Звуковая черная дыра
Звуковая черная дыра , иногда называемая « немой дырой» или акустической черной дырой , представляет собой явление, при котором фононы (звуковые возмущения) не могут покинуть область жидкости, которая течет быстрее, чем локальная скорость звука . Их называют звуковыми или акустическими черными дырами, потому что эти захваченные фононы аналогичны свету в астрофизических (гравитационных) черных дырах . Физики интересуются ими, поскольку они обладают многими свойствами, схожими с астрофизическими черными дырами, и, в частности, излучают фононную версию излучения Хокинга . [1] [2] Это излучение Хокинга может спонтанно создаваться квантовыми флуктуациями вакуума, по аналогии с излучением Хокинга настоящей черной дыры. С другой стороны, излучение Хокинга можно стимулировать классическим процессом. Граница звуковой черной дыры, на которой скорость потока изменяется от большей скорости звука до меньшей скорости звука, называется горизонтом событий .
История концепции
[ редактировать ]Впервые о полезности акустических черных дыр высказал Уильям Унру в 1981 году. [3] Однако первый аналог черной дыры не был создан в лаборатории до 2009 года. Он был создан в рубидийном конденсате Бозе-Эйнштейна с использованием метода, называемого инверсией плотности. Этот метод создает поток за счет отталкивания конденсата с минимальным потенциалом. Поверхностная гравитация и температура звуковой черной дыры были измерены, но попыток обнаружить излучение Хокинга предпринято не было. Однако создавшие его ученые предсказали, что эксперимент пригоден для обнаружения, и предложили метод, с помощью которого его можно было бы осуществить путем генерации фононов. [4] В 2014 году те же исследователи сообщили о стимулированном излучении Хокинга в аналоговом лазере на черной дыре. [2] Квантовое спонтанное излучение Хокинга наблюдалось позже. [5] [6] [7]
Вращающаяся звуковая черная дыра была использована в 2010 году для проведения первых лабораторных испытаний сверхизлучения — процесса, посредством которого энергия извлекается из черной дыры. [8]
Обзор
[ редактировать ]Идеальные жидкости
[ редактировать ]Звуковые черные дыры возможны, потому что фононы в идеальных жидкостях проявляют те же свойства движения, что и поля, такие как гравитация, в пространстве и времени. [1] По этой причине систему, в которой может быть создана звуковая черная дыра, называют гравитационным аналогом . Для создания акустического горизонта событий можно использовать практически любую жидкость, но вязкость большинства жидкостей создает хаотическое движение. [ нужна ссылка ] это делает практически невозможным обнаружение таких явлений, как излучение Хокинга. Сложность такой системы очень затруднит получение каких-либо знаний о таких функциях, даже если бы их можно было обнаружить. [9] Для создания звуковых черных дыр было предложено использовать множество почти идеальных жидкостей, таких как сверхтекучий гелий, одномерные вырожденные ферми-газы и конденсат Бозе-Эйнштейна . Аналоги гравитации, отличные от фононов в жидкости, такие как медленный свет и система ионов, также были предложены для изучения аналогов черной дыры. [10] Тот факт, что так много систем имитируют гравитацию, иногда используется в качестве доказательства теории возникающей гравитации , которая могла бы помочь примирить теорию относительности и квантовую механику. [11]
Акустическая инженерия
[ редактировать ]Помимо упомянутых выше звуковых или акустических черных дыр, которые можно рассматривать как аналоги астрофизических черных дыр, в акустической и вибротехнике существуют также физические объекты с такими же названиями, где они используются для звукопоглощения и гашения колебаний конструкций. [12] Эффект акустической черной дыры в таких объектах может быть достигнут путем постепенного уменьшения скорости звука в волноводе или скорости упругой волны в твердой структуре (например, скорости изгибной волны в тонких пластинах) с расстоянием распространения. Требуемое снижение скорости должно подчиняться степенной зависимости от расстояния распространения, а скорость в конце пути распространения волны должна быть уменьшена почти до нуля. Кроме того, следует принять меры по размещению небольшого количества традиционных материалов, поглощающих звук или вибрацию, в зоне с очень низкой скоростью распространения. В этих условиях описанные звуковые или акустические черные дыры обеспечивают практически 100% поглощение падающих акустических волн, распространяющихся по воздуху или по конструкции.
