можно ли искусственно создать черную дыру
Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?
Ученые Израильского технологического института создали в лабораторных условиях звуковой аналог черной дыры, подтвердив существование устойчивого излучения Хокинга. Ранее физики из Мексики и Израиля впервые продемонстрировали существование излучения Хокинга с помощью сверхкоротких лазерных импульсов и фотонного кристаллического волокна. Однако до сих пор подтвердить устойчивость излучения не удавалось. Рассказываем, что это такое, как ученые создали аналог черной дыры и к чему приведет новое открытие.
Читайте «Хайтек» в
Как «работают» черные дыры?
Черные дыры — это области в космосе, где гравитация очень сильна. Причем настолько сильна, что все, что попадает в них, не может «сбежать» — даже свет. Теоретические предсказания предполагают, что вокруг черных дыр есть радиус, известный как горизонт событий. Как только что-то пересекает его, оно больше не может покинуть черную дыру. Дело в том, что гравитация становится все сильнее по мере приближения к ее центру.
В обычной черной дыре излучение Хокинга появляется, когда у горизонта событий возникает пара виртуальных частиц, которая превращается в пару «частица-античастица». При этом одна частица падает за горизонт, а другая улетает прочь.
Что предсказывал Хокинг?
Физик-теоретик Стивен Хокинг предсказал: хотя ничто не может покинуть черные дыры, они сами спонтанно испускают ограниченное количество света. Оно известно как излучение Хокинга. Согласно предсказаниям физика, это излучение бывает самопроизвольным (т. е. возникает из ничего) и стационарным (т. е. его интенсивность не сильно меняется со временем).
Согласно предсказаниям Хокинга, излучение черных дыр является спонтанным. В своем новом исследовании ученые намеревались выяснить, является ли излучение, испускаемое их черной дырой, также стационарным (т. е. остается ли оно постоянным во времени).
Что выяснили ученые?
Исследователи из Израильского технологического института Технион недавно провели исследование, направленное на проверку теоретических предсказаний Хокинга. В частности они изучали, был ли эквивалент излучения Хокинга в «искусственной черной дыре», созданной в лабораторных условиях, стационарным.
Если вы войдете внутрь горизонта событий, то не сможете выбраться отсюда даже для света. Излучение Хокинга начинается сразу за горизонтом событий, откуда свет едва может уйти. Это действительно странно, потому что там ничего нет; это пустое пространство. Но это излучение начинается из ничего, выходит и идет к Земле.
Джефф Штайнхауэр, один из исследователей в интервью для ScienceX
Как ученые создали искусственную черную дыру?
Искусственная черная дыра, созданная израильскими учеными, имела длину примерно 0,1 мм и была сделана из газа, состоящего из 8 000 атомов рубидия. Это относительно небольшое количество атомов. Каждый раз, когда исследователи фотографировали ее, 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.
Излучение Хокинга, испускаемое этой аналоговой черной дырой, состоит из звуковых волн, а не световых. Атомы рубидия движутся быстрее скорости звука, поэтому звуковые волны не могут достичь горизонта событий и вырваться 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 означает, что звук не может идти против потока. Допустим, человек пытается плыть против течения. Если это течение идет быстрее, чем он в состоянии плыть, тогда двигаться вперед просто невозможно. Пловца постоянно отталкивает назад — поток движется слишком быстро и в противоположном направлении. В итоге человек застревает на одном месте. Вот на что похоже быть застрявшим в черной дыре и пытаться достичь горизонта событий изнутри.
Излучение Хокинга состоит из пар фотонов (то есть легких частиц): один выходит из черной дыры, а другой падает обратно в нее. Пытаясь идентифицировать излучение Хокинга, испускаемое аналоговой черной дырой, ученые искали похожие пары звуковых волн, одна выходила из черной дыры, а другая двигалась в нее. После того, как они идентифицировали эти пары звуковых волн, исследователи попытались определить, существуют ли между ними корреляции. Физики повторили свой эксперимент 97 000 раз — это 124 дня непрерывных измерений. В итоге исследователи обнаружили, что у аналога черной дыры возникает пара звуковых волн, а также подтвердили корреляцию между ними.
В целом результаты, похоже, подтверждают, что излучение, испускаемое черными дырами, является стационарным, как и предсказывал Хокинг. Хотя эти результаты относятся в первую очередь к созданной ими аналоговой черной дыре, теоретические исследования могут помочь подтвердить, можно ли их применить и к реальным черным дырам.
Что в итоге?
