Новости науки 20.02.02. Можно ли создать "аналог" черной дыры в физической лаборатории?

Одним из наиболее экзотических физических объектов являются черные дыры. Несмотря на то, что существует множество косвенных свидетельств реальности таких объектов, они недоступны для непосредственного наблюдения. В связи с этим ученые пытаются найти такие физические системы, которые, будучи доступны экспериментальному исследованию, по своим свойствам были бы в каком-то смысле аналогичны черным дырам.

Как известно, черная дыра - объект, характеризующийся столь сильным гравитационным полем, что даже свет не в состоянии ее покинуть. На первый взгляд может показаться, что черные дыры должны существовать вечно, но это не так. В 1974 г. С.Хокинг показал, что существует механизм, обеспечивающий возможность испарения черных дыр за счет испускания частиц (фотонов и, для маломассивных черных дыр, иных частиц). Вблизи от горизонта событий черной дыры (ее поверхности) может происходить спонтанное рождение пар частиц, одна из которых может покинуть черную дыру, унося с собой некоторую энергию и, тем самым, уменьшая массу черной дыры. При классическом рассмотрении частица, конечно, не смогла бы пересечь горизонт черной дыры, но такой процесс оказывается возможным путем туннелирования сквозь горизонт (это чисто квантово-механический процесс). Подобный механизм квантового испарения черных дыр приводит к конечности времени жизни этих объектов - оно оказывается пропорциональным кубу массы черной дыры (в отсутствии падения вещества в черную дыру).

Очевидная трудность для астрофизики состоит в невозможности экспериментального исследования удаленных космических объектов - астрофизики могут только анализировать имеющиеся наблюдательные данные. "Непосредственное" исследование черной дыры в обозримом будущем было бы возможно, если бы в окрестностях Солнечной системы обнаружилась маломассивная черная дыра, какие могли возникать в начале существования Вселенной, что чрезвычайно маловероятно. Однако для исследования физики черных дыр, в частности, эффекта квантового испарения, существует "обходной путь". Можно попытаться найти такие физические системы, описание свойств которых при некоторых условиях было бы эквивалентно описанию черных дыр. Первая "модельная система" была предложена более 20 лет назад, когда было теоретически показано, что при сверхзвуковом движении жидкости может возникнуть "звуковая черная дыра". Еще более подходящей системой для моделирования искривленного пространства-времени оказалась движущаяся сверхтекучая жидкость, хокинговское излучение в такой системе должно проявляться как возникновение квазичастиц.

Рис.1. Схематическое изображение рассматриваемой аналогии.

Но звуковые "аналогии"по некоторым причинам могут оказываются не вполне корректными, поэтому в последние годы идет активный поиск других модельных систем. После обнаружения резкого (более чем в десять миллионов раз) уменьшения скорости света (об экспериментах со светом см. новость и ссылки в ней) в ультрахолодных парах щелочных металлов было предложено использовать этот эффект для создания "оптических черных дыр" [1]. В продолжении этого направления недавно вышла работа немецких и канадских ученых [2], где для моделирования искривленного пространства-времени в физической лаборатории предлагается использовать диэлектрическую среду (создавать "диэлектрическую черную дыру"). Диэлектрический аналог горизонта событий возникает в случае, когда скорость движения среды с конечной диэлектрической проницаемостью превышает скорость распространения света в этой среде, свет в такой ситуации оказывается как бы "захваченным" движущейся средой. По аналогии с обычной черной дырой "диэлектрическая черная дыра" должна излучать как черное тело с температурой, обратно пропорциональной радиусу. В принципе, подобное хокинговское излучение можно попытаться зафиксировать в эксперименте.

Будет ли в ближайшие годы реализован и экспериментально исследован достаточно реалистичный "звуковой" или "диэлектрической" аналог черной дыры в твердотельной среде, жидкости или газе, сейчас сказать невозможно. Однако стоит отметить, что даже сам по себе поиск достаточно точных физических аналогов черных дыр может оказаться полезным. Дело в том, что последовательной квантовой теории, описывающей процесс испарения черной дыры, не существует, - квантовые процессы рассматриваются в классическом искривленном пространстве-времени, что связанно с отсутствием квантовой теории гравитации. Поэтому рассмотрение возможных "модельных систем" (см. рисунок), для которых существует последовательное физическое описание, может оказаться полезным для создания квантовой теории гравитации.

1. U.Leonhard and P.Piwnicki. Phys.Rev.Lett., v.84, 822 (2000).

2. Ralf Schuetzhold, Guenter Plunien, and Gerhard Soff. Phys.Rev.Lett., v.88, 061101 (2002).

перейти к началу страницы