Излучение Хокинга впервые воспроизвели в оптическом диапазоне

Излучение Хокинга имитировалось с помощью квантов света в оптоволокне.

Фото Drori et al.

В экспериментах использовалось оптоволокно диаметром меньше человеческого волоса.

Фото Drori et al.

1974 году Стивен Хокинг предсказал, что чёрные дыры испускают особое излучение. Поймать его исходящим от реальных природных объектов невозможно. Поэтому с тех пор физики не оставляют попыток как можно точнее воспроизвести этот процесс в лаборатории, используя объекты, некоторыми своими свойствами напоминающие чёрные дыры. В новой работе это впервые удалось сделать для света в оптическом волокне.

Напомним, что такое излучение Хокинга. Как известно современной физике, в вакууме непрерывно рождаются пары из виртуальной частицы и её античастицы. Обычно эти частицы тут же взаимно уничтожаются.

Однако вблизи горизонта событий чёрной дыры возможен экзотический сценарий. Один из членов пары падает в чёрную дыру, а другой превращается в реальную частицу и улетает прочь. Поток этих частиц и образует излучение Хокинга.

Чем больше чёрная дыра, тем слабее её излучение. При этом астрономы наблюдают чёрные дыры звёздной массы и ещё более тяжёлые. Зарегистрировать излучение Хокинга, исходящее от таких объектов, нет никаких шансов.

Правда, остаётся надежда на первичные чёрные дыры, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва. Как показывают расчёты, большинство из них должны быть достаточно миниатюрными, и, соответственно, интенсивно излучающими по Хокингу. Однако до сих пор такого излучения обнаружено не было. (Это говорит о том, что первичных чёрных дыр во Вселенной достаточно мало.)

Как же исследовать явление, которое нельзя наблюдать? У физиков на этот случай есть остроумный трюк. Нужно подобрать другой феномен, который описывается похожей математикой, и изучать его. Если же получится воспроизвести такой аналог излучения Хокинга в лабораторных условиях, это станет веским аргументом в пользу того, что существует и сам "прототип".

"Излучение Хокинга является гораздо более общим явлением, чем первоначально предполагалось. Оно может появляться всякий раз, когда создаются горизонты событий, будь то астрофизические явления или свет в оптических материалах, водяные волны или ультрахолодные атомы", – объясняет ведущий автор нового исследования Ульф Леонхардт (Ulf Leonhardt) из Института Вейцмана в Израиле.

Излучение Хокинга имитировалось (и неоднократно) с помощью звуковых волн в облаках ультрахолодных атомов. Кроме того, были попытки воспроизвести его с помощью волн в воде.

Однако интерпретация подобных экспериментов оказалась сложной. Некоторые эксперты считают, что учёные продемонстрировали другой эффект, не имеющий отношения к расчётам именитого астрофизика. Первые сообщения об излучении Хокинга, смоделированном путём распространения света в оптовокне, также оказались ошибочными.

В экспериментах использовалось оптоволокно диаметром меньше человеческого волоса.

Команда Леонхардта также экспериментировала с оптическими эффектами. И, похоже, на этот раз таинственное излучение всё-таки удалось воспроизвести. Правда, получившийся аналог не совсем полный.

Горизонт событий чёрной дыры имитировался следующим образом. Достаточно сильный световой импульс может менять показатель преломления среды и тем самым скорость распространения света в ней. При определённых условиях можно создать границу, которую свет пересечь не может. Она и является аналогом "поверхности" чёрной дыры.

На этой границе и возникает аналог излучения Хокинга. Команда Леонхардта генерировала пары ультрафиолетовых и инфракрасных фотонов, играющие роль частиц и античастиц. Ультрафиолет "падает в чёрную дыру", а инфракрасные кванты всё-таки покидают ловушку.

Однако аналогия не полная. Настоящее излучение Хокинга возникает спонтанно, благодаря самому факту наличия горизонта событий и свойству вакуума рождать пары виртуальных частиц. В опытах же Леонхардта и коллег использовался дополнительный световой импульс, энергия которого и порождала эти пары фотонов. Это можно назвать индуцированным излучением Хокинга.

В предыдущих исследованиях теоретики показали, что между индуцированным и самопроизвольным излучением есть тесная связь. Если в системе наблюдается первое, то должно иметь место и второе. В этом смысле результат авторов всё-таки доказывает существование "оптоволоконного" аналога излучения чёрной дыры. Тем не менее получение и регистрация самопроизвольного излучения в подобном эксперименте – дело будущих исследований.

Не обошлось и без неожиданностей.

"Наши численные расчёты предсказывают гораздо более сильное излучение Хокинга, чем мы наблюдали. Мы планируем исследовать этот вопрос в дальнейшем. Но мы открыты для сюрпризов и останемся самыми строгими критиками для самих себя", – заявляет Леонхардт.

По мнению физика, "нехватка" излучения может быть связана с тем, что стекло генерировало побочные ультрафиолетовые фотоны.

"Демонстрировать тонкие квантовые явления, такие как излучение Хокинга, нелегко. Требуются чрезвычайно короткие импульсы, необычные волокна, чувствительное оборудование и, что не менее важно, упорная работа преданных учеников. Но даже излучение Хокинга действительно можно понять", – заключает учёный.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о лабораторной имитации Большого взрыва.