Исследование ученых поднимает важные вопросы. Дело в том, что им удалось наблюдать все время жизни аналоговой черной дыры и увидеть, как началось излучение Хокинга. В будущих исследованиях можно попытаться сравнить результаты работы с предсказаниями о том, что произойдет в реальной черной дыре. Таким образом, ученые смогут увидеть, начинается ли «настоящее» излучение Хокинга с нуля, а затем увеличивается, как и наблюдали физики вовремя эксперимента.
У реальной черной дыры два горизонта: внешний — горизонт событий (точнее, горизонт видимости) и внутренний — горизонт Коши. Между двумя горизонтами существует Т-область, где движение для любых объектов возможно только в одну сторону: свет, частица или человек будут двигаться только внутрь. Приливные силы будут нарастать по мере движения в этой области к внутреннему горизонту Коши. Удивительно, но под ним движение объекта к центру резко замедляется (в некотором смысле в координатах, сопутствующих самому объекту).
После остановки в сопутствующих объекту координатах он начинает выталкиваться наружу — в другую вселенную (топология для реальных черных дыр нетривиальная, в ней существует связь между разными вселенными, и объект должен выталкиваться в другую вселенную). В точке остановки (ее называют еще точкой поворота, точкой горловины) существуют максимальные приливные силы для данной черной дыры, данного объекта и начальных условий падения этого объекта (в других условиях этот максимум будет уже другим, но всегда конечным).
В области внутри внутреннего горизонта гравитационное притяжение намного ниже, поэтому объекты могут свободно перемещаться и больше не притягиваются к центру черной дыры. Тем не менее, они все еще не могут покинуть черную дыру, поскольку не могут пройти через внутренний горизонт в противоположном направлении (т. е. направляясь к горизонту событий).
По сути, горизонт событий — это внешняя сфера черной дыры, а внутри нее есть небольшая сфера, называемая внутренним горизонтом. Если человек упадет за внутренний горизонт, то все равно застрянет в черной дыре. Но, по крайней мере, он не почувствует немыслимую физику пребывания в ней. Человек окажется в более «нормальной» среде, поскольку сила тяжести будет ниже, и больше ее почувствовать не удастся.
Некоторые физики предсказали, что когда аналоговая черная дыра образует внутренний горизонт, испускаемое ею излучение становится сильнее. Интересно, что именно это и произошло в аналоговой черной дыре, созданной исследователями Техниона. Таким образом, это исследование может вдохновить других физиков на изучение влияния образования внутреннего горизонта на интенсивность излучения Хокинга.
Может ли БАК создать губительную для Земли черную дыру?
Всякий раз, когда мы раздвигаем границы знаний, этому сопутствует риск и перспектива награды. Рисков много: не найти ничего нового, провести неудачный или неработающий эксперимент, вызвать разрушения, если все пойдет наперекосяк. Но вознаграждение может быть огромным: получение новых знаний, новых технологий и прорыв для всей человеческой науки.
Большой андронный коллайдер (БАК)
Элементарные частицы
Одним из мест, олицетворяющих все это, является Большой адронный коллайдер (БАК) при ЦЕРН, на котором мы начали сталкивать протоны при самых высоких энергиях, когда-либо достигнутых в ускорителе элементарных частиц. Пару лет назад мы побили старый рекорд — 2 ТэВ (тераэлектронвольт, или 10 12 эВ), который был установлен Лабораторией Ферми — разогнав частицы до 3,5 ТэВ и столкнув их между собой, достигнув 7 ТэВ общей энергии. Это открытие не только позволило нам не только создать огромное число неуловимых фундаментальных частиц (топ-кварка, W- и Z-бозонов), но и открыть совершенно новую фундаментальную частицу, последнюю из неоткрытых частиц Стандартной модели: бозон Хиггса.
С помощью БАК ученые смогли обнаружить новую частицу — бозон Хиггса
Обновленный БАК позволяет нам набрать порядка 13-14 ТэВ общей энергии. Если нам повезет, внушительное число столкновений на таких энергиях, в сочетании с невероятными детекторами, позволит нам создать и открыть никогда ранее не виденные частицы в этой лаборатории. И, конечно, это открывает целый простор для невероятных (и совершенно несуразных) заявлений, как то:
«Ученые на Большом адронном коллайдере надеются скоро войти в контакт с ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ВСЕЛЕННОЙ».
«Большой адронный коллайдер бросает вызов теории Большого Взрыва».
«Игры со Вселенной могут уничтожить нас: созданные на БАК черные дыры нас поглотят».
И если первые два — это совсем чушь, неверно переданная научная информация, третье заявление сеет страх среди населения, поднимая свою уродливую голову всякий раз, когда БАК начинает работать.
