Фізики змоделювали чорну діру в лабораторії. Потім вона почала світитися

Аналог чорної діри міг би розповісти нам дещо про невловиме випромінювання, яке теоретично може випромінювати реальний об’єкт.

Використовуючи ланцюжок атомів в одному файлі для моделювання горизонту подій чорної діри, команда фізиків у 2022 році спостерігала еквівалент того, що ми називаємо випромінюванням Гокінга – частинки, народжені збуреннями квантових флуктуацій, спричинених розривом простору-часу чорної діри.

Це, за їхніми словами, може допомогти вирішити суперечність між двома непримиренними на сьогодні рамками для опису Всесвіту: загальною теорією відносності, яка описує поведінку гравітації як безперервного поля, відомого як простір-час, і квантовою механікою, яка описує поведінку дискретних частинок, використовуючи математику ймовірності.

Щоб створити єдину теорію квантової гравітації, яку можна було б застосовувати повсюдно, ці дві несумісні теорії повинні знайти спосіб якось ужитися разом.

Саме тут на сцену виходять чорні діри – можливо, 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 швидкість світла.

Ця відстань, що залежить від маси чорної діри, називається горизонтом подій. Як тільки об’єкт перетинає його межу, ми можемо лише уявити, що відбувається, оскільки ніщо не повертається з життєво важливою інформацією про його долю. Але в 1974 році Стівен Гокінг припустив, що переривання квантових флуктуацій, спричинені горизонтом подій, призводять до типу випромінювання, дуже схожого на теплове.

Якщо це випромінювання Гокінга і існує, то воно занадто слабке, щоб ми могли його виявити. Можливо, нам ніколи не вдасться виокремити його з шиплячої статики Всесвіту. Але ми можемо дослідити його властивості, створивши аналоги чорних дір у лабораторних умовах.

Це робили і раніше, але в листопаді 2022 року команда під керівництвом Лотти Мертенс з Амстердамського університету в Нідерландах спробувала дещо нове.

Одновимірний ланцюжок атомів слугував для електронів шляхом для “стрибків” з однієї позиції в іншу. Змінюючи легкість, з якою ці стрибки можуть відбуватися, фізики могли спричинити зникнення певних властивостей, фактично створюючи своєрідний горизонт подій, який втручався у хвилеподібну природу електронів.

Ефект цього фальшивого горизонту подій спричинив зростання температури, яке відповідало теоретичним очікуванням еквівалентної системи чорних дір, але тільки тоді, коли частина ланцюжка виходила за межі горизонту подій.

Це може означати, що заплутаність частинок, які перетинають горизонт подій, відіграє важливу роль у генеруванні випромінювання Гокінга.

Змодельоване випромінювання Гокінґа було тепловим лише для певного діапазону амплітуд стрибків, і в моделюванні, яке починалося з імітації певного типу простору-часу, що вважався “пласким”. Це свідчить про те, що випромінювання Гокінґа може бути тепловим лише в певних ситуаціях, коли відбувається зміна викривлення простору-часу під дією гравітації.

Незрозуміло, що це означає для квантової гравітації, але модель пропонує спосіб вивчати появу випромінювання Гокінга в середовищі, яке не піддається впливу дикої динаміки утворення чорної діри. І, оскільки вона дуже проста, її можна застосовувати в широкому діапазоні експериментальних установок, кажуть дослідники.

“Це може відкрити можливості для вивчення фундаментальних квантово-механічних аспектів, а також гравітації і викривленого простору-часу в різних умовах конденсованої речовини”, – пишуть дослідники.