Содержание
Ученые Техниона создали «черную дыру»
Тем самым они подтвердили правоту выдающегося британского ученого Стивена Хокинга, который еще несколько десятилетий назад создал теорию излучения, а точнее, испарения «черных дыр» – black hole evaporation.
До Хокинга в рамках классической, не квантовой теории, считалось, что черная дыра не может ничего излучать, поскольку ее гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.
Одной из самых смелых гипотез Стивена Хокинга стало предположение, что черные дыры все же испускают некоторое излучение, несмотря на мощную гравитацию, которая поглощает все, даже свет. Согласно учению Хокинга, которое основывается на квантовой теории, испарение частиц происходит рядом с так называемым горизонтом событий. Этим термином обозначается граница черной дыры. Рядом с ней из вакуума постоянно образуются пары разнозаряженных частиц – фотонов.
Одна из частиц пары обладает положительной энергией, а другая – отрицательной.
Когда подобные пары появляются рядом с горизонтом событий черной дыры, происходит поглощение одной из частиц, а ее «пара» испаряется, то есть улетает наружу. Таким образом появляется тепловое излучение.
Этот эффект можно проследить у горизонта событий относительно малых по массе черных дыр. Чем меньше масса черной дыры, тем выше температура и скорость испарения. Таким образом легкие черные дыры имеют относительно меньший срок жизни, и, по гипотезе Хокинга могут и вовсе потерять свою массу и просто-напросто «испариться». Впрочем, этот процесс должен занять поистине астрономический отрезок времени, сопоставимый со сроком жизни Вселенной.
Сам Хокинг называл черные дыры порталами в другие Вселенные. Если кому-либо удастся оказаться у горизонта событий и быть затянутым в черную дыру, этот тоннель может оказаться переходом в другие миры. Проверить это утверждение экспериментальным путем вряд ли удастся в обозримом будущем, а вот изучить тепловое излучение черных дыр оказалось под силу ученым Техниона.
Команда исследователей физического факультета Техниона под руководством профессора Джеффа Штайнхауэра создала искусственную черную дыру, в которой звук выполняет функцию света. Разработав метод измерения спектра излучения Хокинга, они обнаружили, что искусственные черные дыры излучают тепло, как обычный горячий объект. Таким образом подтвердились предположения Хокинга и еще одного исследователя – израильского ученого профессора-астрофизика Яакова Бекенштейна, который еще в 1972 году определил температурные границы излучения черных дыр.
Результаты исследования команды профессора Штайнхауэра были опубликованы два месяца назад в журнале Nature.
Вот как описывает эксперимент лаборатории Штайнхауэра технологическая платформа wfoojjaec.eu.org:
«Поскольку «сигнал» от излучения Хокинга очень мал, нам не хватает технологии для его измерения вокруг настоящей черной дыры. Команда из Израильского технологического института (Технион) обратилась к аналогу чёрной дыры, что является очень новой концепцией, впервые продемонстрированной в 2009 году.
Вместо того, чтобы притягивать свет с интенсивной гравитацией, аналог представляет собой конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC) ультра-холодные атомы рубидия, которые движутся быстрее скорости звука. Таким образом, он создает «горизонт событий» для звука.
В эксперименте команда использовала пары дополнительных звуковых волн, чтобы заменить виртуальные частицы. Одна из волн прошла мимо звукового горизонта событий, а другая отодвинулась. Команда смогла измерить излучение системы, подтвердив, что ее температура определяется только скоростью звука и расходом. Он излучал непрерывный спектр длин волн, который соответствует теориям Хокинга о поведении черной дыры.
Это второй эксперимент Техниона, демонстрирующий излучение Хокинга таким способом. Новый эксперимент содержит гораздо более чувствительные инструменты, добавляя больше поддержки теории. Следующим шагом является повторение эксперимента для отслеживания изменений в BEC с течением времени. Однажды мы можем даже применить полученные уроки для изучения настоящих черных дыр».
