Фізики з Ізраїльського технічного університету підтвердили теплову природу випромінювання Хокінга «глухої» діри - одного з найбільш достовірних аналогів гравітаційного випромінювання Хокінга. Для цього вчені вимірювали кореляції між щільностями бозе-конденсату, в якому виникала «глуха» діра, і порівнювали спектр кореляцій з розподілом Планка. Знайдена таким чином температура Хокінга «глухої» діри склала близько 0,35 нанокельвін, що узгоджується з теорією в межах похибки експерименту. Результати вимірювань дослідники опублікували в.
У 1974 році Стівен Гокінг виявив, що через квантові ефекти чорні діри випускають теплове випромінювання, причому температура і інтенсивність цього випромінювання тим вище, чим менше діра. Теплове випромінювання - це випромінювання, енергія якого підпорядковується закону Планка. В даний час фізикам відомо безліч евристичних пояснень, які вказують на ефект Хокінга. Найчастіше цей ефект пояснюють за допомогою віртуальних пар частинок, одна з яких «провалюється» під горизонт подій, а інша відлітає на нескінченність. Зрозуміло, це спрощене пояснення не зовсім коректне. Детально прочитати про випромінювання Гокінга можна в матеріалах «Літописець часу», «Що спільного між випромінюванням Гокінга і ефектом Унру?» і «Ефект Унру».
На жаль, виявити випромінювання Гокінга біля справжньої чорної діри - а тим більше підтвердити його тепловий спектр - фізики досі не змогли. І швидше за все не зможуть навіть у далекому майбутньому. Справа в тому, що астрономічні чорні діри мають дуже маленьку температуру - наприклад, температура чорної діри з масою Сонця становить всього 6 − 10 − 8 кельвін. Побачити таке випромінювання не може навіть найточніший телескоп (тому що воно майже в мільярд разів слабше реліктового випромінювання). Створити мініатюрну чорну діру в лабораторії при поточному рівні розвитку техніки теж неможливо. Тим не менш, в лабораторії можна побудувати аналог чорної діри - систему, яка ефективно моделює горизонт подій і, відповідно, ефект Гокінга. Один з перших прикладів такої системи теоретично розглянув ще в 1981 році Вільям Унру; у загальних рисах, у цьому прикладі чорна діра моделювалася потоком рідини, що сходився. А приблизно з середини минулого десятиліття деякі із запропонованих моделей почали перевіряти в справжніх експериментах.
На даний момент один з найбільш достовірних аналогів випромінювання Гокінга спостерігав в 2016 році ізраїльський фізик Джефф Штейнхауер, який працював з так званою «глухою» дірою. Щоб створити таку дірку, вчений отримував бозе-конденсат холодних атомів рубідію і розділяв його на дві області. В одній області атоми рухалися з дозвуковою швидкістю, у другій - з надзвуковою швидкістю, що розділяє області кордон слугував аналогом горизонту подій, а фонони (кванти звуку) - аналогами фотонів. З цим пов'язана назва «глухої» діри: звукові хвилі, що потрапили в «надзвукову» область, ніколи її не покидають. В результаті пари фононів, які народжуються поблизу горизонту подій, розриваються і формують характерну картину кореляцій. Вимірюючи ці кореляції, фізик підтвердив, що випромінювання аналогової чорної діри нагадує випромінювання Гокінга. Втім, у цій роботі Штейнхауер розглядав тільки пари фононів з порівняно високою енергією, тоді як спектр залишався незмірним. Крім того, фізик не оцінював температуру Гокінга для побудованого аналога чорної діри.
Тепер група дослідників під керівництвом Джеффа Штейнхауера повернулася до цього експерименту, більш акуратно проміряла кореляції між фононами, виміряла спектр випромінювання Хокінга і підтвердила, що він добре узгоджується з теоретичними передбаченнями. На практиці вчені вимірювали кореляційну функцію щільностей атомного газу в різних точках, а потім перераховували її в кореляційну функцію між модами Хокінга і модами-компаньйонами (Hawking and partner modes). Грубо кажучи, мода коливань - це функція, яка відповідає певній хвилі. Потім вчені робили перетворення Боголюбова, яке пов'язує оператори народження-знищення цих мод з операторами народження-знищення мод, що приходять з минулого, і помічали, що квадрат модуля кореляційної функції виражається через розподіл Планка з температурою Хокінга. Отже, по квадрату модуля кореляційної функції, виміряному в експерименті, можна судити про те, наскільки добре випромінювання Гокінга описується розподілом Планка. Більш того, з цього квадрата можна було витягти температуру чорної діри.
Для підвищення точності вчені повторювали експеримент 7400 разів. З одного боку, в кожному експерименті фізики вимірювали просторовий розподіл щільності газу і швидкості звуку, розраховували температуру Гокінга за відомими формулами і усереднювали результат. Знайдена таким чином температура становила приблизно 0,351 ^ 0,004 нанокельвін. З іншого боку, для кожного експерименту дослідники розраховували кореляційну функцію щільностей, робили її перетворення Фур'є, порівнювали його з розподілом Планка, витягували температуру Хокінга і знову усереднювали. Ця температура становила приблизно 0,348 0,017 нанокельвін. Іншими словами, обидва результати збігалися в межах похибки експерименту. Тому фізики вважають, що цей експеримент не тільки якісно, а й кількісно підтверджує теплову природу випромінювання Хокінга «глухої» діри.
Взагалі кажучи, бозе-конденсат - не єдина система, в якій фізики спостерігали аналоги випромінювання Гокінга. Наприклад, у січні цього року група дослідників під керівництвом Джонатана Дрорі (Jonathan Drori) за допомогою ефекту Керра вперше отримала оптичний аналог випромінювання Хокінга. А ще двома роками раніше інша група вчених запропонувала альтернативний експеримент зі створення аналогової чорної діри за допомогою потужних лазерів і плазми. Щоправда, до експериментальної перевірки вчені досі не дісталися.
На жаль, фізики досі не можуть пояснити, що відбувається всередині чорної діри. Зокрема, вчені погано розуміють, за рахунок яких ефектів випромінювання Хокінга набуває тепловий спектр, чому ентропія чорної діри пропорційна її площі, куди пропадає інформація, що впала в дірі. Про останню загадку, яку прийнято називати інформаційним парадоксом, можна прочитати в матеріалах «Ніякого парадоксу немає» і «Підемо за напрямом світлової нескінченності». У ході безуспішних спроб «хоч одним очком заглянути під горизонт подій» вчені розробили безліч теоретичних методів, які, втім, швидше створювали нові питання, ніж відповідали на старі. Останнім часом серед цих методів особливо висунувся сюжет про квантовий хаос (передбачається, що чорні діри сильніші за всіх у природі «перемішують» інформацію) і AdS/CFT відповідність, приватним випадком якої є відповідність між почесною дилатонною гравітацією в акціонерному просторі анти-де Сіттера і SYK-моделлю. Ми коротко згадували цей сюжет у новинах «Квантовий хаос заборонив квантовій системі досягти нульової температури» і «Квантова телепортація зімітувала отримання інформації з чорної діри». Можливо, колись експерименти з аналогами чорних дір теж зможуть відчути ефекти, пов'язані з квантовим хаосом.