Физики создали квантовую жидкость для моделирования излучения Хокинга

Схема экспериментальной установки: лазерный луч со структурированным волновым фронтом (оранжевый) накачивает микрополость, создавая профиль скорости «водопада» (зелёный), где скорость переходит от дозвуковой к сверхзвуковой, а выходящий свет формирует изображение плотности жидкости. Источник: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/t5dh-rx6w

Квантовая теория поля (КТП) — это физическая модель, описывающая поведение частиц и сил на основе принципов квантовой механики и специальной теории относительности Эйнштейна. Среди её предсказаний — такие эффекты в искривлённом пространстве-времени, как излучение Хокинга.

Излучение Хокинга — это тепловое излучение, которое, согласно теории, испускается чёрными дырами вблизи горизонта событий (границы, за которой гравитация становится настолько сильной, что ничто не может её преодолеть). Поскольку проверить существование этого излучения и другие предсказания КТП в космосе пока невозможно, физики ищут способы моделировать искривлённое пространство-время в лабораторных условиях.

Исследователи из Университета Сорбонны недавно предложили новую экспериментальную платформу для симуляции КТП. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, описывает квантовую жидкость из поляритонов — квазичастиц, возникающих при сильном взаимодействии фотонов (частиц света) и экситонов (связанных пар электронов и дырок в полупроводниках).

«Наша работа — часть диссертации Кевина Фалька и усилий нашей группы по проверке предсказаний КТП в лаборатории», — пояснил соавтор исследования Максим Жаке. «Когда мы начали проект, существовал лишь один эксперимент (другой группы), где поляритонные жидкости света создавали геометрию невращающихся чёрных дыр, но моделирование показывало, что эффект Хокинга в нём будет слабым».

После численного моделирования команда определила условия, лучше подходящие для наблюдения эффекта Хокинга. Фальк, бывший аспирант Сорбонны, реализовал эти условия в лаборатории.

«Мы не только создали горизонт событий с помощью поляритонной жидкости, но и измерили спектр возбуждений внутри и снаружи него», — отметил Фальк. «Мы показали, что дисперсия и эффект Доплера совместно создают волны с отрицательной энергией внутри горизонта — ключевой ингредиент для эффекта Хокинга».

Ключевые данные исследования: (a) фаза жидкости, (b) её скорость (сплошная линия) для трёх конфигураций и скорость звука, (c-f) спектр квантового поля в разных областях. Пересечение нулевой частоты указывает на формирование горизонта. Источник: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/t5dh-rx6w

Учёные смогли точно управлять жидкостью, создавая разные геометрии горизонта — это прорыв, позволяющий тестировать предсказания КТП в новых условиях.

«Мы генерируем, манипулируем и измеряем фотоны: они накачивают полость, создавая жидкость, которая затем распадается на фотоны для измерений», — объяснил руководитель группы Альберто Брамати. «Такая оптическая схема очень гибкая».

Исследование открывает путь к лабораторному изучению чёрных дыр. В будущем эта система может помочь воссоздать излучение Хокинга и исследовать связанные с ним квантовые эффекты.

«Во-первых, создание горизонта — уже достижение. Во-вторых, тонкая настройка его геометрии — это новшество для экспериментаторов и теоретиков. В-третьих, высокая точность измерений спектра обещает прогресс в изучении частотных вариаций эффекта Хокинга», — добавил Жаке.

Следующие шаги команды — изучение квантовой запутанности в эффекте Хокинга и эксперименты с вращающимися чёрными дырами.

Подробнее: Kévin Falque et al, Polariton Fluids as Quantum Field Theory Simulators on Tailored Curved Spacetimes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/t5dh-rx6w. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2311.01392