Ученые создали черную дыру в научной лаборатории

Ученые создали черную дыру: вот как это произошло

Ученые создали черную дыру в научной лаборатории

Почти 50 лет назад, до появления «Интерстеллара», «Краткой истории времени» и телескопа «Горизонт событий» исследователь Уильям Унру пытался объяснить природу черных дыр студентам на коллоквиуме Оксфордского университета.

 

Ученый не располагал инвентарем, с которым можно сравнить это явление. Уильяму Унру нужен был объект настолько плотный, что свет не мог бы избежать искажения от воздействия его гравитации. И исследователь придумал свою аналогию – ею стал водопад и маленькая рыбка, переплывающая его по краю против течения воды. В результате рыба навсегда остается на дне водопада. То же происходит со светом при попадании в черную дыру.

 


Несколько лет спустя Унру читал лекцию по физике о поведении жидкостей и понял, что математика этой аналогии нарисовала картину, еще более похожую на черную дыру, чем он раньше думал. В течение десятилетий Унру генерировал только идеи, и к тому времени, когда он сам стал профессором, к нему и его ученикам пришло понимание, что они способны реализовать теоретические выкладки на практике. Было решено построить объект, похожий на черную дыру, в лаборатории.

Ученые создали черную дыру в научной лаборатории

Ученые с 1980-х годов разработали множество аналогов черной дыры с целью воссоздать пространственно-временную аномалию, описанную такими учеными, как Альберт Эйнштейн и Стивен Хокинг. Только в этом году команда во главе с физиком Джеффом Штайнхауэром из Техниона –Израильского технологического института обнаружила убедительное доказательство тому, что излучение исходит от внешних контуров черных дыр. Это было сделано благодаря использованию аналога пространственно-временной аномалии. Никто и не подозревал, что схожесть между явлениями, привычными для нашего мира и космическими, настолько велика.

 

Уильям Унру в свое время сказал: «Вселенная – это не водопад, стекающий с обрыва, и черная дыра отличается от него, но в некоторых аспектах они очень похожи».

 

И сегодня ученый утверждает, что с помощью аналогий можно достаточно подробно изучить поведение черных дыр.

 

Теория относительности Эйнштейна рассказывает о существовании черных дыр. Это объекты с чудовищной гравитацией, которая искажает пространство и время настолько, что за границу, называемую горизонтом событий, свет не выходит. Именно этот аспект и стал камнем преткновения для физиков, так как он подчиняется законам квантовой механики. И сегодня не существует метода совместить их с общей теорией относительности и ее определением гравитации.

 

Теоретики выдвинули предположение о наличии нескольких физических явлений, которые могут возникнуть в пространственно-временных аномалиях, включая излучение Хокинга. Это идея о том, что черные дыры испускают крошечные частицы энергии. Она сочетается с процессом Пенроуза, который говорит о том, что черные дыры затягивают частицы энергии и вещества, находящиеся с ними.

 

 

Современные технические средства наблюдения за аномалиями, такие как детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo, а также телескоп Event Horizon, не способны рассматривать процессы, происходящие в черных дырах, на квантовом уровне. Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире разрушитель атомов, еще не создал миниатюрную черную дыру.

 

Но он спровоцировал активную дискуссию среди ученых относительно того, нанесет ли искусственно сгенерированная аномалия ущерб нашему миру или нет. При этом большинство исследователей утверждают, что созданные коллайдером аномалии будут слишком малы, чтобы оказывать существенное влияние на пространство-время, и почти сразу исчезнут после появления.

Ученые создали черную дыру в научной лаборатории

Ученые говорят, что для генерации черной дыры в лабораторных условиях нужно значительно больше энергии, чем может сгенерировать адронный коллайдер. Аналогичные установки, использующие ультрахолодные атомы, лазеры или даже проточную воду, по крайней мере, подтверждают, что определенные природные процессы и явления похожи на черные дыры.

 

После того как Хокинг дебютировал с теорией излучения черной дыры, Унру использовал математику, чтобы расширить аналогии и развить концепцию «тупых дыр». Они получили такое название, так как задерживают звук, а не свет. Другие физики опирались на эту теорию и разработали собственные концептуальные подходы к «тупым дырам». К 2000-м годам Унру и его команда, к которой присоединились инженеры-строители из Университета Британской Колумбии, были готовы воссоздать подобное явление в лаборатории.


Первые аналоги аномалий были больше похожи на струящиеся водопады, чем на поглотителей звука. Насосы подавали воду под давлением вниз через барьер, представляющий черную дыру. Ученые изначально предполагали передавать вибрации, как аналог звуковых колебаний, через воду. Но скорость звука в воде составляет 1500 метров в секунду, что создает сложности для изучения в условиях небольшой лаборатории. Поэтому ученым пришлось направлять физические волны через барьер.

 

Первые результаты исследований опубликовали в 2010 году. Ученые так описывали процесс создания аналогий. Когда волны взаимодействовали с барьером, они генерировали пары колебаний по обе стороны барьера аналогично частицам, которые, как предсказывал Хокинг, появятся по обе стороны (внутри и снаружи) черной дыры.

 

Другая теоретическая работа Хокинга и Унру предполагает, что черные дыры излучают волны с «тепловым» или «черным» спектром длины. Такая выкладка основана исключительно на их температуре, которая у черных дыр напрямую связана с их массой. Волны от потока в лаборатории генерировали поразительно похожий спектр. Поэтому команда ученых заявила, что измерила «стимулированное» излучение Хокинга в искусственно созданной системе.

