Искусственные черные дыры излучают как настоящие

Newswise — Исследования Амстердамского университета показали, что неуловимое излучение черных дыр можно изучать, имитируя его в лаборатории.

Черные дыры — самые экстремальные объекты во Вселенной, втиснувшие столько массы в настолько маленькое пространство, что ничто — даже свет — не может избежать их гравитации, когда они подходят достаточно близко.

Понимание черных дыр является ключом к раскрытию наиболее фундаментальных законов, управляющих Вселенной, потому что они представляют собой границу между двумя наиболее проверенными физическими теориями: общей теорией относительности, которая описывает гравитацию как вызванную (широко распространенным) скручиванием. Пространство-время массивными объектами и теория квантовой механики, описывающая физику в меньших масштабах длины. Чтобы полностью описать черные дыры, нам нужно связать эти две теории вместе и сформировать теорию квантовой гравитации.

излучающие черные дыры
Для достижения этой цели мы могли бы захотеть посмотреть на то, что удается ускользнуть из черных дыр, а не на то, что поглощается. Горизонт событий — это неосязаемая граница вокруг каждой черной дыры, за которую невозможен выход. Однако знаменитый Стивен Хокинг обнаружил, что каждая черная дыра должна излучать небольшое количество теплового излучения из-за небольших колебаний вокруг своего горизонта.

К сожалению, это излучение не обнаруживается напрямую. Ожидается, что количество излучения Хокинга, исходящего от каждой черной дыры, будет очень небольшим, и его невозможно обнаружить (с помощью современных технологий) среди излучения всех других космических тел.

В качестве альтернативы, можем ли мы изучить механизм появления излучения Хокинга здесь, на Земле? Это то, что исследователи из Университета Амстердама и IFW Dresden решили исследовать. Ответ — захватывающее «да».

черные дыры в лаборатории
«Мы хотели использовать мощные инструменты физики конденсированного состояния, чтобы исследовать недостижимую физику этих удивительных объектов: черных дыр», — говорит автор Лотте Мертенс.
Для этого исследователи изучили модель, основанную на одномерной цепочке атомов, в которой электроны могут «прыгать» из одного атомного положения в другое. Скручивание пространства-времени из-за присутствия черной дыры моделируется путем настройки того, насколько легко электроны могут перемещаться между каждым местом.

При правильной вероятности прыжка по цепочке электрон, движущийся от одного конца цепи к другому, вел бы себя точно так же, как кусок материи, приближающийся к горизонту черной дыры. Подобно излучению Хокинга, модельная система имеет измеримое тепловое возбуждение при наличии искусственного горизонта.

Обучение по измерению
Хотя в модельной системе нет реальной гравитации, учет этого структурного горизонта дает важное представление о физике черных дыр. Например, тот факт, что смоделированное излучение Хокинга является термодинамическим (что означает, что система имеет постоянную температуру) только для определенного выбора пространственной дисперсии вероятности подвижности, предполагает, что реальное излучение Хокинга также может быть чисто тепловым в определенных ситуациях. .

Кроме того, излучение Хокинга возникает только тогда, когда модельная система запускается без какой-либо пространственной разницы в ее навигационных вероятностях, моделируя плоское пространство-время без какого-либо горизонта, а затем изменяется на систему, в которой находится искусственная черная дыра. Следовательно, излучение Хокинга требует они меняются в искривлении пространства-времени или в изменении того, как наблюдатель, ищущий излучение, воспринимает это искривление.

Наконец, для излучения Хокинга требуется часть цепочки за искусственным горизонтом. Это означает, что наличие теплового излучения неразрывно связано со свойством квантовой механики клубок между вещами по обе стороны горизонта.

Поскольку модель настолько проста, ее можно реализовать в различных экспериментальных условиях. Это могут быть настраиваемые электронные системы, спиновые цепи, ультрахолодные атомы или оптические эксперименты. Использование черных дыр в лаборатории может приблизить нас на один шаг к пониманию взаимодействия между гравитацией и квантовой механикой и на пути к теории квантовой гравитации.