Есть излучение: Черная дыра в пробирке
Известный популяризатор науки Стивен Хокинг приобрел всемирную известность еще в 1970-х — прежде всего, своими теоретическими исследованиями, посвященными физике черных дыр. Возможно, главной его заслугой стала гипотеза испарения черных дыр в результате испускания частиц, в честь ученого названного излучением Хокинга.
Чтобы вкратце объяснить этот процесс, вспомним, что с точки зрения квантовой механики даже самый идеальный вакуум никогда не остается спокойным. В нем постоянно кипят флуктуации, возникают пары частиц и античастиц, которые тут же снова аннигилируют, отчего и называются виртуальными. Чем сильнее внешние поля, тем активнее идет этот танец случайностей. То, как он идет в окрестностях черной дыры, и рассмотрел Хокинг.
Действительно, при таком мощном внешнем гравитационном поле, как у черной дыры, квантовые флуктуации в окрестностях ее должны достигать сравнительно большой интенсивности. Но самое интересное происходит на условной границе дыры, у ее горизонта событий. Это воображаемая линия, попав за пределы которой ни материя, ни излучение, уже не могут вырваться обратно: здесь сила притяжения дыры царствует надо всем.
Итак, Хокинг рассуждал: в непосредственной близости от черной дыры интенсивно появляются и исчезают пары виртуальных частиц. Но что, если случайно одна из них окажется разделенной горизонтом событий? Линия-то это умозрительная, как экватор, в реальности никакой границы не существует, и частица вполне может родиться снаружи нее, а античастица — внутри. Тогда античастица неминуемо будет поглощена, и масса черной дыры уменьшится, а частица устремится в космос. Это и будет «испарением» черной дыры: теряя массу, дыра излучает.
С тех самых пор астрономы без устали исследуют небеса, пытаясь обнаружить излучения Хокинга, — но безрезультатно. Лишь на днях итальянцы, работающие во главе с Франко Бельджорно (Franco Belgiorno) сумели его наблюдать. Правда, не в далеких небесах, а в собственной лаборатории.
Здесь стоит сказать, что черные дыры — вовсе не единственные объекты, которые могут иметь горизонт событий. Теоретически, он может быть создан в любой среде, по которой перемещаются волны разной природы. Этот факт и использовали итальянские ученые. Для начала они взяли образец материала, проявляющего нелинейные оптические свойства. Упрощенно говоря, вещества, индекс преломления для которого меняется под воздействием излучения большой интенсивности.
Ученые воздействовали на него лазером: по мере того, как пучок перемещался по материалу, возникала своего рода волна изменения индекса преломления — внутри нее он был намного выше, чем снаружи. Разница в оптических свойствах буквально запирала внутренность, создавая будто вывернутый наизнанку горизонт событий, внутрь которого излучение не могло пробраться. В нашем случае ориентация этой границы неважна, важно, что она теоретически создает те же условия для появления излучения из виртуальных пар частиц.
И действительно, Бельджорно с коллегами вскоре зафиксировали подобное: помимо 1055-нанометрового излучения самого ИК-лазера, который они использовали, было зафиксировано излучение на 850 нм и под теми углами, которые предсказывал расчет для излучения Хокинга.
Конечно, еще потребуется немало потрудиться, чтобы со стопроцентной надежностью отсечь другие возможные источники этого излучения — флуоресценцию, эффект Вавилова-Черенкова и прочее. Но если наблюдение подтвердится, это будет крайне важным событием. Хотя бы потому, что излучение Хокинга раскрывает и механизм гибели черных дыр через испарение и возможное образование странных частиц-максимонов. Подробнее об этом можно прочесть в нашей популярной статье «Удивительная история черных дыр».
По публикации physics arXiv blog
