Джефф Штейнхауер, фізик з Ізраїльського технологічного інституту, зафіксував найбільш достовірний на сьогоднішній день аналог випромінювання Хокінга. В експерименті вчений створив так звану «глуху діру» - акустичний аналог чорної діри. Спостерігаючи за її поведінкою, фізик виявив, що на спеціальному кордоні, за який не можуть поширюватися коливання матерії «глухої діри», народжуються пари квантів коливань, що рухаються в різні боки. Більш того, ці пари виявляються квантово-заплутаними.
На відміну від попередніх експериментів з аналоговими чорними дірами, «заборонене» випромінювання в роботі Штейнхауера виникає мимовільно і має квантову природу: воно народжується з флуктуацій вакууму, як і випромінювання Хокінга. За словами Леонарда Сасскінда, якщо результат отримає підтвердження, то він стане «тріумфом Хокінга, як відкриття бозона Хіггса стало тріумфом для Пітера Хіггса і його колег». Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє редакційний матеріал.
Традиційне пояснення природи випромінювання Гокінга пов'язане з флуктуаціями вакууму на горизонті подій чорної діри. Це така область, в якій гравітаційне поле об'єкта виявляється настільки сильним, що навіть світло не може її покинути. Природа квантової механіки не дозволяє існувати ідеальному нульовому вакууму - цьому заважає принцип невизначеності Гейзенберга. В результаті у вакуумі безперервно народжуються і анігілюють пари віртуальних частинок. Якщо одна з частинок такої пари виявиться затягнутою «під» горизонт, то друга частинка стане реальною і покине чорну діру. При цьому ця пара частинок - всередині і зовні чорної діри - виявиться квантово-заплутаною.
Випромінювання Гокінга веде до того, що з часом чорна діра випаровується. Причому, чим менше надщільний об'єкт, тим швидше це відбудеться. З цим пов'язаний важливий парадокс, що вказує на складність об'єднання загальної теорії відносності і квантової механіки - парадокс втрати інформації. Детально про нього розповідав Еміль Ахмедов в серії інтерв'ю N + 1 (1, 2). Однак зафіксувати випромінювання безпосередньо, від відомих кандидатів у чорні діри, неможливо. Воно подібне до теплового випромінювання, і чим масивніша зірка, тим менше температура випромінювання. Так, для чорної діри з масою Сонця температура випромінювання Гокінга становить 0,0000001 кельвіна - на 7 порядків менше, ніж заповнює Всесвіт реліктове випромінювання.
Тому для того, щоб підтвердити існування випромінювання Гокінга, вчені використовують модельні об'єкти - аналогові чорні діри. Фізики звернули увагу, що при правильній постановці експерименту хвилі звуку або інших коливань можуть поводитися подібно світловим хвилям поблизу чорної діри.
У ролі аналогових чорних дір виступали як макро-, так і мікроскопічні системи. Наприклад, у 2008 році фізики під керівництвом Ульфа Леонхардта моделювали хвилі хокінговського випромінювання за допомогою хвиль у басейні, що поширювалися проти сильної течії. Тоді вченим вдалося зафіксувати сліди хвиль, що змінювали свою частоту з позитивної на негативну. Пізніше та ж група використовувала оптичні волокна з нелінійними властивостями для тих же цілей.
Автор нової роботи, Джефф Штейнхауер, пішов далі і застосував для моделювання горизонту подій конденсат Бозе-Ейнштейна з охолоджених до наднизьких температур атомів рубідію. Експерименти зі звуковими аналогами чорних дір - «глухими дірами» - фізик почав ще в 2009 році.
В основі робіт лежить наступна ідея: швидкість поширення звуку в охолодженій хмарі атомів рубідію дуже мала - близько півміліметра на секунду. Якщо створити межу, ліворуч від якої атоми рухаються з дозвуковою швидкістю, а праворуч прискорюються, переходячи на надзвукову швидкість, то вона буде грати роль горизонту подій. У такій ситуації кванти колективних коливань холодних атомів - фонони - будуть захоплюватися областю з надзвуковою швидкістю, аналогічно фотонам, захоплюваним чорною дірою.
У газі, охолодженому до часток кельвіна, основним джерелом фононів є флуктуації вакууму - коливання, що народжуються при цьому, є віртуальними і гасять один одного. Однак пари фононів, народжені флуктуацією на аналоговому горизонті подій, можуть виявитися розірвані. В результаті цього виникають реальні фонони в надзвуковій і дозвуковій областях. Фонон в дозвуковій області і грає роль випромінювання Гокінга.
Штейнхауер фіксував фонони в хмарі холодних атомів і аналізував можливий взаємозв'язок між ними. Виявилося, що між поведінкою атомів, які перебували на однакових відстанях від «горизонту», існували кореляції. Це, за словами автора, вказує на квантову заплутаність між фононами.
Як зазначає Ульф Леонхардт, незважаючи на значимість роботи, ізраїльський фізик показав заплутаність лише між фононами високих енергій, тоді як пари з низькими енергіями, очевидно, не корелюють. За словами експерта, якщо використані холодні атоми не формували істинного Бозе-Ейнштейновського конденсату, то внесок у поведінку могли зробити й інші процеси.
Існування аналога випромінювання Гокінга у аналогової чорної діри не означає, що й у астрофізичних чорних дір є така ж властивість. Єдина можливість зафіксувати випромінювання безпосередньо - спостереження мініатюрних чорних дір, що існували в ранньому Всесвіті. Дослідження аналогового випромінювання може дати підказки про властивості чорних дір, які не можна виміряти безпосередньо.
Цікаво, що Штейнхауер працював над експериментом поодинці. Як розповідає фізик, він не прагнув до цього, але, ймовірно, його лабораторія користується репутацією місця, в якому складно працювати. За словами вченого, у лабораторії з однієї людини є і свої переваги: можна щодня, протягом усього дня, приділяти час тільки одному важливому проекту.