Источник теории
Существует ряд теорий, которые предсказывают существование дополнительных измерений. Не только трех пространственных и одного временного, которые, как мы знаем, присущи нашему четырехмерному пространству-времени, но и как минимум еще одного пространственного измерения в нашей Вселенной. И хотя мы не можем получить доступ к этим измерениям при доступных нам энергиях, считается, что в масштабах, которые меньше тех, с которыми мы имели дело — и соответствуют более высоким энергиям — эти дополнительные измерения существуют.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
И если эти дополнительные измерения существуют, есть также теоретическая возможность, что можно создать крошечные, миниатюрные, микроскопические черные дыры!
Сделай мы это, мы бы совершили невероятный технологический и научный подвиг, который навсегда изменил бы наше представление о Вселенной. Но когда вы говорите «черная дыра», люди мгновенно (и не зря) представляют себе катастрофическую картину чего-то, засасывающего материю любого рода, пожирая протоны, нейтроны, электроны нашего мира и уничтожая все и вся.
Можно ли создать в лаборатории черные дыры?
Но это невозможно по трем причинам. Давайте разберемся.
Конечно, мы никогда не создавали частиц с такой энергией в лабораторных условиях прежде. Но на самых высоких уровнях энергий — энергиях более чем в сто миллионов раз (100 000 000) выше, чем те, с которыми мы работаем на БАК — частицы постоянно сталкиваются с Землей: это космические лучи, которые бомбардируют нас со всех космических направлений.
Эти черные дыры, если бы они существовали, бомбардировали бы Землю (и все планеты) на протяжении всей истории нашей Солнечной системы, а также Солнце, и нет ничего, что указывало бы на то, что хоть какое-либо тело в Солнечной системе стало черной дырой или было ею съедено.
И тут вы можете возразить, мол, эти объекты движутся слишком быстро и поэтому просто пролетают через Землю, съедая слишком мало материи, чтобы оставаться внутри, и вылетают в межгалактическое пространство. В таком случае вас должна успокоить вторая причина.
Cуществуют ли дополнительные измерения
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Но допустим, что есть новые законы физики, которых мы пока не знаем, и эти черные дыры внезапно станут стабильными. Вы делаете черную дыру — крошечную такую — в центре Земли, и она не распадается. Поглотит ли она Землю? И если да, то как быстро? Это приводит нас к третьему и последнему условию, и не забывайте: мы уже дважды отринули известные законы физики ради того, чтобы сделать этот бред возможным.
Может ли созданная черная дыра поглотить Землю?
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Наша планета будет в порядке, даже если нам удастся создать крошечную черную дыру.
Так что, даже если вы сделаете черную дыру и даже если законы физики неверны, а черная дыра будет жить вечно, она будет безвредной. Независимо от того, сколько законов физики мы отбросим, пересмотрим или изменим, Земля все равно будет в порядке.
Поэтому не бойтесь. Мы стараемся исследовать мир совершенно безопасным способом. Любые опасения могут быть развеяны — достаточно обратиться к ученым и спросить. Они ведь тоже не безумные.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Если вы не занимаетесь астрономией на уверенном уровне, вы наверняка хоть раз задавались вопросом: сколько существует независимых способов измерения возраста…
Альтернативные и псевдонаучные факты часто распространяются в обществе с молниеносной скоростью. Теперь, похоже, они смогли заразить и науку — по крайней мер…
Уходящий год, без сомнений, оказался одним из самых громких по всем направлениям. И мир научных открытий в этом плане тоже не остался в стороне. В этом году …
Ученые создали черную дыру в научной лаборатории
Ученые создали черную дыру: вот как это произошло
Почти 50 лет назад, до появления «Интерстеллара», «Краткой истории времени» и телескопа «Горизонт событий» исследователь Уильям Унру пытался объяснить природу черных дыр студентам на коллоквиуме Оксфордского университета.
Ученый не располагал инвентарем, с которым можно сравнить это явление. Уильяму Унру нужен был объект настолько плотный, что свет не мог бы избежать искажения от воздействия его гравитации. И исследователь придумал свою аналогию – ею стал водопад и маленькая рыбка, переплывающая его по краю против течения воды. В результате рыба навсегда остается на дне водопада. То же происходит со светом при попадании в черную дыру.
Несколько лет спустя Унру читал лекцию по физике о поведении жидкостей и понял, что математика этой аналогии нарисовала картину, еще более похожую на черную дыру, чем он раньше думал. В течение десятилетий Унру генерировал только идеи, и к тому времени, когда он сам стал профессором, к нему и его ученикам пришло понимание, что они способны реализовать теоретические выкладки на практике. Было решено построить объект, похожий на черную дыру, в лаборатории.
