Физики создали в лаборатории черную и белую дыры

Физики из Сент-Эндрюсского университета промоделировали в лаборатории черную и белую дыру, создав в оптоволокне их горизонты событий. Ученые надеются, что модель позволит исследовать предсказанные, но не подтвержденные эмпирически свойства черных дыр, в частности, испарение Хокинга, сообщает журнал Science.

Аналогом черной дыры в работающей модели, созданной группой профессора Ульфа Леонхардта (Ulf Leonhardt), является передний фронт особого светового импульса, который изменяет коэффициент преломления света в среде вокруг себя, подобно тому как гравитация настоящей черной дыры изменяет свойства пространства-времени. Ценность модели в том, что она может позволить исследовать предсказанные, но не подтвержденные эмпирически свойства черных дыр.

Черная дыра - область пространства c настолько сильным гравитационным притяжением, что даже свет не может ее покинуть. Черные дыры возникают, например, при коллапсе массивной звезды. Граница черной дыры называется горизонтом событий.

Белая дыра - гипотетическая противоположность черной дыры. Если черная дыра безвозвратно поглощает все, что окажется за ее горизонтом событий, то белая, наоборот, не впускает ничего за свой горизонт событий. Его, как и горизонт событий черной дыры, можно преодолеть только в одну сторону, но в противоположную.

В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что черные дыры парадоксальным образом медленно испаряются, теряя энергию и массу. Этот квантовый эффект становится возможен благодаря рождению пар частица-античастица из вакуума вблизи горизонта событий. Возможен вариант событий, когда античастица, имеющая отрицательную полную энергию, падает в черную дыру, уменьшая тем самым ее энергию покоя и массу, а частица — улетает. Для стороннего наблюдателя это выглядит как излучение черной дыры.

Эмпирических подтверждений гипотезы об испарении черных дыр не получено: хотя дыры за счет него имеют температуру, она настолько мала, что зафиксировать ее астрофизики не могут. Что именно происходит за горизонтом событий, также не очень понятно: многие теоретические описания упираются в не разрешенные до сих пор противоречия. Поэтому уже более двадцати лет обсуждается возможность аналогового моделирования черной дыры в лаборатории. Простейшей условной моделью является река с сильным водопадом. Если рыбы, находящиеся выше водопада по течению, подплывают к нему слишком близко (пересекают горизонт событий), они уже не могут уплыть от него и "исчезают" в нем, как в черной дыре. Для рыб же, находящихся ниже водопада, он является белой дырой - они не могут преодолеть течение и приблизиться к нему. Аналогом гравитации здесь является течение.

В модели Леонхардта реку заменяет свет, а примерным аналогом гравитации является коэффициент преломления света в оптоволокне: от него зависит скорость света в волокне. Для создания дыр (и черной, и белой) в оптоволокно особого типа, называемое "нелинейным", посылается световой импульс, изменяющий по мере своего продвижения индекс преломления волокна (эффект Керра).

Вслед этому импульсу посылается еще один, имеющий большую скорость (за счет большей длины волны). Он, однако, вынужден двигаться уже по волокну с измененным коэффициентом преломления, поэтому скорость его по мере приближения к начальному импульсу постоянно уменьшается, и догнать он его не в силах. Это белая дыра: импульс не в силах преодолеть горизонт событий, которым является задний фронт первого импульса.

Аналогом горизонта черной дыры служит передний фронт импульса. Модель приблизительна: исчезновения объекта, пересекшего горизонт событий, не происходит, однако достаточно точно воспроизводится его поведение при приближении к горизонту событий. За счет изменения коэффициента преломления длина волны света, движущегося навстречу импульсу, постоянно уменьшается, как это происходило бы при приближении к настоящей черной дыре.

По мнению Леонхардта, искусственная черная дыра должна иногда испускать фотоны ультрафиолетового света, являющиеся аналогом хокинговского испарения. Обнаружить такое событие достаточно сложно, и пока этого сделать не удалось.

Отметим, что независимо от работы Леонхардта в архиве препринтов arXiv.org 4 марта появилась статья, теоретически обосновывающая возможность моделирования черной дыры при помощи не света, а звука. Такая акустическая черная дыра, по мнению исследователей, тоже может позволить наблюдать хокинговское испарение.