Вот запара

Физик наблюдал испарение черной дыры

Черная дыра (в представлении художника)
Черная дыра (в представлении художника)
Изображение: NASA

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.

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.

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.

Обсудить
Порошок, приходи
Жадные мексиканцы потеряли доход от марихуаны и завалили Америку героином
Кровавая ривьера
Франция отстреливает врагов по всему миру, пока никто не видит
Роберт и Грейс МугабеДедушка старый, ему все равно
Военные не дали старейшему диктатору мира править после смерти
Техасская молитва: американец расстрелял 26 человек в церкви
Что известно о преступнике и жертвах кровавой бойни
Ислам? Не моя тема!
Сербия громит мечети и держит мусульман в страхе
Абсолютное возмездие
Россия, США и Китай готовятся к третьей мировой войне
Пробила дно
Планета-пришелец расколола Землю и сдвинула континенты
Голодающие дети в Бузулуке (Самарская губерния), 1921-1922 гг.«Обезумевшие родители отбирали еду у детей»
Советская власть бросила миллионы умирать от голода, но их спасли американцы
«Не надо меня спасать»
Звездный путешественник нашел тайное племя головорезов, ввязался в войну и выжил
Во всем виноват буй
Она мечтала о круизе с секс-рабынями, но потерялась в море с боевой подругой
Эмилио Эстевес в роли Билли КидаМалыш на миллион
Легендарный головорез Дикого Запада передал привет из прошлого
«Я уехал от российских дорог, рутины и темноты»
История жителя Челябинска, переехавшего в Калифорнию
Audi Q5 против SQ5
Пять причин купить Audi SQ5 вместо обычной Q5 (и одна против)
5 причин, почему мы ненавидим кроссоверы
Объясняем в картинках, почему самые популярные машины в мире никуда не годятся
Далеко. Дорого. Офигенно
Как поехать в Исландию и обомлеть не только от природы
Кто делает самые эпатажные британские машины
«Рэйнджи», «Астоны» и «Роллс-Ройсы»: лучшие творения ателье Kahn Design
Ловушка для планктона
Тест: Какой офис идеально вам подходит
«Моя бывшая живет на помойке»
Москвич сделал из жены бомжа, и ему не стыдно
Белый друг
Самые необычные туалеты мира
Это Англия, детка!
Идеальный дом можно выиграть за две тысячи рублей
Берите две
Пять стран, где ипотеку дают под смешной процент