Впервые теория черных дыр (тогда они назывались «черными зведами») была сформулирована в трудах кембриджского ученого Джона Мичелла еще в 1783 году. Он рассматривал свою гипотезу на примере пушки, из которой вылетает ядро в строго вертикальном направлении. В какой-то момент на ядро начнет действовать сила гравитации, и оно должно начать падать вниз. Но если первоначальная скорость окажется выше определенного критического значения (скорости убегания), то ядро не вернется. Гипотеза, объясненная на примере ядра, оказалась верна для световых частиц. Скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, поэтому частицы света могут с легкостью покидать не только нашу планету, но и Солнце, свет которого отчетливо виден не только с Земли, но и из космоса. Во Вселенной существуют звезды-гиганты, обладающие гравитационным полем такой силы, что оно не позволяет фотонам света покидать их пределы. Получается, что испускаемый ими свет притягивается обратно, и «звезды» становятся темными, недоступными для наблюдения.
Исследование черных дыр вышло на новый уровень благодаря теории относительности Эйнштейна, которая была окончательно сформулирована в 1915 году. Тем не менее полного описания черных дыр пришлось ждать еще не менее полувека. В конце 60-х годов прошлого века на основании новых знаний о ходе коллапса массивных звезд ученым всего мира удалось прийти к единому мнению о возможности существования черных дыр в большинстве известных галактик.
Как уже говорилось выше, в 1972 году Яаков Бекенштейн предположил, что черные дыры должны иметь чётко определённую энтропию, пропорциональную площади её поверхности. Он же сформулировал обобщённый второй закон термодинамики, в том числе, для систем черных дыр. Спустя два года оба эти предположения подтвердил Стивен Хокинг.
После прорыва, совершенного учеными в 70-е, появилась идея о возможности создания искусственной черной дыры, которую можно было бы использовать в качестве модели для измерения параметров излучения Хокинга. Но только в наши дни подобная модель была создана в Технионе, где наконец были разработаны методы измерения температуры и спектра излучения Хокинга.
«Наша искусственная черная дыра подтверждает тепловую природу излучения Хокинга, – заявил глава исследовательской группы профессор Джефф Штайнхауэр. – Мы также обнаружили, что температура определяется искусственной гравитацией на поверхности искусственной черной дыры в соответствии с предсказаниями Хокинга».
Группа Штайнхауэра изучала феномен излучения в течение десяти лет. Их целью было не только создание модели черной дыры, но и разработка методов прогнозов Хокинга. Эсперимент был повторен 7 400 раз, при этом каждому «прогону» присваивался другой профиль плотности, на основании которых вычислялись средние значения.
Успех исследователей Техниона – это еще один существенный шаг к пониманию природы черных дыр, одного из самых загадочных и наименее понятных пока секретов Вселенной.
Вера Рыжикова
Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН
https://ria.ru/20191028/1560166492.html
Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН
Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН — РИА Новости, 28.
10.2019
Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН
Вокруг деятельности ЦЕРН ходят слухи и легенды. Какие технологии созданы благодаря ему? К чему привело открытие «Частицы бога»? Не уничтожит ли столкновение… РИА Новости, 28.10.2019
2019-10-28T09:00
2019-10-28T09:00
2019-10-28T11:46
наука
национальный исследовательский ядерный университет «мифи»
навигатор абитуриента
университетская наука
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/148736/98/1487369807_0:0:1042:586_1920x0_80_0_0_5d6f72924b480197c17f3b8564337788.jpg
Вокруг деятельности ЦЕРН ходят слухи и легенды. Какие технологии созданы благодаря ему? К чему привело открытие «Частицы бога»? Не уничтожит ли столкновение частиц в Большом адронном коллайдере нашу планету — в материале РИА Новости.К новой физике — почти со скоростью светаС появлением теории относительности в физике началась эпоха многообразия фундаментальных моделей, объединить которые в единую систему не удается по сей день.
Сегодня самые точные данные об устройстве материи производит физика высоких энергий. Она изучает процессы рождения фундаментальных частиц в столкновениях протонов и ядер, разогнанных до скоростей крайне близких к скорости света. Это позволяет проверять теоретические прогнозы и находить новые агрегатные состояния частиц.Стандартная модель, сформированная к 60-м годам, представляет собою комплекс теорий физики частиц, объясняющих большинство, однако, не все фундаментальные явления — например, она не объясняет гравитацию. Для уточнения этой модели и был создан Большой адронный коллайдер (БАК).БАК представляет собою кольцеобразный тоннель на стометровой глубине с длиной окружности 27 км, внутри которого более 1200 сверхпроводящих магнитов разгоняют частицы для столкновения на скорости 0,99999999 скорости света. Кроме него, в ЦЕРН работают еще шесть ускорителей и ряд детекторов, регистрирующих результат столкновений частиц. Информация, производимая детекторами, исчисляется десятками петабайт (т.
