Что такое излучение Хокинга

Стивен Хокинг во второй половине 20 века предсказал, что черные дыры обладают собственным излучением — позже его назвали излучением Хокинга. Но до недавнего времени ученым не удавалось воссоздать его в лаборатории. Портал livescience.com рассказал об эксперименте, в ходе которого удалось создать миниатюру черной дыры с помощью стекла и лазерного излучения.

Причем их конфликт достаточно глубок. Общая теория относительности описывает пространство и время как гладкие и непрерывные, тогда как квантовая механика описывает мир дискретных, непредсказуемых скачков — и никому не удалось полностью «примирить» эти взгляды друг с другом.

Именно это противоречие делает излучение Хокинга трудным предметом для изучения. Астрономы никогда не обнаруживали это излучение настоящих черных дыр и, скорее всего, никогда не обнаружат; свечение слишком слабое, чтобы его можно было увидеть в темноте космоса. Поэтому физики обращаются к лабораторным аналогам, которые следуют той же математике: они строят миниатюрные черные дыры из текущей воды, ультрахолодных атомов и, в данном случае, света.

Главный трюк каждого такого аналога черной дыры — это движущаяся среда. Авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature, приводят аналогию с пловцом в море, где течение быстрее, чем он может плыть; рано или поздно его смывает течением. Именно это происходит за горизонтом событий черной дыры, и именно поэтому обычно ничто не может вырваться из черной дыры.

Но чтобы воссоздать этот поток в лаборатории, ученым нужен был материал, который мог бы двигаться достаточно быстро. Они выбрали самый элегантный «материал» — сам свет. Исследователи направили мощный, но очень короткий импульс на тонкое фотонно-кристаллическое волокно: кусок стекла с крошечными воздушными каналами. Импульс, двигаясь по волокну, немного менял преломление света, тем самым создавая иллюзию, подобную горизонту событий. После этого второй импульс, выполняющий роль зонда, попадал в течение – и когда он уже не мог успевать за скоростью течения, образовывался искусственный горизонт.

Результаты эксперимента были видны только в ультрафиолетовом спектре. Теория состоит в том, что излучение Хокинга испускается парами: один партнер ускользает, а другой, заряженный «отрицательной» энергией, отражает то, что упало в настоящую черную дыру. В этом эксперименте этот партнер появился в виде ультрафиолетового излучения.

Примечателен не только факт наличия радиации, но и то, как она появилась. В течение многих лет физики считали, что волокно генерирует излучение Хокинга каскадно: цепочку дискретных этапов, в ходе которых свет преобразуется из одной формы в другую. Но опыт работы со светом показал, что одного прямого взаимодействия достаточно — процедура может быть значительно проще и ее можно перенести на другие материалы.

Поскольку энергия должна откуда-то прийти, излучение Хокинга должно немного подтолкнуть источник, который ее создал. В настоящих черных дырах эти толчки заставляют их постепенно терять массу — феномен, описанный Хокингом в своей статье 1974 года. Ни один эксперимент ранее не смог обнаружить такое возвращение в лабораторных условиях, но эксперимент со светом изменил тенденцию.

Результат эксперимента также связан с одной из самых сложных загадок физики черных дыр — транспланковской проблемой. Если проследить излучение Хокинга до его источника, математика войдет на территорию, за которую не может поручиться ни один физик: масштаб Планка. Он оперирует настолько малыми величинами, что пространство и время перестают работать привычным образом, как известные нам законы физики. Другими словами, предсказание Хокинга может основываться на фундаменте, которого теоретически не существует.

Теперь команде ученых предстоит провести дополнительные эксперименты. Обычный лазер не может воссоздать странные квантовые свойства излучения Хокинга — именно это и собираются изучить исследователи.