Черные дыры — это области пространства-времени с огромной гравитацией. Ученые изначально думали, что ничто не может выйти за пределы этих массивных объектов, включая свет. Точная природа черных дыр ставилась под сомнение с тех пор, как общая теория относительности Альберта Эйнштейна открыла возможность их существования. Среди самых известных открытий было предсказание английского физика Стивена Хокинга о том, что некоторые частицы на самом деле испускаются на краю черной дыры.
Физики также исследовали работу вакуума. В начале 1970-х, когда Хокинг описывал, как свет может выйти из гравитационного поля черной дыры, канадский физик Уильям Унру предположил, что достаточно быстро ускоряющийся фотодетектор мог "видеть" свет в вакууме. Новое исследование из Дартмута развивает эти теории, детализируя способ получения и обнаружения света, который ранее считался ненаблюдаемым.
В классической физике вакуум рассматривается как отсутствие материи, света и энергии. В квантовой физике вакуум не так уж и пуст, он заполнен фотонами, которые колеблются и исчезают. Однако такой свет измерить практически невозможно.
Одна часть общей теории относительности Эйнштейна, "принцип эквивалентности", устанавливает связь между предсказанием Хокинга об излучении черных дыр и предсказанием Унру об ускорении фотодетекторов, видящих свет. Эквивалентность говорит о том, что гравитация и ускорение принципиально неотличимы: человек в ускоряющемся лифте без окон не сможет определить, действует ли на них сила тяжести, сила инерции или и то, и другое.
Следовательно, если гравитация черной дыры может создавать фотоны в вакууме, то может и ускорение. Поскольку наука уже продемонстрировала, что наблюдение света в вакууме возможно, команда физиков решила найти практический способ обнаружения фотонов. Теория исследования, опубликованная в журнале Nature Research's Communications Physics, предсказывает, что дефекты на основе азота в быстро ускоряющейся алмазной мембране могут быть обнаружены.
В предлагаемом эксперименте синтетический алмаз размером с почтовую марку, содержащий детекторы света на основе азота, подвешен в переохлажденном металлическом ящике, который создает вакуум. Мембрана, которая действует как привязанный батут, ускоряется с огромной скоростью.
В исследовательской статье объясняется, что результирующее производство фотонов из вакуума полости в совокупности усиливается и поддается измерению, при этом образование фотонов в вакууме претерпевает фазовый переход от нормальной фазы к усиленной, подобной сверхизлучению, инвертированной фазе генерации, когда число детекторов превышает критическое значение.
В статье Дартмута исследуются множественные фотонные детекторы — алмазные дефекты — для усиления ускорения мембраны и повышения чувствительности обнаружения. Колебание алмаза также позволяет проводить эксперимент в контролируемом пространстве с высокими темпами ускорения.
Чтобы подтвердить, что обнаруженные фотоны исходят из вакуума, а не из окружающей среды, команда демонстрирует, что теория наблюдает "запутанный свет", отличительную черту квантовой механики, которая не может происходить из внешнего излучения.
Предложение о наблюдении света в вакууме не имеет немедленного применения, но исследовательская группа надеется, что оно поможет лучше понять физические силы, которые влияют на общество, как это делают другие теоретические исследования. В частности, эта работа может помочь пролить экспериментальный свет на предсказание Хокинга об излучении черных дыр через призму принципа эквивалентности Эйнштейна.
