Физики обнаружили излучение Хокинга

Исследователи из Weizmann Institute of Science (Израиль) and Cinvestav (Center for Research and Advanced Studies of the National Polytechnic Institute, Мексика) недавно провели исследование, в котором проверяется теория излучения Хокинга на лабораторных аналогах черных дыр. В своих экспериментах они использовали световые импульсы в нелинейной волоконной оптике для установления искусственных горизонтов событий.

Еще в 1974 году известный физик Стивен Хокинг поразил мир физики своей теорией излучения Хокинга, которая предполагала, что вместо того, чтобы быть черными, черные дыры должны слегка светиться из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий черной дыры. Согласно теории Хокинга, сильное гравитационное поле вокруг черной дыры может влиять на образование совпадающих пар частиц и античастиц.

Если эти частицы будут созданы за пределами горизонта событий, положительный член этой пары частиц может вырваться, что приведет к наблюдаемому тепловому излучению, испускаемому из черной дыры. Это излучение, которое впоследствии было названо излучением Хокинга, будет, следовательно, состоять из фотонов, нейтрино и других субатомных частиц. Теория излучения Хокинга была в числе первых, кто объединил понятия квантовой механики с теорией общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Излучение Хокинга никогда не наблюдалось непосредственно в космосе, поскольку в настоящее время это невозможно. Однако оно может быть продемонстрировано в лабораторных условиях, например, с использованием конденсатов Бозе-Эйнштейна, поляритонов или света. В прошлом несколько исследователей пытались проверить излучение Хокинга в лаборатории, используя различные методы, однако большинство их исследований были оспорены.

Например, некоторые прошлые результаты, полученные с интенсивными световыми импульсами в оптических средах, оказались несовместимыми с теорией. Вместо того чтобы наблюдать излучение Хокинга, создаваемое горизонтами, как позже выяснили сами авторы, они фактически наблюдали излучение без горизонта, создаваемое их световыми импульсами, так как они превышали фазовую скорость света для других частот. Другие исследования, пытавшиеся наблюдать излучение Хокинга на волнах воды и в конденсатах Бозе-Эйнштейна, также оказались проблематичными.

«Я очень восхищаюсь героизмом людей, которые их делают, их техническими навыками и опытом, но это очень сложный вопрос», — говорит один из авторов работы Ульф Леонард. «Горизонты событий — это идеальные ловушки; очень легко попасть в ловушку, не замечая этого, и это относится и к исследованию горизонтов. Мы учимся и становимся экспертами в соответствии с классическим определением: эксперт — это тот, кто сделал все возможные ошибки».

Как было доказано предыдущими усилиями, наблюдение за излучением Хокинга в лаборатории является очень сложной задачей. Исследование, проведенное Леонардом и его коллегами, может стать первой достоверной демонстрацией излучения Хокинга в оптике.

«Черные дыры окружены горизонтами событий. Горизонт отмечает границу, через которую свет больше не может выходить. Хокинг предсказал, что на горизонте создаются кванты света — фотоны. Один фотон появляется за горизонтом и может уйти, а его партнер появляется изнутри и падает в черную дыру. Согласно квантовой механике частицы связаны с волнами. Фотон снаружи принадлежит к волне, которая колеблется с положительной частотой, а волна его партнера изнутри колеблется с отрицательной частотой» — говорит Ульф Леонард.

В своем исследовании ученые выявили положительные и отрицательные частоты. Их свет с положительной частотой был инфракрасным, а свет с отрицательной частотой — ультрафиолетовым. Исследователи обнаружили их обоих, а затем сравнили с теорией Хокинга. Небольшое количество ультрафиолетового света, которое им удалось обнаружить с помощью чувствительного оборудования, является первым явным признаком стимулированного излучения Хокинга в оптике. Это излучение называется «стимулированным», потому что оно стимулируется зондирующим светом, который исследователи посылали, чтобы преследовать импульсы.

«Наш самый важный вывод, возможно, заключается в том, что черные дыры не являются чем-то необычным, но они очень похожи на то, что световые импульсы делают с обычным светом в волокнах», — сказал Леонард. «Демонстрировать тонкие квантовые явления, такие как излучение Хокинга, нелегко. Требуются чрезвычайно короткие импульсы, необычные кристаллические волокна, чувствительное оборудование и, что не менее важно, тяжелая работа. Но даже излучение Хокинга — это то, что можно понять на самом деле».

Исследование, проведенное учеными, является важным вкладом в область физики, поскольку оно обеспечивает первую лабораторную демонстрацию излучения Хокинга в оптике. Исследователи также обнаружили, что аналогия с горизонтами событий является чрезвычайно надежной.

«Теперь нам нужно улучшить нашу установку, чтобы подготовиться к следующей большой задаче: наблюдению за спонтанным излучением Хокинга», — сказал Ульф Леонард. «В этом случае излучение больше не стимулируется, за исключением неизбежных колебаний квантового вакуума. Наши следующие цели — это шаги, которые улучшат наше устройство и протестируют различные аспекты стимулированного излучения Хокинга, прежде чем перейти к самопроизвольному излучению Хокинга».

Ulf Leonhardt. Questioning the Recent Observation of Quantum Hawking Radiation, Annalen der Physik (2018). DOI: 10.1002/andp.201700114

Jonathan Drori et al. Observation of Stimulated Hawking Radiation in an Optical Analogue, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.010404