Лабораторный эксперимент, похоже, подтверждает идею о черных дырах, предложенную не кем иным, как физиком-теоретиком Стивеном Хокингом. Более того, идея о том, что черные дыры со временем излучают энергию, называемую излучением Хокинга, и постепенно сжимаются, кажется нелогичной. Как это может быть правдой? Мы все слышали, что ничто не может избежать гравитационного притяжения черной дыры. Даже не свет!
Давайте на секунду отвлечемся и узнаем, чем не являются черные дыры. Они не ничто. Для верности квантовой теории реальное ничто не является чем-то. Как любит говорить моя тетя: «Это всегда что-то». Хотя я не думаю, что она говорила о черных дырах.
Так что же такое черная дыра? Это то, что осталось после смерти массивной звезды. Звезды имеют огромную массу, а это означает, что они также обладают сильным гравитационным притяжением. Пока звезда активна, термоядерные реакции в ее ядре уравновешиваются гравитационным притяжением ее массы, и звезда сохраняет свою форму. Но со временем топлива для термоядерных реакций становится мало, и гравитация начинает побеждать в перетягивании каната.
В результате звезда становится меньше и плотнее. Он начинает тянуть больше материала внутрь к ядру. При этом ядро нагревается. В конце концов, вы получаете достаточно энергии для взрыва - звезда становится сверхновой. Звезда выбрасывает наружу энергию и материю с огромной силой, но израсходованное ядро остается массивным и плотным.
Это отработавшее ядро искажает пространство-время, погружаясь в него. Это как положить тяжелый шар для боулинга на батут. Вес мяча деформирует батут, заставляя его прогибаться вниз. Черные дыры делают то же самое с пространством-временем, только в более чем двух измерениях.
Вокруг отверстия дыры находится горизонт событий. Как только вы перейдете эту черту, вы принадлежите черной дыре. Это относится даже к самому свету. Но если это правда, то как черные дыры могут излучать энергию? Как Стивен Хокинг мог быть прав?
Квантовая теория говорит нам, что даже в черной дыре будут флуктуирующие энергетические поля. Флуктуации генерируют пары фотонов. Чаще всего фотоны уничтожают друг друга, как участники бойз-бэнда, которые наконец устали от гастролей.
Но иногда один фотон появляется на внутреннем краю горизонта событий, а другой - на внешнем. Самый внутренний фотон обречен и утягивается в черную дыру. Только что разведенный фотон на внешнем крае улетает в космическое пространство. Это излучение Хокинга. Вы можете послушать, как Нил де Грасс Тайсон объясняет излучение Хокинга и исчезающие черные дыры в этом видео:
Согласно гипотезе Хокинга, фотон, падающий в черную дыру, на самом деле немного сжимает ее из-за отрицательной энергии. И Хокинг также предполагает, что черная дыра уничтожает информацию, что противоречит идее о том, что общее количество информации во Вселенной является константой.
И вот, наконец, мы добрались до эксперимента. Физик-экспериментатор Джефф Штайнхауэр смоделировал черную дыру в лаборатории и наблюдал то, что казалось излучением Хокинга. Он создал акустическую черную дыру, используя ультрахолодные атомы, которые создают виртуальные звуковые частицы, называемые фононами. Точно так же, как настоящая черная дыра создает виртуальные фотоны, которые иногда становятся реальными, смоделированная черная дыра создает звуковые пакеты.
Когда смоделированная черная дыра создает реальную пару фононов, один из них захватывается сверхзвуковой областью и попадает в ловушку. Это похоже на фотон, поглощаемый настоящей черной дырой, уменьшая при этом черную дыру.
Лабораторный эксперимент не является убедительным доказательством того, что Хокинг был прав. Некоторые физики считают, что приравнивание искусственной черной дыры к астрономической черной дыре - слишком большой скачок. Может случиться так, что то, что верно для одного, не подходит для другого. И флуктуации, вызванные Штайнхауэром, могут только напоминать те, которые обнаруживаются в космическом вакууме, а это означает, что результаты могут вводить в заблуждение.
Ученым необходимо повторить эксперимент Штайнхауэра, чтобы убедиться, что результаты достоверны. Даже в этом случае может пройти некоторое время, прежде чем научное сообщество в целом будет готово рассматривать результаты как поддержку предсказаний Стивена Хокинга, сделанных еще в 1970-х годах. Но, возможно, мы на шаг ближе к более полному пониманию таинственной черной дыры.