е. десятками миллионов гигабайт) в месяц, а на ее анализ уходит иногда не один год работы ученых. Данные, производимые лабораториями центра, обрабатываются многоуровневой сетью, узлы которой находятся в университетах и научных центрах 40 стран мира, включая Россию.Открытие в 2012 году бозона Хиггса стало финалом грандиозной работы по подтверждению Стандартной модели. Сегодня на базе ЦЕРН развернут целый ряд параллельных экспериментальных программ, посвященных как проверке точности предсказаний Стандартной модели, так и поиску проявлений «новой физики». Дальнейшее исследование бозона Хиггса даст возможность изучать феномены за рамками Стандартной модели. Наибольший интерес ученых вызывают такие явления, как темная материя и темная энергия, а также асимметрия материи и анти-материи.Горнило новых технологий»Невозможно знать наверняка направление научного поиска, которое приведет нас к новым технологиям, поэтому только исследование фундаментальных проблем, которое предполагает преодоление границ возможного в настоящий момент, может гарантировать развитие прикладной науки», — объяснил профессор НИЯУ МИФИ, участник коллаборации ATLAS Анатолий Романюк.
Необходимость обработки огромного объема данных сделала ЦЕРН одним из центров развития компьютерных технологий. Кроме «Всемирной паутины», созданной там в 1989 году для удобства исследователей, центр также оказал большое влияние на технологию распределенных вычислений. Предметом особой гордости ученых являются разработки по уменьшению физических размеров ускорителей. Миниатюрные ускорители уже сейчас активно используются для сканирования внутренней структуры объектов — например, в медицине или экспертизе искусства.Связанные с этим технологии визуализации также развиваются на базе ЦЕРН. Коллаборация Medipix адаптирует для применения в диагностике технологию, служившую для наблюдения за столкновениями частиц. Разрабатывается уже четвертое поколение чипов, позволяющих как получать 3D-сканы человеческого тела, так и проводить мониторинг различного рода, в том числе в космических условиях. Помимо этого, уникальные экспериментальные условия позволяют изучать влияние космической радиации на формирование климата и разрабатывать методы защиты электроники от нее для аэрокосмической сферы.
ЦЕРН обладает уникальной экспертизой как в ряде производственных компетенций, так и в управлении процессами, что делает его авангардным хабом индустрии 4.0, влияющим на наукоемкий бизнес во всем мире.На пороге будущегоВсего в ЦЕРН действуют несколько десятков коллабораций экспериментаторов, в разных направлениях раздвигающих горизонты науки. Крупнейшие из них ATLAS и CMS ориентированы на поиск новых элементарных частиц, поиск темной материи, и других новых явлений. LHCb изучает антиматерию, а ALICE специализируется на изучении состояния вещества в первые микросекунды после Большого Взрыва.Вокруг работы БАК часто появляются слухи и тревожные теории и, к счастью, все они были опровергнуты: уничтожить Землю не удастся ни микроскопическим черным дырам, которые и вправду могут на доли секунды возникать в коллайдере, ни загадочному магнитному монополю. Зато постоянно существует вероятность совершить открытие, которое перевернет все — в хорошем смысле.Для повышения эффективности наблюдений на БАК прямо сейчас реализуется проект модернизации, который превратит его в коллайдер «высокой светимости» (HL-LHC).
