Некоторые чёрные дыры — подделка? Физики создали жидкий свет, чтобы поймать самозванцев

Чёрные дыры — это, пожалуй, самые загадочные и устрашающие объекты во Вселенной. Гравитационные монстры, чьё притяжение не может покинуть даже свет. Изучать их напрямую — задача из разряда невыполнимых. Мы не можем отправить к ним зонд и уж тем более заглянуть за горизонт событий, роковую черту невозврата. Что же остаётся физикам? Как ни странно, создавать их миниатюрные, управляемые версии прямо здесь, на Земле.

Недавно группа учёных из парижской Лаборатории Кастлера-Бросселя совершила впечатляющий прорыв в этой области. Они не просто построили очередную модель, а создали её из самого неожиданного материала — света. Превратив его в подобие жидкости, они научились лепить из него аналоги пространственно-временных искажений, которые так напоминают окрестности настоящей чёрной дыры. Звучит как научная фантастика, но это передний край современной экспериментальной физики.

Рецепт карманной вселенной: флюид из света

Как вообще можно превратить свет в жидкость? В нашем привычном мире свет — это поток частиц-фотонов, которые летят себе и летят, почти не взаимодействуя друг с другом. Но в квантовом мире правила меняются.

Представьте себе крошечную ловушку для света — резонатор, созданный из двух идеально гладких полупроводниковых зеркал. Когда свет попадает внутрь, он начинает метаться между ними. Но это не просто пустое пространство. Внутри полупроводника находятся электрические заряды. Свет, взаимодействуя с ними, превращается в нечто новое — в квазичастицы, называемые поляритонами. Это странный гибрид света и материи.

Если запереть в такой ловушке очень много этих поляритонов, они начинают вести себя не как толпа одиночек, а как единое целое. Они «конденсируются» в экзотическое состояние, известное как квантовый флюид — жидкость, чьё поведение подчиняется законам квантовой механики. И вот тут начинается самое интересное. Этой световой жидкостью можно управлять с поразительной точностью при помощи лазеров, меняя её плотность и скорость течения.

Не просто чёрная дыра, а с «настройками»

Предыдущие попытки создать аналоги чёрных дыр в лаборатории опирались на сверххолодные атомы. Это тоже был прорыв, но у световой модели есть одно ключевое преимущество — феноменальный контроль.

Французские исследователи могут не просто создать структуру, похожую на горизонт событий. Они могут «настраивать» её. Что это значит? Представьте горизонт событий как водопад. У настоящей чёрной дыры это отвесная, вертикальная стена воды, с которой нет возврата. А что, если водопад будет не таким крутым, а превратится в очень бурные, но всё же проходимые пороги? Учёные могут смоделировать и такой сценарий, создавая менее «резкие» границы.

Эта возможность «регулировать крутизну» открывает совершенно новые горизонты для исследований. Ведь это позволяет задавать природе вопросы, на которые раньше не было ответа.

Космические загадки на лабораторном столе

Зачем вся эта виртуозная работа? Создание аналога — не самоцель. Это инструмент для проверки самых смелых теорий о Вселенной.

1. Как «испаряются» чёрные дыры? Вопреки своему названию, чёрные дыры не совсем чёрные. Великий Стивен Хокинг предсказал, что из-за квантовых эффектов у самого горизонта событий они должны медленно «испаряться», испуская слабое излучение. Этот процесс невероятно медленный и зафиксировать его у настоящих космических объектов пока невозможно. Лабораторная модель позволяет проверить фундаментальные аспекты этой теории. Например, меняется ли интенсивность этого «излучения Хокинга», если сделать горизонт событий менее резким? Ответ может скорректировать наше понимание взаимодействия гравитации и квантовой механики.

2. А что, если это самозванец? Первое в истории изображение тени чёрной дыры, полученное Телескопом Горизонта Событий, облетело весь мир. Мы увидели тёмный провал в центре галактики M87. Но, как подмечают сами исследователи, «выглядеть как чёрная дыра — ещё не значит ею быть». Существуют теоретические модели объектов, которые могут быть невероятно плотными, изгибать свет почти так же, но… не иметь горизонта событий. Это так называемые «самозванцы» чёрных дыр. Отличить их по изображению практически невозможно. А вот лабораторная симуляция, где можно тонко настроить свойства объекта, может подсказать, какие уникальные сигналы (например, в вибрациях пространства-времени) могли бы выдать такого «актёра».

3. «Звон» гравитационных колоколовКогда две чёрные дыры сливаются, они сотрясают саму ткань пространства-времени, испуская гравитационные волны. Сразу после слияния новорождённая чёрная дыра некоторое время «вибрирует» или «звенит», как колокол, в который ударили. Изучение этого «звона» может рассказать о свойствах финального объекта. Смоделировать этот процесс в световом флюиде — ещё одна захватывающая перспектива, которая может обогатить данные, получаемые гравитационными обсерваториями.

Зеркало для Вселенной, а не её копия

Важно понимать, о чём постоянно напоминают сами авторы работы: их флюид из света — это не настоящая чёрная дыра. Это аналогия, математическое зеркало. Законы, описывающие течение этой квантовой жидкости, математически схожи с уравнениями, описывающими поведение пространства-времени возле чёрной дыры.

И в этом вся суть. У нас нет возможности экспериментировать с реальной гравитацией такой силы. Но мы можем создать систему, которая подчиняется похожим правилам, и «играть» с ней, проверяя наши теории на прочность. Это мощнейший инструмент для оттачивания нашего понимания фундаментальных законов природы. Каждый такой эксперимент — это маленький, но уверенный шаг к решению главной загадки современной физики: как объединить мир гигантов — общую теорию относительности — и мир атомов — квантовую механику — в единую и стройную картину мира. И, похоже, свет, запертый в кристалле, поможет нам пролить свет и на эту тайну.