В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что чёрные дыры не совсем чёрные. Из-за квантовых эффектов у горизонта событий они должны испускать частицы — это явление назвали излучением Хокинга. Но обнаружить его напрямую в космосе пока невозможно: слишком слабый сигнал теряется на фоне реликтового излучения. Почти тридцать лет спустя физики решили проверить теорию не в космосе, а в бассейне — и, похоже, нашли то, что искали.

Гидродинамическая чёрная дыра

Идея проста, хотя реализация потребовала хирургической точности. Вода, текущая с разной скоростью, может вести себя как искривлённое пространство-время. Если разогнать поток так, что его скорость превысит скорость волн на поверхности, возникнет аналог горизонта событий: волны перестанут распространяться против течения и окажутся в ловушке. Именно такую установку построили профессор Ульф Леонардт из университета Сент-Эндрю и доктор Жермен Руссо из университета Ниццы.

В гидродинамической лаборатории они соорудили искусственный канал. На одном конце мощный насос создавал давление, гнавшее воду к противоположному концу, где стоял генератор волн. Волны пускали против течения. Там, где скорость потока сравнивалась со скоростью волн, возникала граница — аналог горизонта событий чёрной дыры. Дальше волны пройти не могли. Вся установка имитировала ключевую черту реальной чёрной дыры: односторонний барьер, из-под которого ничто не возвращается.

Но самое интересное происходило как раз на этой границе. Согласно квантовой теории, вакуум вблизи горизонта событий не пуст — в нём постоянно рождаются и аннигилируют пары частиц. Иногда одна частица падает в дыру, а вторая улетает прочь. Именно эти улетающие частицы и составляют излучение Хокинга. В водяной модели роль частиц играли поверхностные волны, а роль горизонта — линия, где течение становилось сверхзвуковым для волн.

Антиволны и античастицы

Экспериментаторы запускали волны и снимали всё на видеокамеру. Потом кадр за кадром анализировали гидродинамические эффекты. И увидели то, что предсказывал Хокинг: так называемые «антиволны». В обычной среде волна распространяется в том же направлении, что и её гребни. Антиволна ведёт себя иначе: её гребни движутся в одну сторону, а энергия — в другую. В контексте чёрной дыры это аналог античастиц, гипотетически возникающих у горизонта событий.

Физики интерпретировали появление антиволн как подтверждение: механизм излучения Хокинга работает. Квантовые флуктуации у горизонта событий действительно могут порождать пары, где одна часть уходит в дыру, а вторая — наружу. В бассейне этот процесс удалось воспроизвести в классической системе, где квантовую неопределённость заменяет тепловое движение молекул воды. Результат не доказывает излучение Хокинга напрямую, но показывает, что сама математическая структура явления реализуема в природе.

Что это значит для астрофизики

Эксперимент 2008 года стал важной вехой. Он не только поддержал теорию Хокинга, но и открыл путь для лабораторного изучения эффектов, которые раньше считались чисто космологическими. Аналоги чёрных дыр теперь строят не только в воде, но и в оптических волокнах, в конденсатах Бозе — Эйнштейна, даже в звуковых волнах. Каждая такая модель позволяет проверить предсказания, которые невозможно протестировать на настоящих чёрных дырах.

Впрочем, скептики напоминают: аналогия — не тождество. Водяная модель воспроизводит кинематику, но не гравитацию. Настоящее излучение Хокинга — квантовый процесс в искривлённом пространстве-времени. Бассейн лишь имитирует его математический каркас. Поэтому окончательный вердикт о реальности излучения Хокинга остаётся за прямыми астрономическими наблюдениями — а их пока нет.

Кстати, мы уже писали о том, как учёные ищут косвенные признаки существования чёрных дыр. Например, в материале «Дата-центр вокруг чёрной дыры: учёные ищут его тепло» рассказывалось о гипотетическом инфракрасном излучении, которое могла бы испускать сверхразвитая цивилизация, построившая вычислительный центр на орбите чёрной дыры. А в статье «В коллайдере могут родиться чёрные дыры — учёные запускают его сегодня» обсуждались страхи и надежды, связанные с возможным появлением микроскопических чёрных дыр в Большом адронном коллайдере. Оба материала показывают, насколько многогранен интерес к этим загадочным объектам.

Международная группа учёных, создавшая гидродинамическую модель, не утверждала, что открыла излучение Хокинга. Они лишь показали: предсказанный механизм не противоречит физике и может быть воспроизведён в лаборатории. Для науки этого часто достаточно, чтобы двигаться дальше. Возможно, когда-нибудь мы сможем зафиксировать настоящие квантовые частицы, вырвавшиеся из лап реальной чёрной дыры. А пока — бассейн, насос и видеокамера дали больше, чем десятилетия споров.