Считается, что этот апгрейд позволит загрузить ученых данными примерно до 2035 года.На смену БАК, как планируют ученые, придет либо Future Circular Collider, длина окружности которого составит уже около 100 км, либо же ускоритель совершенно иного типа Linear Collider. Целью этих проектов является детальное изучение бозона Хиггса. «Самое главное достижение ЦЕРН, я считаю – это сообщество, которое удалось создать. Здесь собираются самые светлые головы со всего мира, работающие в различных областях физики и технологий. Такого уровня профессионального общения, такого обмена опытом нет больше нигде», — поделился Анатолий Романюк.На сегодняшний день в ЦЕРН на постоянной основе трудятся около 2600 ученых и инженеров. В экспериментах центра принимают участие более 12000 физиков из 85 стран, и среди них более тысячи россиян. За годы своего существования центр расширился с 11 до 23 стран-участников. Материал подготовлен на основе лекции «Большой адронный коллайдер: история и будущее исследований ЦЕРН», состоявшейся в МИА «Россия сегодня», и при содействии ученых Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».
https://ria.ru/20190226/1551341736.html
https://ria.ru/20140929/1025988096.html
https://ria.ru/20190726/1556868028.html
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.
ru/images/148736/98/1487369807_115:0:896:586_1920x0_80_0_0_811559a591e46fc3cd8294a143bf1d14.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
национальный исследовательский ядерный университет «мифи», навигатор абитуриента, университетская наука
Наука, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Навигатор абитуриента, Университетская наука
Вокруг деятельности ЦЕРН ходят слухи и легенды. Какие технологии созданы благодаря ему? К чему привело открытие «Частицы бога»? Не уничтожит ли столкновение частиц в Большом адронном коллайдере нашу планету — в материале РИА Новости.
К новой физике — почти со скоростью света
С появлением теории относительности в физике началась эпоха многообразия фундаментальных моделей, объединить которые в единую систему не удается по сей день. Сегодня самые точные данные об устройстве материи производит физика высоких энергий. Она изучает процессы рождения фундаментальных частиц в столкновениях протонов и ядер, разогнанных до скоростей крайне близких к скорости света. Это позволяет проверять теоретические прогнозы и находить новые агрегатные состояния частиц.
Стандартная модель, сформированная к 60-м годам, представляет собою комплекс теорий физики частиц, объясняющих большинство, однако, не все фундаментальные явления — например, она не объясняет гравитацию. Для уточнения этой модели и был создан Большой адронный коллайдер (БАК).
26 февраля 2019, 09:14Наука
Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего
БАК представляет собою кольцеобразный тоннель на стометровой глубине с длиной окружности 27 км, внутри которого более 1200 сверхпроводящих магнитов разгоняют частицы для столкновения на скорости 0,99999999 скорости света.
Кроме него, в ЦЕРН работают еще шесть ускорителей и ряд детекторов, регистрирующих результат столкновений частиц.
Информация, производимая детекторами, исчисляется десятками петабайт (т. е. десятками миллионов гигабайт) в месяц, а на ее анализ уходит иногда не один год работы ученых. Данные, производимые лабораториями центра, обрабатываются многоуровневой сетью, узлы которой находятся в университетах и научных центрах 40 стран мира, включая Россию.
Открытие в 2012 году бозона Хиггса стало финалом грандиозной работы по подтверждению Стандартной модели. Сегодня на базе ЦЕРН развернут целый ряд параллельных экспериментальных программ, посвященных как проверке точности предсказаний Стандартной модели, так и поиску проявлений «новой физики».
Дальнейшее исследование бозона Хиггса даст возможность изучать феномены за рамками Стандартной модели. Наибольший интерес ученых вызывают такие явления, как темная материя и темная энергия, а также асимметрия материи и анти-материи.
Горнило новых технологий
«Невозможно знать наверняка направление научного поиска, которое приведет нас к новым технологиям, поэтому только исследование фундаментальных проблем, которое предполагает преодоление границ возможного в настоящий момент, может гарантировать развитие прикладной науки», — объяснил профессор НИЯУ МИФИ, участник коллаборации ATLAS Анатолий Романюк.
Необходимость обработки огромного объема данных сделала ЦЕРН одним из центров развития компьютерных технологий. Кроме «Всемирной паутины», созданной там в 1989 году для удобства исследователей, центр также оказал большое влияние на технологию распределенных вычислений.
29 сентября 2014, 08:27Инфографика
Научный гигант современности: ЦЕРН и его достиженияЕвропейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) отмечает 29 сентября 60-летний юбилей. В настоящее время ее главной задачей является изучение элементарных частиц и механизмов их взаимодействия.
