Черная дыра «из пробирки» может примирить теорию относительности с квантовой механикой

Искусственный аналог черной дыры может помочь объединить две доселе не сходившихся в единую картину мира основных физических концепции – теорию относительности и квантовую механику.

Используя цепочку атомов в одном ряду для имитации горизонта событий черной дыры, группа физиков наблюдала эквивалент того, что мы называем излучением Хокинга – частицы, рожденные в результате нарушений квантовых флуктуаций, вызванных разрывом черной дыры в пространстве-времени.

По их словам, это могло бы помочь устранить противоречие между двумя в настоящее время непримиримыми концепциями описания Вселенной: общей теорией относительности, которая описывает поведение гравитации как непрерывного поля, известного как пространство-время, и квантовой механики, описывающей поведение дискретных частиц с помощью математики вероятности.

Для единой теории квантовой гравитации, которую можно применять повсеместно, эти две несмешивающиеся теории должны найти способ как-то ужиться.

Именно здесь на сцену выходят черные дыры – возможно, самые странные и экстремальные объекты во Вселенной. Эти массивные объекты настолько невероятно плотны, что на определенном расстоянии от центра масс черной дыры никакая скорость во Вселенной не достаточна для побега из нее. Даже скорость света.

Это расстояние, меняющееся в зависимости от массы черной дыры, называется горизонтом событий. Как только объект пересекает эту границу, мы можем только догадываться, что происходит, поскольку оттуда ничего уже не возвращается.

Но в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что прерывания квантовых флуктуаций, вызванные горизонтом событий, приводят к типу излучения, очень похожего на тепловое.

Если это излучение Хокинга существует, оно слишком слабое, чтобы мы могли его обнаружить. Возможно, мы никогда не отсеем его от щелчков и шипа статики Вселенной. Но мы можем исследовать его свойства, создав аналоги черной дыры в лабораторных условиях.

Подобное уже было сделано раньше, но в исследовании, опубликованном в прошлом году под руководством Лотте Мертенс из Амстердамского университета в Нидерландах, ученые сделали что-то новое.

Одномерная цепочка атомов служила для электронов путем «прыжков» из одного положения в другое. Настраивая легкость, с которой может происходить этот прыжок, физики могли заставить исчезнуть определенные свойства, фактически создав своего рода горизонт событий, который мешал волнообразной природе электронов.

Команда заявила, что эффект этого фальшивого горизонта событий привел к повышению температуры, которое соответствовало теоретическим ожиданиям эквивалентной системы черных дыр, но только тогда, когда часть цепи вышла за горизонт событий.

Это может означать, что в генерации излучения Хокинга важную роль играет квантовая запутанность частиц, которые пересекают горизонт событий.

Моделируемое излучение Хокинга было тепловым только для определенного диапазона амплитуд прыжков и при моделировании, которое начиналось с имитации пространства-времени, которое считалось «плоским».

Это говорит о том, что излучение Хокинга может быть тепловым только в ряде ситуаций и когда происходит изменение искривления пространства-времени из-за гравитации.

Неясно, что это означает для квантовой гравитации, но модель предлагает способ изучения появления излучения Хокинга в среде, на которую не влияет дикая динамика формирования черной дыры. По словам исследователей, поскольку это так просто, модель можно использовать в самых разных экспериментальных установках.

«Это может открыть возможности для изучения фундаментальных аспектов квантовой механики наряду с гравитацией и искривленным пространством-временем в различных условиях конденсированных сред», поясняют исследователи.