През 1974 г. Стивън Хокинг теоретизира, че най-тъмните гравитационни гиганти във Вселената, черните дупки спонтанно излъчват светлина - феномен, наречен сега радиация на Хокинг.

Проблемът е, че никой астроном никога не е наблюдавал мистериозната радиация на Хокинг и тъй като се прогнозира, че е много слаба, може никой никога да не я види. Ето защо учените днес създават свои собствени черни дупки.

Изследователите от Технион - Израелския технологичен институт направили точно това. Те създават аналог на черна дупка от няколко хиляди атома. Те се опитват да потвърдят две от най-важните прогнози на Хокинг - че радиацията на Хокинг възниква от нищото и че тя не се променя с течение на времето.

"Черната дупка трябва да излъчва като черно тяло, което по същество е топъл обект, който излъчва постоянно инфрачервено лъчение", казва съавторът на изследването Джеф Щайнхауер, доцент по физика в Технион, в изявление. "Хокинг предполага, че черните дупки са точно като обикновените звезди, които излъчват постоянно определен тип радиация, постоянно. Това искахме да потвърдим в нашето проучване и го направихме."

Хоризонт на събитията

Гравитацията на черна дупка е толкова мощна, че дори светлината не може да избяга от нея, след като фотон или лека частица премине отвъд точката, наречена хоризонт на събитията. За да избяга от тази граница, частицата ще трябва да наруши законите на физиката и да пътува по-бързо от светлината.

Хокинг показа, че въпреки че нищо, което пресича хоризонта на събитията, не може да избяга, черните дупки все още могат спонтанно да излъчват светлина, благодарение на квантовата механика и нещо, наречено „виртуални частици“.

Както се обяснява от принципа на несигурността на Хайзенберг, дори пълният вакуум на космоса гъмжи от двойки „виртуални“ частици, които се появяват и спират да съществуват. Тези мимолетни частици с противоположни енергии обикновено се унищожават почти веднага. Но поради екстремното гравитационно привличане в хоризонта на събитията, Хокинг предполага, че двойки фотони биват разделени, като едната частица се абсорбира от черната дупка, а другата бяга в космоса. Погълнатият фотон има отрицателна енергия и изважда енергията под формата на маса от черната дупка, докато избягалият фотон се превръща в радиация на Хокинг. Така при достатъчно време (много по-дълго от възрастта на Вселената), черна дупка може напълно да се изпари.

„Теорията на Хокинг е революционна, защото той съчетава физиката на квантовата теория на полето с общата теория на относителността“, теорията на Айнщайн, която описва как материята се изкривява в пространство-времето, казва Щайнхауер пред Live Science. "Тя продължава да помага на хората да търсят нови закони на физиката, като изучават комбинацията от тези две теории във физически пример. Хората биха искали да проверят това квантово лъчение, но е много трудно с истинска черна дупка, тъй като радиацията на Хокинг е толкова слаба в сравнение към фоновото излъчване на космоса. "

Този проблем вдъхнови Щайнхауер и колегите му да създадат своя собствена черна дупка - по-безопасна и много по-малка от реално съществуващите.

Направи си сам черна дупка

Отгледаната в лаборатория черна дупка на изследователите е направена от течащ газ с приблизително 8000 атома рубидий, охладен до почти абсолютна нула и задържан на място от лазерен лъч. Те създават мистериозно състояние на материята, известно като кондензат на Бозе-Айнщайн (BEC), което позволява на хиляди атоми да действат заедно в унисон, сякаш са един атом.

Използвайки втори лазерен лъч, екипът създава "скала" от потенциална енергия, която кара газа да тече като водата във водопад, като по този начин създава хоризонт на събитията, където едната половина от газа тече по-бързо от скоростта на звука, а другата е наполовина по-бавна. В този експеримент екипът търси двойки фонони или квантови звукови вълни, вместо двойки фотони, спонтанно образуващи се в газа.

Фононът на по-бавната половина може да пътува срещу потока газ, отдалечавайки се от скалата, докато фононът на по-бързата половина е задържан от скоростта на свръхзвуковия течащ газ, обяснява Щайнхауер. "Това е като да се опитваш да плуваш срещу течение, което е по-бързо, отколкото можеш да плуваш. Точно, както да си в черна дупка - щом влезеш вътре, е невъзможно да достигнеш хоризонта."

След като открили тези двойки фонони, изследователите трябвало да потвърдят дали те са свързани и дали радиацията на Хокинг остава постоянна във времето (дали е стационарна). Този процес бил труден, защото всеки път, когато правели снимка на своята черна дупка, тя се разрушавала от топлината, създадена в процеса. Така екипът повторил експеримента си 97 000 пъти, което отнело повече от 124 дни непрекъснати измервания, за да намери корелациите. В крайна сметка търпението им се изплатило.

"Показахме, че радиацията на Хокинг е стационарна, което означава, че не се променя с времето, което е точно това, което Хокинг прогнозира", каза Щайнхауер.

Изследователите подробно разкриват своите открития в Nature Physics.