Как превратить обычные атомы в черную дыру? Физики доказали: их нужно просто правильно потрясти

Физики нашли способ «раскачать» атомы лазером так, что они начали вести себя как миниатюрная черная дыра. Звучит как фантастика, но это реальный эксперимент, описанный в новой научной работе. И это меняет правила игры сразу в нескольких областях — от материаловедения до теории гравитации.

Суть открытия проста: международная команда ученых из Испании, Франции и Бельгии взяла обычный газ ультрахолодных атомов, поместила его в лазерную решетку и начала эту решетку ритмично «трясти» с огромной частотой. В результате газ превратился в аналог знаменитой теоретической модели SYK (Сачдева — Йе — Китаева), которая описывает системы в состоянии предельного квантового хаоса. Раньше такую модель можно было только рассчитать на бумаге — воспроизвести её в лаборатории считалось почти невозможным.

Сломанная геометрия: как заставить атомы забыть про соседей

В обычном веществе все предсказуемо: атомы взаимодействуют с ближайшими соседями, информация распространяется с ограниченной скоростью. В модели SYK действуют другие законы. Там каждая частица взаимодействует сразу со всеми остальными, независимо от расстояния. И частицы не могут двигаться поодиночке — только группами по четыре штуки одновременно. Такое поведение — ключ к пониманию квантового хаоса и, как считают физики, к природе черных дыр.

Как же заставить атомы подчиниться этим странным правилам? Ученые применили трюк под названием кинетическое раскачивание. Они начали с очень высокой частотой менять параметры лазерной решетки, в которой заперты атомы. Эффект оказался неочевидным. Когда частота «тряски» превысила определенный порог, обычные одиночные перескоки атомов из ячейки в ячейку полностью заблокировались. Система «забыла» про локальность. Атомы потеряли возможность двигаться поодиночке, но получили возможность перемещаться группами — как раз по четыре частицы. И эти групповые взаимодействия начали действовать не только между соседями, а по всей решетке сразу.

Три теста на хаос: как проверяли, что это не случайность

Просто заявить, что получилась модель SYK — недостаточно. Нужно было доказать это строгими цифрами. Авторы провели три математические проверки на суперкомпьютерах.

Первый тест — на статистику энергетических уровней. В упорядоченных системах уровни энергии распределены случайно. В хаотических — они «отталкиваются» друг от друга, подчиняясь законам теории случайных матриц. Расчет показал: как только интенсивность раскачки превышает порог, спектр энергий раскачанной решетки становится идеально хаотичным. Тест пройден.

Второй тест — спектральный форм-фактор (SFF). Это график, показывающий, как хаос развивается во времени. Для черных дыр и хаотических систем кривая SFF имеет уникальную форму: сначала резкий спад, потом длинный линейный подъем («рампа»), а затем выход на плато. Обычная решетка такой кривой не дает. Раскачанная — дала идеальное совпадение.

Третий тест — самый важный. Он касается того, как в системе перемешивается квантовая информация. Физики рассчитали специальный коррелятор (OTOC), который показывает скорость распространения сигнала. В обычной системе есть «световой конус»: сигнал от одной точки доходит до другой с задержкой. В раскачанной решетке пространственная локальность исчезла полностью. Сигнал начал распространяться мгновенно во все точки одновременно — так же, как это происходит в черной дыре.

Недавно я заметил, что многие новости из мира фундаментальной физики кажутся оторванными от реальности. Но эта работа — редкий случай, когда абстрактная теория превращается в рабочий лабораторный протокол.

Как сделать симуляцию идеальной: один маленький дефект

Была одна проблема. В идеальной модели SYK все связи между частицами абсолютно случайны и подчиняются гауссовскому распределению. В раскачанной решетке из-за строгой периодичности лазерных ячеек часть связей выпадала — система получалась «разреженной».

Решение оказалось элегантно простым. Достаточно внести в решетку одно случайное изменение — например, слегка изменить глубину всего одной лазерной ячейки, создав точечный дефект. Это полностью разрушает регулярную симметрию, и распределение связей становится практически идеально гауссовским. Один крошечный дефект — и система превращается в почти точную копию теории.

Что это дает на практике

Главный результат работы — это не новый материал и не новая частица. Это метод. Раньше для изучения квантового хаоса, свойств «странных металлов» или голографической природы черных дыр нужны были либо космические телескопы, либо установки на грани технологических возможностей.

Теперь все иначе. Установки для работы с ультрахолодными атомами уже есть в десятках лабораторий по всему миру. Все, что нужно — добавить к ним модуль высокочастотной модуляции лазеров. Это открывает дорогу к прямым экспериментам по исследованию фундаментальных вопросов:

• Как именно квантовая информация «скрамблируется» (перемешивается) в изолированных системах?
• Как возникает и распространяется квантовая запутанность?
• Как ведет себя материя, когда привычные одиночные возбуждения (квазичастицы) перестают существовать?

Мы привыкли, что для изучения экстремальных состояний материи нужны огромные коллайдеры или сложнейшие микроструктуры. Оказывается, иногда достаточно просто правильно «потрясти» то, что уже есть под рукой. Фундаментальные законы квантового хаоса можно изучать на настольных экспериментах — просто меняя режим их работы во времени. Это не удешевляет науку. Это делает её гораздо быстрее.