Рукотворная чёрная дыра

PHOTO: ESA/V. Beckmann/NASA-GSFC

7 марта 2008 года физики из Университета Сент-Эндрюс, Шотландия, сообщают, что они создали аналог черной дыры в лаборатории. Подобная настольная черная дыра, сделанная из отрезка оптоволокна и лазерного излучения, может оказаться неоценимой в понимании особенностей этих экзотических астрономических объектов.

"Приблизительно три с половиной года назад, в августе 2004 года, я понял, что возможно использовать оптические волокна, чтобы создать аналог черной дыры," рассказывает Улф Леонхардт (Ulf Leonhardt), который опубликовал свои исследования в мартовском номере журнала Science. "Потребовалось некоторое время, чтобы сделать эксперимент, потому что было очень трудно получить финансирование."

Леонхардта уже поздравили эксперты по стекловолоконной оптике (такие, например, как Ян Уолмслей (Ian Walmsley) из Оксфордского университета), за крупный прорыв в области нелинейной оптики.

Черные дыры - одни из самых экзотических объектов (целей) во вселенной. Они невероятно плотны, с мощным гравитационным полем. Одна из ключевых особенностей черной дыры - сфера Шварцшильда (другое название – горизонт событий), которая разграничивает область в черной дыре, где поле тяготения настолько интенсивно, что ничто, даже свет, не может вырваться наружу.

Физики и астрономы полагают, что черные дыры сформировываются, когда огромные звезды разрушаются в конце своей жизни. Согласно астрономам, они существуют в центрах галактик, где они действуют как гигантские двигатели, которые двигают звезды. Однако, изучение их чрезвычайно затруднено, особенно потому что астрономия может изучить только информацию, которую несёт свет. В случае черных дыр, в отсутствии света астрофизики должны положиться на косвенные методы, типа определение присутствия черных дыр по тому, как их гравитация изгибает свет вне сферы Шварцшильда – такое явление учёные называюи гравитационными линзами.

Наличие доступа к искусственной черной дыре в лаборатории позволит астрофизикам проверить прогнозы сделанные теоретиками. Физики особенно хотели бы проверять новые теории, например квантовую гравитацию, которая стремится примерить теорию общей относительности Эйнштейна с квантовой механикой.

"Намного легче использовать для наблюдений эти объекты вместо их астрономических двойников," рассказывает Григори Воловик (Grigori Volovik) из Хельсинского Технологического Университета, Финляндия, нашедший другие аналоги космологических явлений в лаборатории физики плотной материи

Сотовидные Отверстия: множество шестиугольных отверстий по всей  длине волокна, даёт свойства, которые позволяют ученым создавать искусственный сферу Шварцшильда.

Фото: Ulf Leonhardt/University of St. Andrews, Scotland

 "Свет, распространяющийся в перемещающейся среде, подобен свету, распространяющемуся в искривлённом пространстве, типа того, что вы найдёте около черной дыры», объясняет Воловик. «Так появляется возможность создавать искусственные сферы."

Следуя теория относительности Эйнштейна, как только свет приближается к горизонту событий, он сильно замедляется и растягивается; время также стало бы идти очень медленно. Ученые разработали подробно, как такое замедление выглядит и Лелнхард с коллегами заявляет, что они наблюдали предсказанные эффекты в их лабораторной сфере Шварцшильда.

Леонхард и его коллеги надеются, что их искусственная сфере Шварцшильда позволит экспериментаторам увидеть, может ли что-нибудь сбежать из черной дыры. Эта очень алогичная идея была предложена Стивеном Хокингом в 1970-ых годах. Хокинг применил принципы квантовой механики к существующей теории черной дыры и предположил, что черные дыры вообще не черны. Вместо этого они испускают свет, который с тех пор так и называется - излучение Хокинга.

Следующий шаг: новый лазерный эксперимент попытается найти признаки излучения Хокинга от  волокна сферы Шварцшильда. Photo: Ulf Leonhardt/University of St. Andrews, Scotland

Излучение Хокинга возможно из-за принципа неопределённости Гейзенберга в квантовой механике, который утверждает, что вы не можете точно определить все физические свойства частицы без всякой неопределённости. Когда его применяют к вакууму - пустому месту – то это приводит к потрясающей идее: вакуум не вакуум вообще а скорее изобилующий виртуальными частицами и их античастицами, которые существуют доли секунды перед объединением и уничтожением друг друга. Кажется, что природа не возражает против этого, пока частицы существуют время меньшее чем уровень неопределённости, позволенный принципом неопределённости Гейзенберга.

В этой необычной области вокруг сферы Шварцшильда в черной дыре, вещи иногда ведут себя не так, как обычно. Виртуальная частица или античастица попадают внутрь  сферы Шварцшильда и не могут убежать, чтобы повторно объединиться со своей копией. Другая виртуальная частица вынуждена жить дольше, чем принцип неопределённости позволяет, становясь реальной частицей. Достаточно много такого происходит около сферы Шварцшильда из черной дыры, постулирует Хокинг, так что черная дыра не полностью черна, она излучает вместо этого.

Однако, излучение Хокинга слишком слабо для измерения телескопом, потому что оно заглушается космическим микроволновым фоном - тусклым излучение остатков от Большого взрыва, который создал вселенную.

"Эти аналоги - лучшая надежда, которую мы имеем для испытания предположений предсказаний Хокинга об  тепловом излучении черной дыры," рассказывает Уильям Унрух, физик-теоретик из университета Британской Колумбии, которому приписывают изобретение идеи использования перемещающейся среды в качестве аналога сферы Шварцшильда. "Работа Леонхардта - определенно многообещающий шаг, и было бы замечательно, если бы мы нашли такое квантовое тепловое излучение от черной дыры."

Вот что команда из Сент-Эндрюса пробует сделать. "Следующий шаг должен попробовать измерить квантовые эффекты," рассказывает Леонхардт. "Мы уже начали работу."