 

 

Исследователи отметили, что излучение черных дыр – один из наиболее своеобразных процессов в космосе. И проведенные эксперименты позволили его реконструировать в лабораторных условиях.

 

Проводились и другие эксперименты. Например, в Ноттингемском университете в Великобритании создали аналог черной дыры из водяного вихря. По мере усиления вращения волны поднимались, поглощая жидкость. Эксперимент назвали сверхизлучением в лаборатории. Он подтвердил теорию Пенроуза, утверждающую, что вращающиеся черные дыры поглощают частицы, находящиеся в пространстве вокруг них.

Ученые создали черную дыру в научной лаборатории

За последние десять лет ученые создали множество аналогов, основанных на сходных концепциях. Лазерный луч с измененными свойствами пропускали через стекло, чтобы изменить скорость света и сгенерировать частицы, подобные излучению Хокинга. Но этим аналогам все еще не хватало некоторых квантовых характеристик, которые управляют излучением Хокинга в реальных черных дырах. Унру объяснил, что эти системы просто слишком сильно нагреваются, чтобы можно было зафиксировать незначительные эффекты, возникающие лишь на небольшой доле градуса. Она выше абсолютного нуля – температуры, при которой у тел отсутствует тепло.

 

 

Когда Унру впервые подумал о воспроизводстве этих квантовых эффектов в лабораторных условиях, он не предполагал, что будет возможно воссоздать необходимые температуры. Но когда он рассказал об этом на конференции в Санта-Фе, штат Нью-Мексико, два десятилетия назад, физик Марк Райзен сказал, что в лабораторных системах, называемых конденсатами Бозе-Эйнштейна, уже могут создаваться достаточно низкие температуры. И в 2019 году Штейнхауэр из Технологического института Технион-Израиль, возможно, обнаружил эти квантовые эффекты в одном из наиболее похожих на черные дыры аналогах.


Штейнхауэр сказал, что давно изучал конденсаты Бозе-Эйнштейна – ультрахолодные коллекции атомов, которые воспроизводят квантово-механические эффекты в почти макроскопических масштабах. Ученый узнал о возможности создания черных дыр на основе звуковых волн с использованием конденсатов Бозе-Эйнштейна и начал работать над этим аспектом в качестве побочного проекта. Как только он придумал, как построить одну из этих систем, физик сосредоточился на создании звуковых черных дыр. Он делал это в одиночку.

Система Штайнхауэра, по сути, аналогична схеме, где вода проходит через барьер. Тут небольшая трубчатая область размером в десятки микрометров содержит тысячи атомов рубидия и освещена лазером. Еще один луч создает разность энергий – границу, которая движется через атомы. Система похожа на водопад. Данные записываются, когда атомы пересекают границу.

Ученые создали черную дыру в научной лаборатории

Звук распространяется с разной скоростью по обе стороны границы: быстро – сверху, поскольку атомы плотнее, и медленно – снизу, где атомы менее плотны. Фононы – мельчайшие единицы звука, могут двигаться в любом направлении, так как скорость звука ниже скорости движения атомов. На дне импровизированного водопада частицы движутся быстрее, чем звуковая волна. Поэтому фонон никогда не вернется к границе и застрянет в звуковой черной дыре.

 

Штейнхауэр представил результаты экспериментов в 2014 и 2016 годах. Он продемонстрировал жуткие квантовые корреляции между соответствующими фононами. Тепловой спектр, длины волн которого были основаны исключительно на аналоге гравитации системы, появился в данных самопроизвольно. Это произошло в результате установки системы без генерации звука. Они смогли даже получить аналог «температуры Хокинга», которая определяет природу излучения Хокинга в реальной черной дыре.

 

Сегодня у ученых есть лабораторные системы, которые имитируют законы физики, действующие в черных дырах. Они надеются продолжить с их помощью воссоздание особенностей черных дыр. Но все проводимые эксперименты не могут быть подтверждены на практике. Нет гарантии, что в реальных черных дырах происходят подобные процессы. Вместе с тем многочисленные попытки воссоздания такого сложного явления имеют общие черты, поэтому ученые верят, что их работа не напрасна.

 

Исследователи рассчитывают использовать наработанный опыт в сфере изучения жидкостей и холодных атомов. Но ученым еще предстоит кропотливая работа по изучению колебаний сверхтекучих составов.

 

Вопрос о том, способствуют ли создаваемые системы изучению космоса, остается открытым. Пока проводимые эксперименты подтверждают только правильность математических расчетов. Но нельзя проверить, соответствуют ли процессы, происходящие в черных дырах, тем, которые получены в лабораториях. Также нет гарантии того, что в космосе работают математические расчеты.

 

Несмотря на титаническую работу, ученые понимают, что это только первый шаг на пути к пониманию процессов, происходящих во Вселенной. Для более глубокого изучения нужно создавать новые лабораторные системы, использовать редкие материалы. Но основной проблемой для исследователей остается невозможность подтверждения расчетов и теорий ученых. А пока этого не произошло, вопрос веры утверждениям профессоров остается открытым.

Оцените новость:
12.11.19 (23:43)
669
Источник — © 1gai.ru

Новостная рассылка


Рассылка анонсов статей производится каждый понедельник