Нобель для Хокинга: ученые создали черную дыру

Ученые в очередной раз воссоздали в лаборатории черную дыру. Но в этот раз благодаря этому удалось найти признаки того, что фононы – очень маленькие сгустки энергии, составляющие звуковые волны – просачиваются из акустических черных дыр, как утверждает теория Стивена Хокинга.

Около 42 лет назад известный физик-теоретик Стивен Хокинг предположил, что не все, что соприкасается с черной дырой, неизбежно уходит в небытие. Он считал, что мельчайшие частицы света (фотоны) иногда выбрасываются обратно, отбирая у черной дыры бесконечно малое количество энергии. Несмотря на то, что потери малы, они все же происходят, а значит постепенная потеря энергии и массы с течением времени должна в конечном итоге приводить к исчезновению черной дыры.

Этот гипотетический процесс называют излучением Хокинга. Более чем четыре десятилетия никто не мог достоверно доказать, что эти микро-излучения существуют, и предположение Хокинга все это время так и оставалось в статусе гипотезы. Но все может измениться, потому что две независимые группы исследователей сообщают, что они нашли доказательства теории Хокинга.

Как зарождалась теория

Давайте вернемся к 1974 году, когда эта теория только начинала зарождаться. Хокинг вступил в спор с аспирантом Принстонского университета, израильским физиком Джейкобом Бекенштейном, который в своей диссертации предположил, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий. В соответствии с принятым в то время пониманием физических законов, в том числе собственной работы Хокинга, энтропия и объем черной дыры не могли уменьшаться. Хокинг серьезно взялся за эту проблему и в конце концов пришел к выводу, что черная дыра может оказаться не такой уж черной в конечном итоге.

Хокинг предположил, что Вселенная заполнена «виртуальными частицами», которые, согласно нашим знаниям о квантовой механике, уничтожают друг друга, как только вступают в контакт. Исключение составляют только контакты, происходящие по обе стороны от горизонта событий черной дыры. Тогда одна частица поглощается черной дырой, а другая испускается в космос.

Концепция излучения Хокинга отвечала на множество вопросов о том, что на самом деле происходит в черных дырах, но в то же время, подняла кучу проблем и противоречий, которые физики пытаются примирить до сих пор.

В 2012 году Бекенштейн получил премию Вольфа, а в 2015 — премию Эйнштейна Американского физического общества. Эти награды часто становятся предыдущими ступенями перед получением Нобелевской премии. В 2015 году Бекенштейн скончался, а в 2016 к Нобелевской премии приблизился Стивен Хокинг, потому что сейчас он близок к доказательству своей гипотезы как никогда.

Прав ли Хокинг?

Согласно теории Хокинга, выделяющиеся из черной дыры фотоны воруют у нее бесконечно малое количество энергии. Это интересная гипотеза, которая многие годы не дает ученым покоя, но, сожалению для Хокинга, это излучение настолько мало, что его практически невозможно обнаружить на расстоянии тысяч световых лет от Земли.

Физик Джефф Штайнхауэр из университета Технион в израильском городе Хайфа решил подойти к задаче с другой стороны. Он задумался: если мы не можем обнаружить излучение Хокинга в реальных черных дырах на расстоянии тысячи световых лет от наших лучших технических достижений, почему бы не воссоздать эти черные дыры в непосредственной близости от наших лучших инструментов. Это как история о том, что если гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе, только наоборот.

Штайнхауэр создал звуковую черную дыру — объект, поглощающий все звуковые волны – у себя в лаборатории. И он смог зафиксировать то самое излучение Хокинга – выделение частиц, «ворующих» энергию у черной дыры. В лабораторных условиях черная дыра была сформирована с помощью гелия, охлажденного до температуры чуть выше абсолютного нуля. После охлаждения гелий «взбивался» с такой высокой скоростью, что образовался барьер, который не пропускал звук.

На картинке: измерение теплового спектра излучения Хокинга. Сплошная кривая — результаты измерений. Пунктирная кривая — теоретический тепловой спектр.

Штайнхауэр обнаружил, что фононы -– очень маленькие частички энергии, образующие звуковые волны — просачивались из его звуковой черной дыры, как и предсказывало уравнение Стивена Хокинга. Впрочем, эти наблюдения пока остаются предметом для дальнейшего обсуждения.

«Этот эксперимент прекрасен. Джефф Штайнхауэр проделал удивительную работу, но некоторые из его выводов кажутся спорными. Здесь есть что обсудить», — заявил физик Силке Вайнфюртнер из Университета Ноттингема, который также пытался доказать существование излучения Хокинга.

Этим феноменом в недавнем прошлом интересовались также физики Крис Адами и Камиль Брадлер из Университета Оттавы. В Physical Review Letters была опубликована их работа, в которой они описывают новую методику, позволяющую исследовать жизнь черной дыры в течение долгого времени. Они пишут о том, что любая информация, которая проходит над горизонтом событий, не исчезает бесследно, а медленно возвращается на более поздних стадиях испарения черной дыры.

«Для того, чтобы выполнить этот расчет, мы должны были догадаться, как черная дыра взаимодействует с полем излучения Хокинга, которое ее окружает. В настоящее время не существует теории квантовой гравитации, которая могла бы описать такое взаимодействие. Тем не менее, по-видимому, мы сделали хорошее предположение, наша модель эквивалентна теории Хокинга в пределе фиксированных, неизменных черных дыр», — заявил Крис Адами.

Все эти последние находки необходимо подтвердить. Тем не менее, они приближают нас к ответу на вопрос, прав ли был Хокинг относительно черных дыр.