Подтвержден механизм рождения реальных частиц из вакуума
| Стивен Хокинг и его супруга Элейн во время симпозиума в Кембриджском университете, посвящённого 60-летию учёного (январь 2002 года; фото Bryn Colton / Assignments Photographers / Corbis). |
Итальянские физики реализовали эксперимент, в котором наблюдалось излучение, моделирующее испарение чёрной дыры.
Эффект испарения чёрных дыр был, напомним, предсказан британским учёным Стивеном Хокингом в 70-х годах прошлого века, а для его описания вводится так называемое . Теория этого излучения основана на представлении о физическом вакууме как о некотором состоянии пространства, в котором постоянно рождаются и аннигилируют виртуальные пары частиц и античастиц. Вблизи горизонта событий чёрной дыры, однако, имеется ненулевая вероятность рождения пары «реальных» частиц (в том числе и пары фотонов), оказывающихся по разные стороны бесконечно тонкого горизонта. Находящаяся снаружи частица обладает, с точки зрения стороннего наблюдателя, положительной энергией, а частица внутри горизонта — отрицательной; закон сохранения энергии, таким образом, не нарушается. В итоге чёрная дыра становится источником потока частиц.
Свойства такого излучения сближают его с излучением чёрного тела, нагретого до некоторой температуры, обратно пропорциональной массе чёрной дыры. Впрочем, даже для чёрных дыр звёздной массы эта температура вплотную приближается к абсолютному нулю, что делает задачу регистрации эффекта Хокинга трудноразрешимой.
Довольно быстро физики поняли, что для наблюдения процесса, который будет соответствовать излучению Хокинга, астрофизическая чёрная дыра не нужна: достаточно создать аналог горизонта событий. В 2004 году, к примеру, группа учёных из (Великобритания) предложила схему построения оптоволоконного варианта горизонта событий, упрощённое описание которого можно найти (а выложен полный текст статьи, опубликованной в журнале ). Авторы использовали сверхкороткие импульсы лазерного излучения, распространявшиеся в оптоволокне и изменявшие его оптические свойства при реализации давно известного . Суть последнего заключается в том, что к эффективному показателю преломления волокна, n0, добавляется некая величина δn, пропорциональная интенсивности импульса. Эта δn «движется» вместе с импульсом, формируя новую среду, перемещающуюся, очевидно, со скоростью света в оптоволокне.
Область n0 + δn создаёт своего рода барьер для «испытательного» света, начальная групповая скорость которого не слишком сильно превосходит скорость импульса: это условие должно выполняться, поскольку значение δn невелико. По существу, задний фронт импульса устанавливает горизонт событий , гипотетической области, в которую нельзя попасть извне, а передний фронт отвечает за горизонт чёрной дыры.
Авторы новой работы действовали по схожей методике, также основанной на использовании движущейся области изменённого показателя преломления. Для её создания (см. подробное описание механизма ) понадобились лазер, выдававший импульсы пикосекундной длительности, прозрачная диэлектрическая среда () и аксикон — коническая линза, которая позволяет превращать обычный гауссов пучок излучения в .
| Схема эксперимента (иллюстрация из журнала Physical Review Letters). |
До начала эксперимента учёные оценили параметры предполагаемого излучения, аналогичного хокинговскому: для гауссова импульса с центром в 1 055 нм и δn = 0,001 длины волн ожидаемых фотонов должны, как оказалось, лежать в области 800–875 нм. Этот интервал выбран с таким расчётом, чтобы при расшифровке спектра физикам не «мешала» флуоресценция. Отделять излучение Хокинга от прочих эффектов помогало и то, что фотоны собирались под углом в 90˚ к оси прохождения импульса.
По данным исследователей, характеристики зарегистрированного излучения полностью соответствовали теоретической модели: оно было неполяризованным, а ширина его спектра зависела от величины δn — а значит, и от интенсивности импульса.
Полная версия отчёта будет опубликована в журнале ; статьи можно скачать с сайта .
Подготовлено по материалам .
http://www.scorcher.ru/xml/news.rss
|