Физик-экспериментатор Джефф Штайнхауэр из Техниона (Израиль) создал квантовый аналог черной дыры, наблюдал ее испарение (эффект Хокинга) и впервые обнаружил квантовую запутанность между парой частиц, одна из которых упала на модельный объект, а другая удалилась от него. Результаты исследований, встреченные коллегами ученого с большим энтузиазмом, опубликованы в журнале Nature Physics.
Черные дыры представляют собой массивные объекты, ограниченные так называемым горизонтом событий. Любое тело, достигшее черной дыры, согласно общей теории относительности, падает в гравитационный объект и не в состоянии его покинуть. Таким образом, масса черной дыры при классическом описании не может убывать. Ситуация меняется в квантовом случае, где гравитационный объект может испариться в результате эффекта, получившего название в честь его первооткрывателя Стивена Хокинга.
Явление сводится к образованию на горизонте событий пары виртуальных частиц. Частица с положительной энергией становится реальной и улетает от черной дыры, а другая, с отрицательной энергией, падает в нее и тем самым уменьшает ее массу. Явление, описанное в 1974 году британским ученым, предполагает существование теплового излучения. В статье ученого приводилось выражение для его температуры, которая оказалась чрезвычайно мала. Например, для черной дыры солнечной массы она имеет порядок одной миллионной кельвина. Отличить столь малую температуру от шума в астрономических наблюдениях современными методами невозможно.
Об излучении черных дыр высказывался советский физик-теоретик Владимир Грибов. Ученый не написал посвященную этому работу, поскольку считал явление «само собой разумеющимся». Публикации статьи Стивена Хокинга об испарении гравитационных объектов предшествовал визит в СССР, где британец беседовал с советскими учеными.
В 1981 году канадский физик-теоретик Билл Унру предложил гидродинамическую аналогию черной дыры, которая и была реализована в экспериментах Штайнхауэра. Ситуация, аналогичная происходящему на горизонте событий реального гравитационного объекта, моделировалась при помощи сазера (акустического лазера), который создавал звуковые волны специального вида в бозе-эйнштейновском конденсате — состояние вещества из бозонов, находящихся при температуре, близкой к абсолютному нулю. В этой фазе квантовые эффекты, имеющие место на микроскопическом уровне, начинают проявляться на макроскопическом: приближенно все вещество конденсата ведет себя как одна макроскопическая квантовая частица.
Конденсат состоял из десятков тысяч атомов рубидия-87, сформированных в облако цилиндрической формы длиной несколько миллиметров. Температура такой среды — меньше одного кельвина, а скорость звука в ней — порядка полумиллиметра в секунду. Единственными возмущениями в системе являются квантовые флуктуации. Описание среды проводится гидродинамическими методами. Это допускает введение понятия фононов — квазичастиц (фиктивных частиц), описывающих звуковые колебания. Именно их виртуальное рождение вблизи аналога горизонта событий и квантовую запутанность удалось наблюдать Штайнхауэру.
Джефф Штайнхауэр
Фото: phsites.technion.ac.il
Для этого в бозе-эйнштейновском конденсате была создана потенциальная яма. При ее прохождении частицы разгонялись до сверхзвуковых скоростей. Часть конденсата, частицы которого двигались со сверхзвуковой скоростью, представляли собой аналог черной дыры, а его область, где частицы перемещались точно со скоростью звука, — модельный горизонт событий. Именно на нем в результате квантовых флуктуаций происходило рождение пар фононов, квазичастицы из которых разлетались в противоположные стороны с дозвуковой и сверхзвуковой скоростями. Аналогичная ситуация должна наблюдаться и в случае с реальной черной дырой.
Штайнхауэру удалось измерить температуру такого излучения и установить корреляцию между разлетевшимися частицами. В квантовой механике запутанностью называется явление, при котором состояния частиц (например, спин или поляризация), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Корреляция проявляла себя как одинаковая плотность конденсата на противоположных, но равных расстояниях от модельного горизонта событий. Данный факт ученый фактически интерпретировал как первое экспериментальное доказательство существования квантовой запутанности между парами частиц, рожденными на горизонте событий черной дыры.
Последний эксперимент Штайнхауэра проводился 4,6 тысяч раз в течение шести суток. Все работы 50-летний ученый, выпускник Калифорнийского университета в Беркли (США), проводил в возглавляемой им лаборатории, где он с 2013 года является единственным сотрудником. Коллеги избегают сотрудничества с Штайнхауэром из-за его педантизма и высокой требовательности. Ранее ученый в 2009 году создал гидродинамический аналог черной дыры, а в 2014 году имитировал излучение Хокинга.
Штайнхауэр полагает, что его модель поможет разрешить парадокс исчезновения информации в черных дырах и укажет на пути объединения квантовой механики и общей теории относительности. Оптимизм экспериментатора разделяют не все теоретики. Например, Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (США), занимавшийся теорией струн, отмечает, что потери информации в модельной черной дыре нет, и потому она непригодна для разрешения парадокса реального объекта.
Израильский коллега Штайнхауэра, физик Ульф Леонхардт отметил, что квантовую запутанность в экспериментах с гидродинамической черной дырой удалось обнаружить лишь для высокоэнергетических фотонов. Для квазичастиц низких энергий корреляции в модельном случае слабы. Последнее обстоятельство, скорее всего, несправедливо для реальных черных дыр, где квантовая запутанность имеет место для фотонов любых энергий.