См. также
[ редактировать ]- Акустическая метрика
- Аналоговые модели гравитации
- Черная дыра
- Оптическая черная дыра
- Квантовая гравитация
Примечания
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Виссер, Мэтт (1998). «Акустические черные дыры: горизонты, эргосферы и излучение Хокинга». Классическая и квантовая гравитация . 15 (6): 1767–1791. arXiv : gr-qc/9712010 . Бибкод : 1998CQGra..15.1767V . дои : 10.1088/0264-9381/15/6/024 . S2CID 5526480 .
- ^ Перейти обратно: а б Штайнхауэр, Джефф (2014). «Наблюдение самоусиливающегося излучения Хокинга в аналоговом лазере на черной дыре». Физика природы . 10 (11): 864–869. arXiv : 1409.6550 . Бибкод : 2014NatPh..10..864S . дои : 10.1038/nphys3104 . S2CID 26867033 .
- ^ Унру, WG (1981). «Экспериментальное испарение черной дыры?». Письма о физических отзывах . 46 (21): 1351–1353. Бибкод : 1981PhRvL..46.1351U . дои : 10.1103/PhysRevLett.46.1351 .
- ^ Лахав, Орен; Ита, Амир; Блюмкин, Алекс; Гордон, Кармит; Ринотт, Шахар; Заяц, Алона; Штайнхауэр, Джефф (2010). «Реализация аналога звуковой черной дыры в конденсате Бозе-Эйнштейна». Письма о физических отзывах . 105 (24): 240401. arXiv : 0906.1337 . Бибкод : 2010PhRvL.105x0401L . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.240401 . ПМИД 21231510 . S2CID 45683876 .
- ^ Штайнхауэр, Джефф (октябрь 2016 г.). «Наблюдение квантового излучения Хокинга и его запутанности в аналоге черной дыры» . Физика природы . 12 (10): 959–965. arXiv : 1510.00621 . Бибкод : 2016NatPh..12..959S . дои : 10.1038/nphys3863 . ISSN 1745-2481 . S2CID 119197166 .
- ^ Муньос де Нова, Хуан Рамон; Голубков, Катрина; Колобов Виктор И.; Штайнхауэр, Джефф (май 2019 г.). «Наблюдение теплового излучения Хокинга и его температуры в аналоге черной дыры» . Природа . 569 (7758): 688–691. arXiv : 1809.00913 . Бибкод : 2019Natur.569..688M . дои : 10.1038/s41586-019-1241-0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 31142857 . S2CID 119327617 .
- ^ Колобов Виктор И.; Голубков, Катрина; Муньос де Нова, Хуан Рамон; Штайнхауэр, Джефф (март 2021 г.). «Наблюдение стационарного спонтанного излучения Хокинга и временная эволюция аналога черной дыры» . Физика природы . 17 (3): 362–367. arXiv : 1910.09363 . Бибкод : 2021NatPh..17..362K . дои : 10.1038/s41567-020-01076-0 . ISSN 1745-2481 . S2CID 230508375 .
- ^ Торрес, Тео; Патрик, Сэм; Кутан, Антонен; Рихарц, Маурисио; Тедфорд, Эдмунд В.; Вайнфуртнер, Силке (2017). «Вращательное сверхизлучительное рассеяние в вихревом потоке» . Физика природы . 13 (9): 833–836. arXiv : 1612.06180 . Бибкод : 2017NatPh..13..833T . дои : 10.1038/nphys4151 . S2CID 119209800 .
- ^ Яннес, Гил (2009). «Эмерджентная гравитация: парадигма BEC» . arXiv : 0907.2839 . Бибкод : 2009PhDT.......109J .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Хорстманн, Биргер; Шютцхольд, Ральф; Резник, Бенни; Фаньокки, Серена; Сирак, Дж. Игнасио (2011). «Излучение Хокинга на ионном кольце в квантовом режиме». Новый журнал физики . 13 (4): 045008. arXiv : 1008.3494 . Бибкод : 2011NJPh...13d5008H . дои : 10.1088/1367-2630/13/4/045008 .
- ^ Яннес, Гил (2009). «Эмерджентная гравитация: парадигма BEC» . arXiv : 0907.2839 . Бибкод : 2009PhDT.......109J .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) . - ^ Пелат, А.; Готье, Ф.; