Аналог чорної діри міг би розповісти нам дещо про невловиме випромінювання, теоретично випромінюване реальною речовиною.
Використовуючи ланцюжок атомів в одному файлі для моделювання горизонту подій чорної діри, команда фізиків у 2022 році спостерігала еквівалент того, що ми називаємо випромінюванням Хокінга – частинки, що народжуються внаслідок порушень квантових флуктуацій, спричинених розривом чорної діри в просторі-часі.
Це, кажуть вони, може допомогти вирішити суперечність між двома наразі несумісними рамками опису Всесвіту: загальною теорією відносності, яка описує поведінку гравітації як безперервного поля, відомого як простір-час; та квантовою механікою, яка описує поведінку дискретних частинок за допомогою математики ймовірності.
Перегляньте короткий виклад дослідження у відео нижче:
Для єдиної теорії квантової гравітації, яку можна застосовувати універсально, цим двом незмішуваним теоріям потрібно знайти спосіб якимось чином узгоджуватися. Саме тут на сцену виходять чорні діри – можливо, найдивніші, найекстремальніші об’єкти у Всесвіті. Ці масивні об’єкти настільки неймовірно щільні, що в межах певної відстані від центру мас чорної діри жодна швидкість у Всесвіті не є достатньою для втечі. Навіть швидкість світла.
Ця відстань, що змінюється залежно від маси чорної діри, називається горизонтом подій. Щойно об’єкт перетинає його межу, ми можемо лише уявляти, що відбувається, оскільки ніщо не повертається з важливою інформацією про його долю. Але в 1974 році Стівен Гокінг припустив, що переривання квантових коливань, спричинені горизонтом подій, призводять до типу випромінювання, дуже схожого на теплове випромінювання.
Якщо це випромінювання Гокінга існує, то воно ще надто слабке, щоб ми його могли виявити. Можливо, нам ніколи не вдасться виділити його з шиплячої статики Всесвіту. Але ми можемо дослідити його властивості, створивши аналоги чорних дір у лабораторних умовах.
Це вже робили раніше, але в листопаді 2022 року команда під керівництвом Лотте Мертенс з Амстердамського університету в Нідерландах спробувала щось нове.
Одновимірний ланцюг атомів слугував шляхом для електронів, щоб «перестрибувати» з однієї позиції в іншу. Налаштовуючи легкість, з якою можуть відбуватися ці перестрибування, фізики могли призвести до зникнення певних властивостей, фактично створюючи своєрідний горизонт подій, який заважав хвилеподібній природі електронів.
За словами команди, ефект цього фальшивого горизонту подій призвів до підвищення температури, яке відповідало теоретичним очікуванням еквівалентної системи чорних дір, але лише тоді, коли частина ланцюга виходила за межі горизонту подій. Це може означати, що заплутаність частинок, що перетинають горизонт подій, відіграє важливу роль у генерації випромінювання Хокінга.
Змодельоване випромінювання Хокінга було тепловим лише для певного діапазону амплітуд стрибків, і за умов симуляцій, які починалися з імітації простору-часу, що вважається «плоским». Це говорить про те, що випромінювання Хокінга може бути тепловим лише в певному діапазоні ситуацій, а також коли відбувається зміна викривлення простору-часу під дією гравітації.
Незрозуміло, що це означає для квантової гравітації, але модель пропонує спосіб вивчення виникнення випромінювання Хокінга в середовищі, на яке не впливає дика динаміка формування чорної діри. І, оскільки це так просто, її можна використовувати в широкому діапазоні експериментальних установок, кажуть дослідники.
«Це може відкрити шлях для дослідження фундаментальних квантово-механічних аспектів поряд з гравітацією та викривленим простором-часом у різних умовах конденсованої матерії», – пишуть дослідники.
Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Research.