Физики пошли на безумный риск: созданная в лаборатории черная дыра начала испаряться на глазах

Физики создали лабораторный аналог черной дыры на базе оптического волокна, который позволил зафиксировать излучение Хокинга и, впервые в истории подобных опытов, наблюдать "обратную реакцию" этого излучения на объект, который его породил. Работа подтверждает теоретические расчеты Стивена Хокинга о тепловой природе этого свечения, но поскольку эксперимент проводился с использованием световых импульсов в стекле, он не является прямым наблюдением астрофизического объекта.

Метод создания "черной дыры" из света

Поскольку излучение Хокинга в реальном космосе слишком слабое для регистрации современными телескопами, ученые используют аналоги — системы, которые подчиняются тем же уравнениям, что и горизонт событий черной дыры. В данном исследовании роль "движущейся среды" выполнил свет.

Исследователи использовали тонкое волокно из фотонного кристалла — специальное стекло с сетью микроскопических воздушных каналов. В него запускали мощный ультракороткий "накачивающий" импульс. Этот импульс менял свойства стекла, создавая своего рода "движущийся барьер", который перемещался со скоростью света. Затем в этот фронт направляли второй, гораздо более слабый "пробный" импульс. В точке, где пробный луч переставал успевать за фронтом, возникал искусственный горизонт событий.

"Аналог черной дыры в данном случае — это не объект с огромной массой, а динамическая граница в оптическом волокне, которая имитирует условия, при которых свет не может покинуть определенную зону", — объяснил ученый-физик Дмитрий Лапшин.

Суть результата: свечение и отдача

Согласно теории, на горизонте событий рождаются пары частиц: одна улетает (излучение Хокинга), а вторая с "отрицательной энергией" падает внутрь. В эксперименте "беглецы" проявили себя в виде ультрафиолетового света с длиной волны около 233 нанометров.

Главным достижением стало обнаружение "обратной реакции" (back reaction). Поскольку энергия не берется из ниоткуда, процесс излучения должен влиять на сам источник. В реальной черной дыре это приводит к потере массы и постепенному испарению. В лабораторной модели физики зафиксировали, что часть света накачивающего импульса сменила цвет, создав асимметричный спектральный узор. Это стало "отпечатком" отдачи — подтверждением того, что аналог черной дыры тратит свою энергию на создание свечения.

Эти данные показывают, что модель ведет себя в точности так, как предсказывала теория Хокинга, даже в условиях, когда стандартные описания черных дыр должны перестать работать.

Решение проблемы транс-планковских масштабов

Работа затрагивает одну из самых сложных проблем физики — "транс-планковскую". Проблема заключается в том, что если проследить путь фотона излучения Хокинга назад к горизонту, его длина волны сокращается до планковских масштабов (экстремально малых величин), где привычные законы пространства и времени перестают действовать. Существовал риск, что предсказание Хокинга основано на физике, которой в природе не существует.

Эксперимент показал, что даже в этом экстремальном режиме излучение остается тепловым. Это означает, что эффект Хокинга устойчив и не зависит от неизвестных процессов на планковском уровне.

Границы вывода и следующие шаги

Несмотря на успех, работа имеет существенные ограничения. В эксперименте использовался обычный лазерный свет. Он воспроизводит спектр излучения, но не обладает всеми квантовыми свойствами реальных частиц. В частности, авторы пока не зафиксировали квантовую запутанность между частицей, покинувшей горизонт, и ее партнером, оставшимся "внутри".

В дальнейшем исследователи планируют перейти к полностью квантовому режиму, чтобы проверить, сохраняется ли связь между частицами-партнерами в данной модели. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.