Предметом особой гордости ученых являются разработки по уменьшению физических размеров ускорителей. Миниатюрные ускорители уже сейчас активно используются для сканирования внутренней структуры объектов — например, в медицине или экспертизе искусства.
Связанные с этим технологии визуализации также развиваются на базе ЦЕРН. Коллаборация Medipix адаптирует для применения в диагностике технологию, служившую для наблюдения за столкновениями частиц.
Разрабатывается уже четвертое поколение чипов, позволяющих как получать 3D-сканы человеческого тела, так и проводить мониторинг различного рода, в том числе в космических условиях.
Помимо этого, уникальные экспериментальные условия позволяют изучать влияние космической радиации на формирование климата и разрабатывать методы защиты электроники от нее для аэрокосмической сферы.
ЦЕРН обладает уникальной экспертизой как в ряде производственных компетенций, так и в управлении процессами, что делает его авангардным хабом индустрии 4.0, влияющим на наукоемкий бизнес во всем мире.
На пороге будущего
Всего в ЦЕРН действуют несколько десятков коллабораций экспериментаторов, в разных направлениях раздвигающих горизонты науки. Крупнейшие из них ATLAS и CMS ориентированы на поиск новых элементарных частиц, поиск темной материи, и других новых явлений. LHCb изучает антиматерию, а ALICE специализируется на изучении состояния вещества в первые микросекунды после Большого Взрыва.
Вокруг работы БАК часто появляются слухи и тревожные теории и, к счастью, все они были опровергнуты: уничтожить Землю не удастся ни микроскопическим черным дырам, которые и вправду могут на доли секунды возникать в коллайдере, ни загадочному магнитному монополю. Зато постоянно существует вероятность совершить открытие, которое перевернет все — в хорошем смысле.
26 июля 2019, 03:00Наука
Черные дыры и кротовые норы: можно ли построить тоннель в другую Вселенную
Для повышения эффективности наблюдений на БАК прямо сейчас реализуется проект модернизации, который превратит его в коллайдер «высокой светимости» (HL-LHC). Считается, что этот апгрейд позволит загрузить ученых данными примерно до 2035 года.
На смену БАК, как планируют ученые, придет либо Future Circular Collider, длина окружности которого составит уже около 100 км, либо же ускоритель совершенно иного типа Linear Collider. Целью этих проектов является детальное изучение бозона Хиггса.
«Самое главное достижение ЦЕРН, я считаю – это сообщество, которое удалось создать. Здесь собираются самые светлые головы со всего мира, работающие в различных областях физики и технологий. Такого уровня профессионального общения, такого обмена опытом нет больше нигде», — поделился Анатолий Романюк.
На сегодняшний день в ЦЕРН на постоянной основе трудятся около 2600 ученых и инженеров. В экспериментах центра принимают участие более 12000 физиков из 85 стран, и среди них более тысячи россиян. За годы своего существования центр расширился с 11 до 23 стран-участников.
Материал подготовлен на основе лекции «Большой адронный коллайдер: история и будущее исследований ЦЕРН», состоявшейся в МИА «Россия сегодня», и при содействии ученых Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».
Исследователи наблюдают стационарное излучение Хокинга в аналоговой черной дыре
Кредит: общественное достояние CC0
Черные дыры — это области в космосе, где гравитация очень сильна — настолько сильна, что ничто, попадающее в них, не может выйти наружу, включая свет.
Теоретические предсказания предполагают, что существует радиус, окружающий черные дыры, известный как горизонт событий. Как только что-то пересекает горизонт событий, оно больше не может покинуть черную дыру, поскольку гравитация становится сильнее по мере приближения к ее центру.
Физик-теоретик Стивен Хокинг предсказал, что, хотя ничто не может вырваться наружу, черные дыры спонтанно излучают ограниченное количество света, известное как излучение Хокинга. Согласно его предсказаниям, это излучение бывает самопроизвольным (т. е. возникает из ничего) и стационарным (т. е. его интенсивность не сильно меняется во времени).
