Последние новости науки

Космические катастрофы... в лаборатории
Возможно, мы с вами являемся свидетелями рождения совершенно нового метода исследования астрофизических явлений: метода нахождения и изучения в лаборатории аналогов космических катастроф. О том, как это делается, и рассказывает заметка.

Аналоги космических явлений в микромире

Современная астрофизика изучает зачастую явления, которые иначе, как космическими катастрофами, и не назовешь. Это столкновения звезд, галактик, взрывы сверхновых звезд, часто сопровождающиеся необратимым гравитационным коллапсом и образованием черных дыр. До сих пор ученые исследовали такие явления двумя проторенными путями: теоретическими вычислениями и прямыми астрономическими наблюдениями того, что происходит в дальнем космосе. Однако в последние годы постепенно приходит понимание, что эти явления можно, в некотором смысле, экспериментально исследовать в лаборатории.

Разумеется, создать настоящую черную дыру на Земле нельзя: до такого уровня наша технология не дойдет и в обозримом будущем. Впрочем, никто это и не собирается делать. О чем же тогда идет?

Речь идет о том, чтобы выискивать среди доступных эксперименту явлений аналоги космических катастроф, процессы, которые были бы в чем-то похожи, например, на вспышки сверхновых. Конечно же, это будут принципиально другие явления, и, изучая их, мы не имеем права говорить, что изучаем сами вспышки сверхновых. Однако есть надежды (и не безосновательные), что хотя бы некоторые законы эволюции космических явлений и их "лабораторных макетов" будут одинаковы. Если такие сходства будут найдены - и если будет доказано, что они не случайность, а свойство Природы - то ученые получат новый, мощный и совершенно неожиданный метод изучения Вселенной. Кто знает, может быть, когда-нибудь ученые смогут сотворить в лаборатории действующую модель Вселенной...

Однако это пока мечты, или, в лучшем случае, всего лишь планы на будущее. А что есть уже сейчас? Сейчас имеется набор различных экспериментов, в которых предлагаются микроскопические аналоги таких космических объектов, как черная дыра и сверхновая звезда. Расскажем об этих экспериментах подробнее.

Черные дыры в бозе-конденсате

Черная дыра - это очень массивный и очень компактный астрономический объект, вблизи которого гравитационное поле столь сильно, что оно существенным образом изменяет свойства пространства-времени, что, в свою очередь, драматическим образом сказывается на движении как частиц, так и световых лучей. В частности, если луч света пройдет достаточно близко от черной дыры, то его траектория может искривиться настолько, что луч будет поглощен черной дырой.

Как черную дыру предлагается промоделировать в эксперименте? В статье [1] описана такая идея: давайте возьмем бозе-эйнштейновский конденсат (о том, что это такое и с чем это едят, читайте в одной из прошлых заметок "Эксперименты с бозе-эйнштейновским конденсатом") и соорудим в нем акустическую черную дыру, то есть, область, которая будет поглощать не световые, а звуковые волны.

Оказывается, такое можно реализовать, если создать в конденсате область, которая "втягивала" бы в себя окружающий газ. При этом, чем ближе к центру этой области, тем быстрее будут скорости втягиваемого течения. Причем будет расти как скорость "падения" газа на центр, так и скорость вращения газового облака (вспомните распределение скоростей в водовороте). В какой-то момент эти скорости могут превысить скорость распространения звука в газе - и тогда звуковая волна, перейдя эту границу, уже никогда не сможет вернуться назад!

Что можно наблюдать в такой системе? Во-первых, распространение звуковой волны в среде с "искривленной геометрией". Это будет аналогом распространения света в искривленном пространстве-времени вблизи вращающейся черной дыры. Во-вторых, авторы предсказывают, что в такой системе можно будет наблюдать сугубо квантовый процесс - гидродинамический аналог излучения Хокинга, процесса испарения настоящих черных дыр. Только в отличие от черных дыр в данном случае будет наблюдаться излучение отдельных фононов. Для его наблюдения необходимо будет охладить всю систему до температур порядка 1 нанокельвина и ниже.

Авторы считают, что экспериментальная реализация их идеи - задача, конечно, непростая, но принципиально решаемая и при помощи современных технологий. Дело - за экспериментом.

Другая разновидность этой же идеи заключается в создании вращающейся оптической черной дыры [2]. Дело в том, что экспериментаторы уже научились создавать такие среды, в которых скорость распространения света падает до нескольких метров и даже сантиметров в секунду. Если теперь привести в движение само вещество этой среды (например, создав вихрь), да еще и со скоростью, превышающую скорость распространения света в ней, то мы получим полную аналогию того, как "завихренное" пространство-время вблизи настоящей вращающейся черной дыры увлекает за собой свет. На Рис.1 показан теоретический расчет того, как лучи света, падая издалека на оптическую черную дыру, увлекаются ее вращением.


Взрыв сверхновой звезды в лаборатории

Еще одна интересная идея состоит в том, чтобы, наблюдая поведение все того же бозе-эйнштейновского конденсата, сделать какие-либо выводы об эволюции коллапсирующих объектов вообще и сверхновых звезд в частности. Дело в том, что бозе-конденсат может оказаться не вполне стабильным образованием: под действием притягивающего взаимодействия между атомами он может начать неконтролируемо сжиматься - коллапсировать (подробности см. в заметке [3]). Этот коллапс может затем обернуться взрывом с образованием струй, что очень походит на динамику взрыва сверхновой.

В отличие от предыдущих идей, такой коллапс в бозе-конденсате уже наблюден экспериментально [4]. Поэтому главный шаг здесь уже пройден, и осталось лишь понять, насколько аналогия со взрывом сверхновых физична и плодотворна. В частности, может быть она поможет понять, из-за чего же именно происходит взрыв сверхновых. Проблема здесь в том, что на сегодняшний день никакие теоретические модели так и не могут объяснить, почему же сжатие звезды сменяется ее взрывом. Возможно, ответ на этот вопрос будет найден в экспериментах в бозе-конденсатом.

Подчеркнем еще раз: безусловно, взрыв сверхновой и коллапс бозе-конденсата - принципиально различные явления с точки зрения физики. Однако не исключено, что некоторые математические законы их эволюции окажутся одинаковыми. Именно за такими "совпадениями" и начинают охотиться ученые. Будем надеяться, что эта охота принесет им удачу.

Ссылки:

[1] L.J.Garay et al, Phys.Rev.Lett. 85, 4643 (2000)
[2] U.Leonhardt and P.Piwnicki, Phys.Rev.Lett.84, 822 (2000)
[3] "Коллапс и взрыв бозе-эйнштейновского конденсата" - сообщение от Scientific.ru.
[4] S.L.Cornish et al, Phys.Rev.Lett. 85, 1795 (2000)




[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение ]



vlad@ssl.nsu.ru