Физики воспроизвели в лаборатории необычное поведение волн возле горизонта событий чёрной дыры. Для эксперимента понадобились лишь облако сверхохлаждённых атомов лития и два зеркала из лазерного света. Учёные впервые подтвердили предсказание о том, как движущиеся зеркала заставляют волны собираться в плотные сгустки, и получили способ изучать некоторые свойства чёрных дыр без огромной гравитации и космических расстояний.
Самое интересное произошло, когда исследователи заставили одно из световых зеркал колебаться примерно сто раз в секунду. Атомы, первоначально распределённые по всему пространству между зеркалами, начали собираться в компактное облако и двигаться по одной устойчивой траектории. Независимо от исходного положения частицы постепенно сходились к одному пути, словно невидимая граница направляла их движение. Именно такое поведение предсказывали математические модели пространства-времени возле чёрных дыр. Результаты физики опубликовали в Physical Review Letters.
Чтобы понять необычность эксперимента, достаточно вспомнить, что происходит возле чёрной дыры. Её гравитация настолько сильна, что за определённой границей даже свет не может выбраться наружу. Физики называют невидимую границу горизонтом событий. Существует и гипотетическая противоположность чёрной дыры, белая дыра, из которой материя и свет могут выходить наружу, но попасть внутрь не способны. Оба случая описывают движение в определённом направлении, и похожие закономерности учёные давно пытались воспроизвести в обычной лаборатории.
Теоретически для эксперимента достаточно двух зеркал, между которыми многократно отражается свет. Если одно зеркало начнёт двигаться в нужном ритме, световые волны должны постепенно собраться в короткий мощный импульс. Проблема в скорости: обычное зеркало пришлось бы разгонять до значительной доли скорости света за миллиардные доли секунды. Современное оборудование не способно перемещать массивные отражающие поверхности настолько быстро.
Исследователи нашли неожиданное решение и поменяли свет с материей местами. Вместо световых волн использовали атомы лития, охлаждённые почти до абсолютного нуля. При столь низкой температуре атомы проявляют квантовые свойства, позволяющие описывать их движение как распространение волн. Специальная решётка из лазерного света заставила атомные волны двигаться почти с постоянной скоростью, как свет, но гораздо медленнее, менее 1 м/с.
Затем физики поместили атомы между двумя тонкими световыми преградами. Лазеры удерживали частицы внутри, играя роль зеркал, а одну преграду можно было перемещать вперёд и назад. Когда частота колебаний приблизилась к 95 Гц, облако стало быстро уплотняться. Уже через несколько циклов атомы сосредоточились вдоль устойчивой траектории, которую предсказывали расчёты. При неподвижных зеркалах ничего похожего не происходило.
Учёные решили проверить, насколько сильно можно управлять движением атомов. Когда частоту колебаний удвоили, вместо одного сгустка появились два, причём каждый двигался по собственному пути. Затем исследователи резко изменили ритм движения световой преграды, сдвинув фазу колебаний. Атомное облако сменило направление и начало возвращаться к прежней траектории. Так физики смогли управлять движением, которое математически воспроизводит некоторые особенности горизонтов чёрных и белых дыр.
Впрочем, настоящую чёрную дыру учёные не создавали. Лабораторная установка не искривляла пространство-время гравитацией, а атомы не попадали в область, из которой физически невозможно выбраться. Эксперимент подтвердил определённые закономерности движения волн, описываемые теми же уравнениями, что применяются при изучении горизонтов событий. Исследователи также заметили небольшие отклонения от идеальной модели: скорость атомных волн всё же менялась при взаимодействии с движущейся преградой.
Открытие может пригодиться и за пределами фундаментальной физики. Авторы работы предполагают, что управление движением волн позволит сжимать оптические сигналы в короткие импульсы, а затем восстанавливать их первоначальную форму. В будущем движущиеся зеркала смогут заменить материалы, чьи оптические свойства меняются под действием электрического поля.
Есть и более необычная перспектива. Физики хотят исследовать, как быстрое движение зеркал может заставлять квантовый вакуум порождать пары фотонов. Теория допускает появление света даже там, где первоначально не было настоящих световых частиц, если достаточно быстро менять условия для электромагнитного поля. Пока исследователи не наблюдали подобного эффекта в новой установке, но теперь у них появился экспериментальный способ приблизиться к проверке предсказаний, которые прежде оставались практически недоступными.