Исследователи из Техниона – Израильского технологического института недавно провели исследование, направленное на проверку теоретических предсказаний Хокинга. В частности, они исследовали, является ли эквивалент излучения Хокинга в «искусственной черной дыре», созданной в лабораторных условиях, стационарным.
«Если вы войдете внутрь горизонта событий, у вас не будет возможности выбраться наружу, даже для света», — сказал Phys.
org Джефф Штайнхауэр, один из исследователей, проводивших исследование. «Излучение Хокинга начинается сразу за горизонтом событий, откуда свет едва может вырваться. Это действительно странно, потому что там ничего нет, это пустое пространство. И все же это излучение начинается из ничего, выходит и идет к Земле».
Искусственная черная дыра, созданная Штайнхауэром и его коллегами, имела длину примерно 0,1 миллиметра и состояла из газа, состоящего из 8000 атомов рубидия, что является относительно небольшим числом атомов. Каждый раз, когда исследователи делали ее снимок, черная дыра разрушалась. Таким образом, чтобы наблюдать за ее эволюцией во времени, им пришлось создать черную дыру, сфотографировать ее, а затем создать еще одну. Этот процесс повторялся много раз, в течение месяцев.
Аналоговая черная дыра, созданная исследователями. Предоставлено: Колобов и др.
Излучение Хокинга, испускаемое этой аналоговой черной дырой, состоит из звуковых волн, а не световых волн.
Атомы рубидия движутся быстрее скорости звука, поэтому звуковые волны не могут достичь горизонта событий и выйти из черной дыры. Однако за пределами горизонта событий газ течет медленно, поэтому звуковые волны могут свободно перемещаться.
«Рубидий течет быстро, быстрее скорости звука, а это значит, что звук не может идти против течения», — объяснил Штайнхауэр. «Допустим, вы пытались плыть против течения. Если это течение движется быстрее, чем вы можете плыть, то вы не можете двигаться вперед, вас отбрасывает назад, потому что течение движется слишком быстро и в противоположном направлении, поэтому вы застряли. Вот на что похоже застревание в черной дыре и попытка добраться до горизонта событий изнутри».
Согласно предсказаниям Хокинга, излучение черных дыр спонтанно. В одном из своих предыдущих исследований Штайнхауэр и его коллеги смогли подтвердить это предсказание в своей искусственной черной дыре. В своем новом исследовании они намеревались выяснить, является ли излучение, испускаемое их черной дырой, также стационарным (то есть остается ли оно постоянным во времени).
«Предполагается, что черная дыра излучает подобно черному телу, которое, по сути, является теплым объектом, испускающим постоянное инфракрасное излучение (то есть излучение черного тела)», — сказал Штайнхауэр. «Хокинг предположил, что черные дыры подобны обычным звездам, которые постоянно, постоянно излучают определенный тип излучения. Это то, что мы хотели подтвердить в нашем исследовании, и мы это сделали».
Излучение Хокинга состоит из пар фотонов (то есть световых частиц): один вылетает из черной дыры, а другой падает обратно в нее. Пытаясь идентифицировать излучение Хокинга, испускаемое созданной ими аналоговой черной дырой, Штайнхауэр и его коллеги таким образом искали похожие пары звуковых волн, одна из которых исходила из черной дыры, а другая входила в нее. Как только они идентифицировали эти пары звуковых волн, исследователи попытались определить, существуют ли между ними так называемые корреляции.
«Нам пришлось собрать много данных, чтобы увидеть эти корреляции», — сказал Штайнхауэр.
«Таким образом, мы провели 97 000 повторений эксперимента, в общей сложности 124 дня непрерывных измерений».
В целом результаты подтверждают, что излучение, испускаемое черными дырами, является стационарным, как и предсказывал Хокинг. Хотя эти результаты применимы в первую очередь к созданной ими аналоговой черной дыре, теоретические исследования могут помочь подтвердить, можно ли их применить и к реальным черным дырам.
«Наше исследование также поднимает важные вопросы, потому что мы наблюдали всю жизнь аналоговой черной дыры, а это значит, что мы также видели, как началось излучение Хокинга», — сказал Штайнхауэр. «В будущих исследованиях можно попытаться сравнить наши результаты с предсказаниями того, что произойдет в реальной черной дыре, чтобы увидеть, начинается ли «настоящее» излучение Хокинга из ничего, а затем накапливается, как мы наблюдали».
