-времени». Согласно исследованию, при определённых условиях четырёхмерная ткань пространства-времени может переходить в нестабильное кристаллоподобное состояние, где даже минимальный приток энергии запускает критический коллапс — подобно мгновенной кристаллизации переохлаждённой воды от лёгкого встряхивания.