12 октября 2014 года на сайте журнала Nature Physics была опубликована статья с описанием наблюдения излучения Хокинга в аналоговой модели черной дыры. Мы попросили прокомментировать это исследование физика Эмиля Ахмедова.

Рождение частиц гравитационными полями черных дыр (излучение Хокинга) — одно из самых интересных и фундаментальных явлений физики. Оно не подтверждено экспериментально в силу своей крайней слабости. Например, черная дыра массы Солнца излучала бы как тело, «нагретое» до температуры 0,0000001 кельвин. Для сравнения: температура реликтового излучения, заполняющего всю видимую Вселенную, равна 2,7 кельвина. Такая черная дыра испарилась бы полностью за 1067 лет, если бы не было этого реликтового излучения. Для сравнения: возраст Вселенной около 1,375 * 1010 лет. Более тяжелые черные дыры имеют еще меньшую температуру. При этом в нынешних условиях во Вселенной в черные дыры коллапсируют звезды тяжелее двух с половиной масс Солнца. Однако черная дыра массы 100 000 килограмм испарилась бы за доли секунды, если бы ее можно было бы сформировать.

В связи с этим есть надежда увидеть хокинговское излучение только от реликтовых черных дыр, которые, возможно, образовывались и испарялись на ранних стадиях развития Вселенной, когда в силу высокой плотности исходного вещества могли образовываться сверхлегкие и маленькие дыры.

Рекомендуем по этой теме:
17105
Черные дыры

В такой ситуации приходится констатировать, что черные дыры и их излучение являются очень плохо изученными явлениями. В результате в ученом сообществе существуют совершенно разные, а нередко и противоположные точки зрения на них. Поэтому любой альтернативный, но при этом хорошо проработанный взгляд на черные дыры и излучение Хокинга очень приветствуется.

На данный момент имеется только несколько альтернативных теоретических способов показать, что черные дыры должны излучать. Один из таких способов принадлежит самому Хокингу и основывается на перестройке вакуума квантовых полей на фоне процесса коллапса звезды в черную дыру. Этот способ не очень подходит в качестве коллоквиального объяснения явления для неискушенной публики, но, на мой взгляд, он является наиболее последовательным и понятным. Во всяком случае, он больше проясняет, чем запутывает обсуждаемое явление, если ученый имеет цель разобраться в вопросе, а не популяризовать среди коллег собственный взгляд на вещи.

Другой способ вывода излучения Хокинга более нагляден и часто используется для его научно-популярного объяснения. Он формально описывает процесс рождения пар частиц и античастиц около горизонта событий уже давно сформировавшейся черной дыры. Гравитационное поле черной дыры при этом растягивает компоненты пары. В результате одна из компонент пары несет положительную энергию и улетает на бесконечность, а другая несет отрицательную энергию и падает под горизонт. Таким образом, масса черной дыры уменьшается, теряя энергию на улетающее температурное излучение. Как можно понять из вышесказанного, под горизонтом вроде бы должен быть поток отрицательного излучения внутрь. Этот вывод излучения Хокинга, несмотря на свою «наглядность», на мой взгляд, при честном взгляде на явление больше рождает вопросов, чем проясняет что-либо.

Статья Джеффа Штейнхауэра (Jeff Steinhauer) посвящена экспериментальному (!) изучению аналоговых черных дыр, а точнее так называемых «глухих дыр». Безусловно, из-за отсутствия возможности экспериментально изучить черные дыры и их излучение любой альтернативный взгляд очень ценен, особенно если он основан на экспериментальном, а не на компьютерном или теоретическом исследовании. Оказывается, что физика конденсированного состояния в этом смысле предоставляет богатые возможности моделирования явлений фундаментальной физики даже в присутствии гравитации. Это направление было инициировано в 80–90-е годы прошлого столетия многими учеными независимо, среди которых хотелось бы отметить ведущую роль Уильяма Унру из Университета Британской Колумбии и Григория Воловика из Института теоретической физики им. Ландау в Черноголовке.

Дело в том, что поведение звуковых волн в конденсированном состоянии нередко описывается уравнениями, близкими по своим свойствам к уравнениям, управляющим поведением частиц в гравитационных полях. Можно, например, создать нечто вроде звукового барьера, за которым конденсированная среда течет со скоростью, большей скорости звука, а перед ним — с меньшей. Вблизи такого барьера звуковые волны ведут себя аналогично световым в присутствии черной дыры. Возможность создания такой «глухой дыры» обсуждалась давно. Вроде бы Джефф Штейнхауэр претендует на первенство в конкретной экспериментальной реализации этого явления. Он использовал так называемый конденсат Бозе из сильно охлажденных атомов и лазером ускорил течение до сверхзвуковой скорости с одной стороны барьера. (С экспериментальной точки зрения, насколько можно судить, здесь самое трудное — не разрушить конденсат и квантовые свойства среды при таких течениях.)

В присутствии такой «глухой дыры» квантовые звуковые возбуждения ведут себя как легкие возбуждения в присутствии электрически заряженной настоящей черной дыры (они описываются аналогичными уравнениями). Теоретически предсказано, что в такой черной дыре должно происходить усиление отрицательного потока внутри черной дыры. В обсуждаемой статье утверждается, что наблюдается именно такое усиление. У меня есть много вопросов по теоретическому обоснованию данного эксперимента, но в любом случае это шаг в верном направлении и необходимый элемент в мозаике (или, если хотите, пазле) наблюдений вокруг черных дыр и их излучения.