В какой-то момент во время экспериментов исследователей излучение, окружающее их аналоговую черную дыру, стало очень сильным, поскольку черная дыра сформировала так называемый «внутренний горизонт».
существование внутреннего горизонта, радиуса внутри черных дыр, очерчивающего дальнейшую область ближе к ее центру
В области внутри внутреннего горизонта гравитационное притяжение намного ниже, поэтому объекты могут свободно перемещаться и больше не притянуты к центру черной дыры, но все равно не могут покинуть черную дыру, так как не могут пройти через внутренний горизонт в обратном направлении (т. е. направляясь к горизонту событий)9.0003
«По сути, горизонт событий — это внешняя сфера черной дыры, а внутри нее есть небольшая сфера, называемая внутренним горизонтом, — сказал Штайнхауэр. «Если вы проваливаетесь за внутренний горизонт, то вы все еще застряли в черной дыре, но, по крайней мере, вы не чувствуете странную физику пребывания в черной дыре. Вы были бы в более «нормальной» среде, так как притяжение будет меньше, так что вы больше не будете его чувствовать».
Некоторые физики предсказали, что когда аналоговая черная дыра образует внутренний горизонт, испускаемое ею излучение становится сильнее. Интересно, что именно это произошло с аналоговой черной дырой, созданной исследователями из Техниона. Таким образом, это исследование может вдохновить других физиков на изучение влияния образования внутреннего горизонта на интенсивность излучения Хокинга черной дыры.
Дополнительная информация:
Наблюдение стационарного спонтанного излучения Хокинга и временная эволюция аналоговой черной дыры. Физика природы (2021). DOI: 10.1038/s41567-020-01076-0
© 2021 Наука Х Сеть
Цитата :
Исследователи наблюдают стационарное излучение Хокинга в аналоговой черной дыре (2021, 19 февраля)
получено 9ноябрь 2022 г.
с https://phys.org/news/2021-02-stationary-hawking-analog-black-hole.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Искусственная черная дыра создает собственную версию излучения Хокинга
Ничто, даже свет, не может покинуть горизонт событий черной дыры.
Авторы и права: НАСА и Г. Бэкон (STScI)
Черные дыры на самом деле не черные. Вместо этого считается, что эти гравитационные поглотители излучают излучение, которое заставляет их сжиматься и в конечном итоге исчезать. Это явление, одно из самых странных явлений, связанных с черными дырами, было предсказано Стивеном Хокингом более 40 лет назад и создало проблемы для теоретической физики, которые до сих пор сотрясают мир.
Теперь, после семи лет зачастую одиночных исследований, Джефф Штайнхауэр, физик-экспериментатор из Израильского Техниона Технологического Института в Хайфе, создал искусственную черную дыру, которая, кажется, излучает такое «излучение Хокинга» сама по себе, из квантового флуктуации, возникающие при его экспериментальной установке.
Почти невозможно наблюдать излучение Хокинга в реальной черной дыре, и предыдущие эксперименты с искусственными черными дырами не связывали их излучение со спонтанными флуктуациями.
Таким образом, результат, опубликованный 15 августа 1 , может быть самым близким к наблюдению излучения Хокинга.
Штайнхауэр говорит, что аналоги черных дыр могут помочь решить некоторые из дилемм, которые это явление ставит перед другими теориями, в том числе так называемый информационный парадокс черных дыр, и, возможно, указать путь к объединению квантовой механики с теорией гравитации.
Другие физики впечатлены, но предупреждают, что результаты неоднозначны. И некоторые сомневаются, что лабораторные аналоги могут многое рассказать о реальных черных дырах. «Этот эксперимент, если все утверждения верны, действительно удивителен», — говорит Силке Вайнфуртнер, физик-теоретик и экспериментатор из Ноттингемского университета, Великобритания. «Это не доказывает, что излучение Хокинга существует вокруг астрофизических черных дыр».
В середине 1970-х Хокинг, физик-теоретик из Кембриджского университета, Великобритания, обнаружил, что горизонт событий черной дыры — поверхность, с которой ничего, включая свет, не может ускользнуть — должен иметь особые последствия для физика.