Ученые с 1980-х годов разработали множество аналогов черной дыры с целью воссоздать пространственно-временную аномалию, описанную такими учеными, как Альберт Эйнштейн и Стивен Хокинг. Только в этом году команда во главе с физиком Джеффом Штайнхауэром из Техниона –Израильского технологического института обнаружила убедительное доказательство тому, что излучение исходит от внешних контуров черных дыр. Это было сделано благодаря использованию аналога пространственно-временной аномалии. Никто и не подозревал, что схожесть между явлениями, привычными для нашего мира и космическими, настолько велика.
Уильям Унру в свое время сказал: «Вселенная – это не водопад, стекающий с обрыва, и черная дыра отличается от него, но в некоторых аспектах они очень похожи».
И сегодня ученый утверждает, что с помощью аналогий можно достаточно подробно изучить поведение черных дыр.
Теория относительности Эйнштейна рассказывает о существовании черных дыр. Это объекты с чудовищной гравитацией, которая искажает пространство и время настолько, что за границу, называемую горизонтом событий, свет не выходит. Именно этот аспект и стал камнем преткновения для физиков, так как он подчиняется законам квантовой механики. И сегодня не существует метода совместить их с общей теорией относительности и ее определением гравитации.
Теоретики выдвинули предположение о наличии нескольких физических явлений, которые могут возникнуть в пространственно-временных аномалиях, включая излучение Хокинга. Это идея о том, что черные дыры испускают крошечные частицы энергии. Она сочетается с процессом Пенроуза, который говорит о том, что черные дыры затягивают частицы энергии и вещества, находящиеся с ними.
Современные технические средства наблюдения за аномалиями, такие как детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo, а также телескоп Event Horizon, не способны рассматривать процессы, происходящие в черных дырах, на квантовом уровне. Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире разрушитель атомов, еще не создал миниатюрную черную дыру.
Но он спровоцировал активную дискуссию среди ученых относительно того, нанесет ли искусственно сгенерированная аномалия ущерб нашему миру или нет. При этом большинство исследователей утверждают, что созданные коллайдером аномалии будут слишком малы, чтобы оказывать существенное влияние на пространство-время, и почти сразу исчезнут после появления.
Ученые говорят, что для генерации черной дыры в лабораторных условиях нужно значительно больше энергии, чем может сгенерировать адронный коллайдер. Аналогичные установки, использующие ультрахолодные атомы, лазеры или даже проточную воду, по крайней мере, подтверждают, что определенные природные процессы и явления похожи на черные дыры.
После того как Хокинг дебютировал с теорией излучения черной дыры, Унру использовал математику, чтобы расширить аналогии и развить концепцию «тупых дыр». Они получили такое название, так как задерживают звук, а не свет. Другие физики опирались на эту теорию и разработали собственные концептуальные подходы к «тупым дырам». К 2000-м годам Унру и его команда, к которой присоединились инженеры-строители из Университета Британской Колумбии, были готовы воссоздать подобное явление в лаборатории.
Первые аналоги аномалий были больше похожи на струящиеся водопады, чем на поглотителей звука. Насосы подавали воду под давлением вниз через барьер, представляющий черную дыру. Ученые изначально предполагали передавать вибрации, как аналог звуковых колебаний, через воду. Но скорость звука в воде составляет 1500 метров в секунду, что создает сложности для изучения в условиях небольшой лаборатории. Поэтому ученым пришлось направлять физические волны через барьер.
Первые результаты исследований опубликовали в 2010 году. Ученые так описывали процесс создания аналогий. Когда волны взаимодействовали с барьером, они генерировали пары колебаний по обе стороны барьера аналогично частицам, которые, как предсказывал Хокинг, появятся по обе стороны (внутри и снаружи) черной дыры.
Другая теоретическая работа Хокинга и Унру предполагает, что черные дыры излучают волны с «тепловым» или «черным» спектром длины. Такая выкладка основана исключительно на их температуре, которая у черных дыр напрямую связана с их массой. Волны от потока в лаборатории генерировали поразительно похожий спектр. Поэтому команда ученых заявила, что измерила «стимулированное» излучение Хокинга в искусственно созданной системе.
Исследователи отметили, что излучение черных дыр – один из наиболее своеобразных процессов в космосе. И проведенные эксперименты позволили его реконструировать в лабораторных условиях.
