Впервые доказано существование излучения Хокинга

Физики из Мексики и Израиля впервые продемонстрировали существование излучения Хокинга с помощью сверхкоротких лазерных импульсов и фотонного кристаллического волокна. Они создали аналог горизонта событий черной дыры и выявили порождаемый им поток частиц.

Статья исследователей опубликована в журнале Physical Review Letters.

Излучение Хокинга представляет собой поток частиц, порождаемый вблизи горизонта событий черной дыры. Приливные силы, порождаемые гравитационным полем, способствуют превращению квантовых флуктуаций (виртуальных частиц) в пары частица-античастица. Одна из этих частиц, обладающая с точки зрения внешнего наблюдателя «отрицательной энергией», падает за горизонт событий, благодаря чему другая частица оказывается способной покинуть гравитационное поле. Закон сохранения энергии требует, чтобы при этом масса черной дыры уменьшилась, то есть происходит ее испарение.

На настоящий момент невозможно подтвердить существование излучения Хокинга с помощью реальной черной дыры, однако физики пытаются построить физические системы, которые по некоторым свойствам были бы аналогичны горизонту событий. Процесс, напоминающий излучение Хокинга, пытались получить с использованием конденсата Бозе — Эйнштейна, сверхзвуковых потоков жидкости, поверхностных волн или диэлектрических сред. Однако результаты этих экспериментов до сих пор оказывались неудовлетворительными. Например, в работе по моделированию излучения Хокинга с помощью ультракоротких лазерных импульсов, опубликованной в 2010 году, ученым так и не удалось создать аналог горизонта событий.

В новом исследовании исследователям удалось создать аналог излучения Хокинга с помощью ультракоротких лазерных импульсов, перемещающихся в фотонном кристаллическом волокне. Такие импульсы создают движущиеся вместе с ними колебания показателя преломления в веществе из-за эффекта Керра. В экспериментальной установке импульс продолжительностью восемь фемтосекунд в небольшой области кристалла увеличивал показатель преломления, снижая свою собственную скорость и скорость другого светового импульса, для которого, таким образом, создается кажущийся горизонт событий.

Пучок света, который имитировал квантовые флуктуации у горизонта событий, состоял из пар фотонов инфракрасной и ультрафиолетовой области спектра. Скорость инфракрасных фотонов была выше, чем скорость увеличивающего показатель преломления импульса. В итоге из-за эффекта Доплера они испытывали синее смещение, а ультрафиолетовые фотоны, двигающиеся медленнее, подвергались красному смещению. Результаты эксперимента показали, что при наличии пучка света с длиной волны 1450 нанометров в системе регистрируется избыток ультрафиолетовых фотонов (длина волны 231 нанометр), что, согласно теоретическому предсказанию, соответствует «отрицательному» компоненту излучения Хокинга.