Его отправной точкой было то, что случайность квантовой теории исключает существование истинного небытия. Даже самая пустая область космоса кишит флуктуациями энергетических полей, из-за чего пары фотонов появляются непрерывно, но тут же уничтожают друг друга. Но так же, как Пиноккио превратился из марионетки в мальчика, эти «виртуальные» фотоны могли бы стать настоящими частицами, если бы горизонт событий разделил их до того, как они смогли бы аннигилировать друг друга. Один фотон упадет за горизонт событий, а другой улетит в открытый космос.
Это, как показал Хокинг, заставляет черные дыры излучать — хотя и очень слабо — и в конечном итоге сжиматься и исчезать, потому что частица, которая падает внутрь, всегда имеет «отрицательную энергию», которая истощает черную дыру. Что наиболее спорно, Хокинг также предположил, что исчезновение черной дыры уничтожает всю информацию об упавших в нее объектах, что противоречит общепринятому мнению о том, что общее количество информации во Вселенной остается постоянным.
В начале 19В 80-х годах физик Билл Унру из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Канада, предложил способ проверить некоторые предсказания Хокинга 2 . Он представил себе среду, которая испытывает ускоренное движение, например, воду, приближающуюся к водопаду. Подобно тому, как пловец достигает точки, в которой он не может уплыть достаточно быстро, чтобы избежать водопада, звуковые волны, которые проходят мимо точки в среде, скорость которой превышает скорость звука, становятся неспособными двигаться против течения. Унру предсказал, что эта точка эквивалентна горизонту событий и что она должна отображать звуковую форму излучения Хокинга.
Штайнхауэр реализовал идею Унру в облаке атомов рубидия, которое он охладил до доли градуса выше абсолютного нуля. Содержащиеся в сигарообразной ловушке длиной несколько миллиметров атомы вошли в квантовое состояние, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК), в котором скорость звука составляла всего полмиллиметра в секунду..png)
Штейнхауэр создал горизонт событий, разогнав атомы до тех пор, пока некоторые из них не стали двигаться со скоростью более 1 мм с −1 — сверхзвуковой скоростью для конденсата (см. «Построение черной дыры»).
При сверхнизкой температуре БЭК испытывает лишь слабые квантовые флуктуации, подобные тем, что происходят в космическом вакууме. И они должны производить звуковые пакеты, называемые фононами, точно так же, как вакуум производит фотоны, говорит Штайнхауэр. Партнеры должны отделяться друг от друга, при этом один партнер должен находиться на сверхзвуковой стороне горизонта, а другой формировать излучение Хокинга.
На одной стороне его акустического горизонта событий, где атомы движутся со сверхзвуковой скоростью, фононы оказались в ловушке. А когда Штайнхауэр сфотографировал БЭК, он обнаружил корреляции между плотностями атомов, находящихся на одинаковом расстоянии от горизонта событий, но по разные стороны. Это демонстрирует, что пары фононов были запутаны — признак того, что они возникли спонтанно из одной и той же квантовой флуктуации, говорит он, и что БЭК производил излучение Хокинга.
Напротив, излучение, которое он наблюдал в более ранней версии установки, должно было быть вызвано, а не исходить от самого БЭК 3 , тогда как предыдущий эксперимент с водными волнами под руководством Унру и Вайнфуртнера не пытался показать квантовые эффекты 4 .
Точно так же, как настоящие черные дыры не черные, акустические черные дыры Штайнхауэра не совсем тихие. Их звук, если бы его можно было услышать, мог бы напоминать статический шум.
«Конечно, это новаторская работа», — говорит Ульф Леонхардт, физик из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль, который возглавляет другую попытку продемонстрировать эффект, используя лазерные волны в оптическом волокне. Но он говорит, что свидетельство запутанности кажется неполным, потому что Штайнхауэр продемонстрировал корреляции только для фононов относительно высоких энергий, а пары фононов с более низкой энергией, по-видимому, не коррелировали. Он также говорит, что не уверен, что среда является истинным БЭК, что, по его словам, означает, что могут быть другие типы флуктуаций, которые могут имитировать излучение Хокинга.