Проводились и другие эксперименты. Например, в Ноттингемском университете в Великобритании создали аналог черной дыры из водяного вихря. По мере усиления вращения волны поднимались, поглощая жидкость. Эксперимент назвали сверхизлучением в лаборатории. Он подтвердил теорию Пенроуза, утверждающую, что вращающиеся черные дыры поглощают частицы, находящиеся в пространстве вокруг них.
За последние десять лет ученые создали множество аналогов, основанных на сходных концепциях. Лазерный луч с измененными свойствами пропускали через стекло, чтобы изменить скорость света и сгенерировать частицы, подобные излучению Хокинга. Но этим аналогам все еще не хватало некоторых квантовых характеристик, которые управляют излучением Хокинга в реальных черных дырах. Унру объяснил, что эти системы просто слишком сильно нагреваются, чтобы можно было зафиксировать незначительные эффекты, возникающие лишь на небольшой доле градуса. Она выше абсолютного нуля – температуры, при которой у тел отсутствует тепло.
Когда Унру впервые подумал о воспроизводстве этих квантовых эффектов в лабораторных условиях, он не предполагал, что будет возможно воссоздать необходимые температуры. Но когда он рассказал об этом на конференции в Санта-Фе, штат Нью-Мексико, два десятилетия назад, физик Марк Райзен сказал, что в лабораторных системах, называемых конденсатами Бозе-Эйнштейна, уже могут создаваться достаточно низкие температуры. И в 2019 году Штейнхауэр из Технологического института Технион-Израиль, возможно, обнаружил эти квантовые эффекты в одном из наиболее похожих на черные дыры аналогах.
Штейнхауэр сказал, что давно изучал конденсаты Бозе-Эйнштейна – ультрахолодные коллекции атомов, которые воспроизводят квантово-механические эффекты в почти макроскопических масштабах. Ученый узнал о возможности создания черных дыр на основе звуковых волн с использованием конденсатов Бозе-Эйнштейна и начал работать над этим аспектом в качестве побочного проекта. Как только он придумал, как построить одну из этих систем, физик сосредоточился на создании звуковых черных дыр. Он делал это в одиночку.
Система Штайнхауэра, по сути, аналогична схеме, где вода проходит через барьер. Тут небольшая трубчатая область размером в десятки микрометров содержит тысячи атомов рубидия и освещена лазером. Еще один луч создает разность энергий – границу, которая движется через атомы. Система похожа на водопад. Данные записываются, когда атомы пересекают границу.
Звук распространяется с разной скоростью по обе стороны границы: быстро – сверху, поскольку атомы плотнее, и медленно – снизу, где атомы менее плотны. Фононы – мельчайшие единицы звука, могут двигаться в любом направлении, так как скорость звука ниже скорости движения атомов. На дне импровизированного водопада частицы движутся быстрее, чем звуковая волна. Поэтому фонон никогда не вернется к границе и застрянет в звуковой черной дыре.
Штейнхауэр представил результаты экспериментов в 2014 и 2016 годах. Он продемонстрировал жуткие квантовые корреляции между соответствующими фононами. Тепловой спектр, длины волн которого были основаны исключительно на аналоге гравитации системы, появился в данных самопроизвольно. Это произошло в результате установки системы без генерации звука. Они смогли даже получить аналог «температуры Хокинга», которая определяет природу излучения Хокинга в реальной черной дыре.
Сегодня у ученых есть лабораторные системы, которые имитируют законы физики, действующие в черных дырах. Они надеются продолжить с их помощью воссоздание особенностей черных дыр. Но все проводимые эксперименты не могут быть подтверждены на практике. Нет гарантии, что в реальных черных дырах происходят подобные процессы. Вместе с тем многочисленные попытки воссоздания такого сложного явления имеют общие черты, поэтому ученые верят, что их работа не напрасна.
Исследователи рассчитывают использовать наработанный опыт в сфере изучения жидкостей и холодных атомов. Но ученым еще предстоит кропотливая работа по изучению колебаний сверхтекучих составов.
Вопрос о том, способствуют ли создаваемые системы изучению космоса, остается открытым. Пока проводимые эксперименты подтверждают только правильность математических расчетов. Но нельзя проверить, соответствуют ли процессы, происходящие в черных дырах, тем, которые получены в лабораториях. Также нет гарантии того, что в космосе работают математические расчеты.
Несмотря на титаническую работу, ученые понимают, что это только первый шаг на пути к пониманию процессов, происходящих во Вселенной. Для более глубокого изучения нужно создавать новые лабораторные системы, использовать редкие материалы. Но основной проблемой для исследователей остается невозможность подтверждения расчетов и теорий ученых. А пока этого не произошло, вопрос веры утверждениям профессоров остается открытым.