Чёрные дыры из света и вихрей экспресс
Чёрные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть их окрестности. Но изучать их напрямую очень трудно: ближайшая чёрная дыра находится за тысячи световых лет, а слияния двух чёрных дыр длятся миллионы лет. Поэтому физики ищут способы воспроизвести поведение чёрных дыр в лаборатории — с помощью так называемых аналоговых систем.
Один из самых удачных аналогов — поляритонный конденсат. Это особое состояние вещества, которое возникает при очень низких температурах, когда частицы света (фотоны) и частицы вещества (экситоны) объединяются в новые частицы — поляритоны. Поляритонный конденсат ведёт себя как сверхтекучая жидкость: он может течь без трения. А если в нём закрутить вихрь, то вокруг вихря возникает течение, которое затягивает всё внутрь, как вода в слив ванны. И точно так же, как из чёрной дыры, из такого вихря не может вырваться наружу ничего — даже свет. Поэтому вихрь в поляритонном конденсате называют аналоговой чёрной дырой.
Авторы новой работы задались вопросом: могут ли два или несколько таких вихрей слиться в один, как настоящие чёрные дыры при столкновении? Оказалось, что два вихря не могут образовать общий горизонт — они всегда остаются разделёнными. А вот четыре и более вихрей могут полностью слиться, и тогда возникает общий горизонт, радиус которого определяется простым геометрическим законом: он равен среднему геометрическому радиусов исходных вихрей. Это значит, что, наблюдая за вихрями в лаборатории, можно изучать, как сливаются чёрные дыры в космосе — но в ускоренном темпе и под полным контролем.
Такие эксперименты помогают лучше понять не только чёрные дыры, но и саму природу пространства и времени. Ведь если аналоговая система ведёт себя так же, как настоящая чёрная дыра, значит, некоторые свойства чёрных дыр могут быть универсальными и не зависеть от конкретной физической реализации. И тогда, возможно, ключ к разгадке тайн гравитации лежит не в далёком космосе, а в холодной лабораторной установке с лазерами и зеркалами.
Поляритонный конденсат существует при температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (−273 °C). При такой температуре атомы почти перестают двигаться, и квантовые эффекты становятся видны невооружённым глазом.
Идея аналоговых чёрных дыр напоминает сюжет фильма «Интерстеллар», где герои используют чёрную дыру для путешествий во времени, но в реальности такие эксперименты помогают проверить теории, не покидая Землю.