Песня чёрной дыры

23.10.2013 Наука и жизнь

Неестественная чёрная дыра симулирует излучение Хокинга посредством звуковых частиц.

Чёрные дыры – сердца спиральных галактик – постоянно интригуютисследователей. Они владеют таковой сильной гравитацией, что кроме того фотоны – элементарные частицы, каковые переносят электромагнитное излучение и свет, – не смогут их покинуть.

Излучение Хокинга у горизонта событий чёрной дыры Конденсат Бозе-Эйнштейна и профиль плотность на протяжении оси х Симулятор чёрной дыры и «звуковое» излучение Хокинга‹ ›

Поверхность чёрной дыры определяется горизонтом событий: нет ничего, что может покинуть дыру по окончании пересечения данной поверхности. Концепция чёрных дыр будоражит умы физиков-теоретиков уже около 50 лет, но до сих пор многие вопросы о том, как они устроены, остаются неразрешёнными.

В первой половине 70-ых годов XX века Беркенштейн высказал предположение, что чёрные дыры имеют собственную «термодинамику», в которой энтропии степени и роль (температуры хаотичности совокупности, которая обязана непрерывно возрастать, в соответствии с второму закону термодинамики) играются площадь и гравитация поверхности.Песня чёрной дыры Из этого следует, что у чёрной дыры должна быть температура, а раз имеется температура, то должно быть и излучение, что идёт вразрез с концепцией горизонта событий. Стивен Хокинг отыскал объяснение несоответствию, применяя квантовую теорию поля, по окончании чего парадоксальное излучение нарекли его именем.

Дело в том, что в физическом вакууме всегда рождаются и аннигилируют флуктуации разных полей, и в некоторых случаях это указывает происхождение пары частица-античастица. В случае если такая пара покажется вблизи горизонта событий, то одна частица может «улететь» к предполагаемому наблюдателю, а вторая «проскочить» вовнутрь дыры за счёт квантового туннелирования (см. рис.1).

Улетевшая частица владеет хорошей энергией, следовательно, по закону сохранения энергии вторая частица обязана владеть отрицательной энергией. В следствии энергия (другими словами масса) чёрной дыры обязана уменьшиться.

Хокинг продемонстрировал, что спектр излучения частиц первого типа похож на спектр излучения полностью тёмного тела (идеализированная физическая модель, которая сопоставляет спектр излучения и температуру объекта, поглощающего целый спектр электромагнитного излучения), и ему обязана соответствовать температура, обратно пропорциональная массе дыры. Новейшие технологии не разрешают измерить излучение Хокинга: чёрные дыры через чур массивны, соответственно, излучение через чур слабо.

Физики, как часто бывает в таких случаях, идут в обход и ищут метод смоделировать излучение Хокинга, этакий симулятор чёрной дыры. Уже пара лет Джефф Штейнхауер из Израильского технологического университета – Техниона трудится над таким опытом в одиночку.

Это заслуживает отдельного упоминания, по причине того, что подобный стиль работы – большая редкость в мире современной экспериментальной физики, где над опытами в большинстве случаев трудится целая команда из студентов, аспирантов и более умелых исследователей. Пара лет назад показались первые результаты работы Штейнхауера, а его новая статья исследует характеристики неестественного излучения Хокинга.

«Земная» версия чёрной дыры является установкойдля конденсата Бозе-Эйнштейна. В таком агрегатном состоянии смогут пребывать лишь бозоны – частицы со поясницей равным 1, к примеру, фотоны либо протоны, и кое-какие атомы.

Бозонам «возможно» находится в одном и том же квантовом состоянии, другими словами они не подчиняются запрету Ферми. Бозоны конденсируются при температуре, весьма близкой к безотносительному нулю (-273.15°C), и квантовые эффекты тут проявляются на макроскопическом уровне. В опыт Штейнхауера атомы рубидия собраны в ловушку и охлаждены приблизительно до 170 нК (см. рис.2).

Атомы в конденсате практически неподвижны, исходя из этого скорость звука в таковой среде образовывает всего 0.5 мм/с.

Из-за чего мы заговорили о скорости звука? Фононы – частицы, соответствующие звуковым колебаниям (как фотоны соответствуют свету), играют роль флуктуаций в вакууме около горизонта событий чёрной дыры. Звуковой эквивалент горизонта событий создан посредством лазера: он заставляет атомы в ловушке колебаться стремительнее, чем скорость звука.

Фононы из той части конденсата, где атомы колеблются со сверхзвуковой скоростью, не смогут перейти в «спокойную» часть, по причине того, что не смогут обогнать колебания, вызванные лазером в конденсате (см. рис.3). В качестве аналогии возможно представить себе реку с подвижной заслонкой, которая гонит воду в одном направлении. Волны, идущие по воде в обратном направлении, не смогут «перегнать» неспециализированную массу воды.

Но, у фононов имеется ответственное отличие: они подчиняются законам квантового мира и смогут туннелировать из-за «горизонта событий», тем самым имитируя излучение Хокинга в настоящей чёрной дыре. Получается, что неестественную чёрную дыру возможно услышать!

Стало известно, что созданное так излучение Хокинга подчиняется термодинамическому распределению с температурой около 1 нК. Более того, оказалось, что в высокоэнергетической части спектра фононы по «различные стороны» чёрной дыры запутаны.

Это противоречит современному пониманию горизонта событий, и показывает на то, что полуклассический подход к моделированию чёрной дыры не разрешает парадокса с утратой информации за пределами горизонта событий («испарение» чёрной дыры за счёт излучения Хокинга нарушает постулат о сохранении информации о квантовом состоянии объектов). Всецело новые эти обрисованы в статьи в Nature и в препринте статьи на сайте arXiv.org.

Сложно сообщить конкретно, как результаты опыта сопоставимы с тем, что происходит вблизи горизонта событий настоящей чёрной дыры. Физики со всех стран всё ещё спорят о верности данного подхода. Кроме этого возможно поставить под сомнение кое-какие выводы и технические аспекты эксперимента, следующие из наблюдений.

Но нельзя не согласиться с тем, что изучения неестественных чёрных дыр, подобные тем, каковые проводит Джефф Штейнхауер, оказывают помощь совладать с несоответствиями между различными теориями, обрисовывающими физику чёрных дыр, и разрешают сделать ещё один ход к непротиворечивому объединению теории гравитации и квантовой теории поля.

Создатель: Аня Грушина

Источник: nkj.ru

Случайные записи:

Дулимобиль — Чёрная дыра (БПАН)


Похожие статьи, которые вам понравятся: