Garsas narvelyje: kaip fizikai kuria dirbtines juodąsias bedugnes ir ką su jomis daro

Jeff Steinhauer iš Izraelio technologijų instituto savo akustinę JB tobulino septynetą metų. Jis ją sukūrė iš atšaldytų praktiškai iki absoliutaus nulio (kelių nanokelvinų) rubidžio atomų – tokioje temperatūroje atomai pereina į žemiausią energijos lygį, praranda individualias savybes ir tampa Bose–Einšteino kondensatu. Lazeriu atomams suteikęs viršgarsinį greitį, Steinhaueris sukūrė įvykių horizontą turintį objektą – akustinį juodosios bedugnės analogą: iš šio horizonto vidaus garsas negali sklisti už jo ribų. Fizikas išsiaiškino, kad šalia tokios „juodosios bedugnės“ spontaniškai randantis fononų poroms, vienas fononas galėdavo pakliūti į JB, o antrasis – lėkti nuo jos. Toks fononų elgesys primena šviesos dalelių, fotonų, elgesį prie JB įvykių horizonto, vadinamąjį Hawkingo spinduliavimą. Be to, Steinhaueris stebėjo aukštos energijos dalelių tarpusavio susietumą – savybę, patvirtinančią kvantinę Hawkingo spinduliavimo prigimtį.

Daugelis medijų Steinhauerio bandymus vadina kol kas tvirčiausiu teoriškai numatyto Hawkingo spinduliavimo praktinio egzistavimo patvirtinimu. Tačiau kadangi tarp mažos energijos dalelių nebuvo susietumo, kai kurie mokslininkai eksperimentą vertina skeptiškai: kaip Nature pareiškė Weizmanno instituto Izraelyje fizikas, eksperimentatorius galėjo užfiksuoti kito tipo fluktuacijas, kurių savybės panašios į Hawkingo spinduliavimą.

Ar galima Steinhauerio bandymų rezultatus laikyti JB spinduliavimo įrodymu, kodėl fizikai šio įrodymo ieško ir kokia atlikto eksperimento svarba, Slon Magazine korespondentui papasakojo astrofizikas, P. K. Šternbergo vardo Valstybinio astronomijos instituto (MVU) vyr. mokslinis darbuotojas Sergejus Popovas.

– Kokie sunkumai kyla, tyrinėjant juodąsias bedugnes, kuo akustinė juodoji bedugnė skiriasi nuo tikros?

– Juodosios bedugnės, be abejo, labai įdomūs ir paslaptingi objektai, su jais susiję nemažai svarbių klausimų. Vienas iš jų – Hawkingo spinduliavimas. Hawkingo modelis numato, kad JB gali kurti daleles ir taip eikvoti savo energiją. Dalelės skrieja nuo JB, dalis energijos paverčiama spinduliavimu, kurį galime tikėtis užfiksuoti. Paskutinysis JB garavimo momentas – sprogimas, turėtų gan ryškiai blykstelėti įvairiuose elektromagnetinio spektro diapazonuose. Tai svarbus reiškinys ir tirti jį įdomu, tik neaišku kaip, – JB savo dispozicijoje neturime.

Garsus fizikas William G.Unruh pasiūlė sukurti JB analogus, naudojant įvairiausias sistemas; dauguma šių sistemų kuriama taip: sudaroma kažkokia aplinka, – tai gali būti skystas helis, labai šalti atomai, – kuriame sklinda garso bangos ir, pavyzdžiui, egzistuoja riba tarp viršgarsino ir ikigarsinio srauto. Tarp šių srautų, galima sakyti, atsiranda siena, ir garso bangos jos negali kirsti, sulaikomos. Tai šiek tiek primena, kaip kosminės JB įvykių horizontas išlaiko fotonus.

Tokias sistemas modeliuoti įvairių šakų fizikai mėgina jau senokai ir neretai gauna įdomių rezultatų. O toliau posūkis iš optimizmo realybės kryptimi: kaip bebūtų, šie analogai pagrįsti visiškai kita fizika. Tikra JB – erdvėlaikio iškreipimas, ten vyksta savi, mums kol kas nesuprantami procesai ir efektai. Kai modeliuojame tai kitose situacijose, kur veikia termodinamikos ar netrūkių kūnų fizika (continuum physics), tai atliekame visai kitaip. Negalime tyrinėti gravitacijos, nenaudodami gravitacinių objektų. Įsivaizduokite: norite suprasti, įtariamasis nužudė auką ar ne. Jūs tiksliai atkuriate aplinką su kitais žmonėmis, ir žmogus, atliekantis įtariamojo vaidmenį, įvykdo žmogžudystę (arba neįvykdo). Tai būtų netikęs argumentas teisme, nors situaciją atkūrėme tiksliai. Lygiai tas galioja ir fizikai.

– Kokią reikšmę turi Izraelyje atliktas bandymas?

– Visi šie eksperimentai labai įdomūs, ir gali būti labai svarbūs toms sritims, kuriose atliekami, tačiau jų svarba juodųjų bedugnių fizikai labai netiesioginė.

– Ar iš viso įmanoma laboratorijos sąlygomis sumodeliuoti situaciją, kurią būtų galima pritaikyti JB fizikai?

– Neįsivaizduoju bandymo, galinčio suteikti tokią galimybę. Tačiau antra vertus, negalima atmesti galimybės, kad koks nors eksperimentas, – laboratorinis, greitintuve ir panašiai – suteiks esminių žinių apie gravitacijos fiziką. Štai, devintokui suprantamas pavyzdys. Yra visuotinės traukos dėsnis: jėga atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui. Žmonės kruopščiai tikrina tai, stato eksperimentinius įrenginius, tikrinančius visuotinės traukos dėsnį – banalybę, kurią visi mokėsi 9 klasėje, – vis smulkesniu ir smulkesniu masteliu: dabar tikrinama mažesniu nei 1 mm atstumu, tikintis (ši viltis paremta teoriniais tyrinėjimais) rasti nukrypimą. Tai bylotų apie papildomo matmens egzistavimą tokiu masteliu. Jei persikėlus į mikronų mastelį, bus aptikti nukrypimai nuo visuotinės traukos dėsnio, tai bus tiesioginė ir itin tvirta naujos gravitacijos fizikos nuoroda.