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 излучение Хокинга. 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 Сент-Эндрюсского университета (Великобритания) предложила схему построения оптоволоконного варианта горизонта событий, упрощённое описание которого можно найти здесь (а тут выложен полный текст статьи, опубликованной в журнале Science). Авторы использовали сверхкороткие импульсы лазерного излучения, распространявшиеся в оптоволокне и изменявшие его оптические свойства при реализации давно известного эффекта Керра. 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 белой дыры, 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 здесь) понадобились лазер, выдававший импульсы пикосекундной длительности, прозрачная диэлектрическая среда (кварцевое стекло) и аксикон — коническая линза, которая позволяет превращать обычный гауссов пучок излучения в бесселев.

 

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 Physical Review Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Technology Review.