Эврика! Ученые исследуют тайны черных дыр с помощью Hi

Исследователи Ноттингемского университета моделируют черные дыры с крошечным вихрем внутри колпака из сверхтекучего гелия.

В конце невзрачного коридора Ноттингемского университета находится дверь с простой надписью: «Лаборатория черных дыр». Внутри в большой высокотехнологичной ванне проводится эксперимент, который может дать уникальное представление о законах физики, управляющих реальной жизнью.

Лабораторией руководит профессор Силке Вайнфуртнер, пионер в области аналоговой гравитации, чья работа продемонстрировала странные параллели между математикой, описывающей жидкие системы на Земле, и некоторыми из самых экстремальных и недоступных сред во Вселенной.

«Легко испугаться, думая о черных дырах. Все предсказанные эффекты, которые должны произойти вокруг черных дыр, кажутся такими причудливыми, такими странными и такими разными», — говорит она. «Тогда полезно напомнить себе: «Подожди секунду, это происходит в моей ванне». Может быть, это не так уж и странно».

Ранее команда Вайнфуртнера использовала установку «ванна» для исследования излучения Хокинга — процесса, посредством которого, по прогнозам, черные дыры «испаряются» и в конечном итоге исчезают. Сейчас она и ее коллеги работают над более совершенным симулятором, который, по их мнению, обеспечит еще более глубокое понимание поведения черных дыр.

«Все эти эффекты чрезвычайно красивы и имеют фундаментальное значение», — говорит она. «Например, испаряется ли черная дыра или останется там навсегда?»

Основная идея заключается в том, что поток жидкости через пробку в математическом смысле имитирует искривление самого пространства-времени экстремальным гравитационным полем черной дыры.

«Физика повторяется во многих местах. Это набор математических моделей, которые очень универсальны. И если математика та же, то и физика должна быть такой же», — говорит Вайнфуртнер. «Для меня аналоги — это дар природы. Существует целый класс систем, в которых происходят одни и те же физические процессы».

Вайнфуртнер считает, что параллели между этими двумя ситуациями можно использовать для изучения того, что происходит при взаимодействии гравитационных и квантовых полей. Возможно, это было центральным вопросом физики прошлого столетия. Гравитационная и квантовая теории хорошо работают по отдельности – и этого часто достаточно для описания мира вокруг нас, потому что на больших масштабах гравитация имеет тенденцию доминировать, а на атомных масштабах правят квантовые эффекты.

Но в черных дырах, где очень большая масса сосредоточена в очень маленькой области пространства, эти миры сталкиваются, и не существует теоретической основы, объединяющей их.

«Мы прекрасно понимаем обе теории по отдельности, но объединить эти две теории оказывается чрезвычайно сложно», — говорит Вайнфуртнер. «Идея состоит в том, что мы хотим понять, как ведет себя квантовая физика в том, что мы называем искривленной геометрией пространства-времени».

В новой установке черная дыра представлена ​​крошечным вихрем внутри колпака из сверхтекучего гелия, охлажденного до -271°С. При этой температуре гелий начинает проявлять квантовые эффекты. В отличие от воды, которая может вращаться с постоянной скоростью, гелиевый вихрь может вращаться только с определенными фиксированными значениями. Рябь, распространяющаяся по поверхности гелия и отслеживаемая с нанометровой точностью лазерами и камерой высокого разрешения, представляет собой излучение, приближающееся к черной дыре.

Вайнфуртнер планирует использовать установку для исследования явления, известного как сверхизлучение, кажущегося парадоксальным предсказания о том, что излучение, попадающее в окрестности черной дыры (не выходя за горизонт событий), может отклоняться с большей энергией, чем оно имело на поверхности черной дыры. Путь внутрь. Благодаря этому процессу из черной дыры можно извлечь энергию, заставляя ее вращение постепенно замедляться.

Это явление было предсказано теоретически, но никогда не наблюдалось. И вполне возможно, говорит Вайнфуртнер, что вращающаяся черная дыра может демонстрировать квантовые эффекты, подобные тем, которые наблюдаются в сверхтекучем гелии.

Симулятор также можно использовать для предсказаний об излучении Хокинга и сигналах гравитационных волн, посылаемых через Вселенную от сливающихся черных дыр, которые могут быть обнаружены детектором гравитационных волн LIGO.