22 октября 2021

Японские учёные смоделировали излучение Хокинга

Известно, что поведение всей материи в окружающей нас Вселенной подчиняется фундаментальным законам физики, тем не менее, некоторые аспекты взаимодействия этих законов и различных видов фундаментальных сил до сих пор не изучены и находятся за гранью понимания современной науки. Например, так называемое излучение Хоккинга, излучение, исходящее практически с границ горизонта событий черных дыр. Сам факт его существования указывает на некоторое пересечение Общей теории относительности и квантовой механики, но в реальности ученые лишены возможности непосредственного изучения данного явления из-за помех, создаваемых фоновым космическим шумом самой Вселенной.

Однако, если ученые не могут наблюдать излучение Хоккинга непосредственно, то существует возможность создание этого вида излучения или его ближайшего аналога в лабораторных условиях. И недавно, Харуна Катаяма (Haruna Katayama), ученая из университета Хиросимы, предложила использовать в этих целях специальное квантовое устройство, которое объединяет в себе основные черты лазера и черной дыры.

"Мы разработали квантовую лазерную систему, внутри которой созданы своего рода аналоги черной и белой дыры, действующие как резонатор" - рассказывает Харуна Катаяма. Отметим, что под термином "белая дыра" подразумевается гипотетическая противоположность черной дыры, которая ничего не поглощает и излучает частицы света и материи в равных пропорциях. В данном случае роль черной и белой дыры выполняет особый метаматериал, в пределах которого допускается движение со скоростью, превышающей скорость света. При этом, такое сверхсветовое движение допускается только в пространстве между условными границами горизонтов событий аналогов черной и белой дыр, и при этом возникает достаточно сильный эффект излучения Хоккинга.

В предлагаемой квантовой схеме, элементом которой является описанный выше метаматериал, возникает так называемый солитон - особая форма локализованной и самоусиливающейся формы волны, которая распространяется в системе до тех пор, пока она не разрушается под влиянием внешних пагубных факторов. Этот солитон действует подобно резонансному объему традиционного лазера, а за усиление излучения Хоккинга несет ответственность хорошо известный всем эффект Джозефсона.

Излучение Хоккинга проявляется в виде пар запутанных на квантовом уровне частиц, одна из которых остается в пределах лазера (черной дыры), а вторая уходит за пределы горизонта событий. Другими словами, вторая частица является полным отражением первой запутанной частицы. Благодаря квантовой корреляции становится возможным измерить и рассчитать математически параметры первой частицы, и выяснить некоторые тонкости процессов, происходящих внутри черных дыр.

Естественно, что излучение такого квантового лазера будет весьма сильно отличаться от истинного излучения Хоккинга, производимого реальной черной дырой. Однако, используя некоторые оптические приборы, можно будет преобразовать спектр излучаемого света так, что упомянутая чуть выше разница станет минимально возможной.

"В далеком будущем мы сможем использовать подобную систему для обеспечения квантовых коммуникаций между различными пространственно-временными континуумами при помощи излучения Хоккинга" - рассказывает Харуна Катаяма, - "А в ближайшей перспективе квантовый лазер, вырабатывающий излучение Хоккинга может быть использован в экспериментах, которые обеспечат более глубокое понимание взаимодействия фундаментальных законов и сил, что можно будет объединить в рамках единой "Теории всего сущего"".