Вчені змоделювали чорну діру в лабораторії

Аналог чорної діри може розповісти нам дещо про невловиме випромінювання, яке теоретично випромінює справжня діра. 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 в результаті збурень у квантових флуктуаціях, викликаних проривом чорної діри в простір-час.

Це, за їхніми словами, може допомогти розв’язати суперечності між двома наразі непримиренними рамками для опису Всесвіту: загальною теорією відносності, яка описує поведінку гравітації як безперервного поля, відомого як простір-час; і квантова механіка, яка описує поведінку дискретних частинок за допомогою математики ймовірності.

Для єдиної теорії квантової гравітації, яку можна застосувати універсально, ці дві теорії, які не змішуються, повинні знайти спосіб якось уживатися. Ось тут і з’являються чорні діри – ймовірно, найдивніші, найекстремальніші об’єкти у Всесвіті. Ці масивні об’єкти настільки неймовірно щільні, що на певній відстані від центру мас чорної діри жодна швидкість у Всесвіті не є достатньою для втечі. Навіть не швидкість світла.

Ця відстань, яка змінюється залежно від маси чорної діри, називається горизонтом подій. Коли об’єкт перетинає межу, ми можемо лише уявити, що відбувається, оскільки ніщо не повертається з важливою інформацією про його долю. Але в 1974 році Стівен Хокінг припустив, що переривання квантових флуктуацій, викликане горизонтом подій, призводить до типу випромінювання, дуже схожого на теплове випромінювання.

Якщо це випромінювання Хокінга існує, воно надто слабке, щоб ми могли його виявити. Можливо, ми ніколи не виділимо його з шиплячої статики Всесвіту. Але ми можемо дослідити її властивості, створивши аналоги чорної діри в лабораторних умовах. Це робили раніше, але в листопаді 2022 року команда під керівництвом Лотте Мертенс з Амстердамського університету в Нідерландах спробувала щось нове.

Одновимірний ланцюжок атомів служив шляхом для «стрибків» електронів з однієї позиції в іншу. Налаштувавши легкість, з якою може відбуватися цей стрибок, фізики могли спричинити зникнення певних властивостей, фактично створюючи своєрідний горизонт подій, який перешкоджає хвилеподібній природі електронів.

Ефект цього фальшивого горизонту подій спричинив підвищення температури, яке відповідало теоретичним очікуванням еквівалентної системи чорних дір, сказала команда, але лише тоді, коли частина ланцюга виходила за горизонт подій.

Це може означати, що заплутаність частинок, які перетинають горизонт подій, відіграє важливу роль у створенні випромінювання Хокінга. Змодельоване випромінювання Хокінга було лише тепловим для певного діапазону амплітуд стрибків і в моделях, які починалися з імітації простору-часу, який вважався «плоским». Це свідчить про те, що випромінювання Хокінга може бути тепловим лише в ряді ситуацій, а також коли відбувається зміна викривлення простору-часу через силу тяжіння.

Незрозуміло, що це означає для квантової гравітації, але модель пропонує спосіб вивчити появу випромінювання Хокінга в середовищі, на яке не впливає дика динаміка формування чорної діри. І оскільки це дуже просто, його можна використовувати в широкому діапазоні експериментальних установок, кажуть дослідники.

«Це може відкрити місце для дослідження фундаментальних квантово-механічних аспектів поряд із гравітацією та викривленим простором-часом у різних середовищах конденсованої речовини», — пишуть дослідники. Джерело