25.06.2017
0
469

Чёрные дыры действительно «чёрные»?

Являются ли черные дыры реально черными? Новый лабораторный эксперимент указывает на ответ «нет».

Во время использования симулятора черной дыры, сделанного из звуковых волн, ученые наблюдали явление, известное как излучение Хокинга: слабый выброс энергии, который, в теории, создается прямо на краю горизонта событий черной дыры (предел, за который не может вырваться даже свет).

Если излучение Хокинга исходит из реальных черных дыр, а не только из их симулятора в лаборатории, то это значит, что такие объекты не являются абсолютно черными. Этот  факт может помочь ученым решить парадокс  черных дыр, и, возможно, пролить свет на одну из самых значительных проблем современной физики.

Джефф Штайнхауэр, физик-экспериментатор в Technion (Израильский Технологический институт в Израиле), а также ведущий автор этого  нового исследования, поделился своими мыслями с читателями.

По данным Штайнхауэра, ранние расчеты космолога Стивена Хокинга (который и создал теорию, носящую его имя) объединяли теорию квантовой физики и теорию гравитации. Нынешний эксперимент проверил эти расчеты посредством тестирования, и представил убедительные доказательства того, что они верны.

Черная дыра – испытательный полигон для законов физики, – говорит Штайнхауэр.

Плыть против течения

Есть сложное понятие в физике, которое говорит, что пары частиц постоянно создаются на свет и сразу уничтожаются по всему пространству. Одна частица является обычной материей, а другая – ее противоположность, или античастица. Рождаясь на свет, они сталкиваются и мгновенно уничтожают друг друга (аннигилируют). Это так называемые виртуальные частицы. Когда подобное происходит близко к краю черной дыры (горизонта событий), частицы могут избежать аннигилирования  – частица ближе к черной дыре проваливается внутрь, а другая выбрасывается в космос.

Но наблюдение таких объектов остается очень сложным, так как излучение Хокинга вокруг черной дыры (если оно существует) настолько слабое, что его может быть и не видно, плюс большинство черных дыр расположены очень далеко от Земли. В дополнение к дистанции, излучение Хокинга, вполне возможно, может перебиваться излучениями от других источников, говорит Штайнхауэр.

Это всё, вместе взятое, делает обнаружение излучения вокруг черной дыры почти невозможным, – сказал он.

Эта же проблема касается и наблюдений в лаборатории, где любое тепло может создавать радиационный фон, который очень похож на излучение Хокинга, создаваемое симулятором. Чтобы устранить эту проблему, эксперимент Штайнхауэра достиг температуры менее, чем одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля.

В аналоге черной дыры, ряд охлажденных с помощью лазера атомов рубидия создает форму материи, известную как бозе-эйнштейновский конденсат. Охлажденный газ течет быстрее скорости звука в одном направлении, так что звуковая волна, пытаясь идти против течения, попадает в ловушку. Это можно сравнить с пловцом, который пытается плыть против сильного течения и остается на месте, будучи не в состоянии его преодолеть.

Попытка плыть вверх по течению аналогична попытке света вырваться из черной дыры. Звуковые волны «пытаются» двигаться вперед, чтобы не упасть внутрь. Если у края горизонта событий возникают две виртуальные частицы, одну частицу может поглотить черная дыра (из-за быстрого потока), а другой предоставляется возможность «убежать», избегая уничтожения. Именно «убегающие» частицы и называются излучением Хокинга.

Подобный метод был предложен в 1981 году, и с тех пор ученые пытаются имитировать излучения Хокинга в своих лабораториях. Этот новый эксперимент занял более выжидательную позицию, наблюдая, когда пара частицы-античастицы появится без внешней стимуляции, это больше похоже на то, что происходит в глубинах космоса.

Как Хокинг и предполагал, симулятор черной дыры выплевывает предсказанную частицу, что является прямым признаком излучения Хокинга.

То, что я видел, предполагает, что черная дыра имитирует нечто подобное – говорит Штайнхауэр.

Новая находка также имеет большие последствия в области физики, сказал он. Одна из самых больших тайн в физике – почему теория гравитации Эйнштейна (описывающая крупномасштабные взаимодействия во Вселенной), кажется, не совместима с квантовой механикой (которая описывает взаимодействия на атомном уровне).

«Объединение гравитации с квантовой физикой является одной из основных задач любого физика сегодня», – говорит Штайнхауэр. «Хокинг сделал первые шаги к этому».

Имитация черной дыры проверила уравнения Хокинга.

«Его расчеты предсказывали некое излучение, свет от черной дыры,» говорит Штайнхауэр. «Выяснилось, что его расчеты были правильными».

Парадокс решить нельзя оставить?

Согласно теории относительности Эйнштейна, все, что пересекает горизонт событий черной дыры поглощается, в том числе информация. Так как вырывающиеся частицы крадут энергию из черной дыры, массивный объекта может уменьшаться со временем, и, в конце концов, испарится в ничто. Конечно, это предполагает, что черная дыра вовсе перестанет поглощать близлежащих материал и, следовательно, не будет «набирать» новый вес. Теоретически черная дыра может сжаться в ничто, забирая с собой на тот свет и информацию о поглощенных частицах.

Информация бесследно исчезает, — сказал он. Она попадает в черную дыру и испаряется вместе с ней .

Поскольку квантовая механика предполагает, что информация не может быть полностью утрачена , подобное заявление вызывает парадокс.

По расчетам Хокинга, уцелевшие частицы (убежавшие) не содержат никакой полезной информации о том, как черная дыра образовалась и какие частицы поглотила, из чего следует заключение, что данные исчезли в саму черную дыру вместе с поглощенными частицами-парами.

Черная дыра штайнхауэра показала, что высокоэнергетические  частицы остаются запутанными, даже после того, как были поглощены горизонтом событий. Запутанные частицы могут мгновенно обмениваться информацией, даже если они разделены огромными расстояниями, это явление иногда называют «призрачным действием на расстоянии».

Некоторые из решений этого парадокса, вероятно, опираются на запутанность, говорит Штайнхауэр.

Некоторые ученые, не связанные с исследованием, были опрошены после эксперимента. Их мнение  состоит в том, что, хотя эксперимент и измерил излучение Хокинга, это не обязательно доказывает аналогичное его существование вокруг черной дыры в космосе.

Исследование было опубликовано онлайн в журнале Nature Physics.

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
469

Подписаться на рассылку


Подписаться на рассылку


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: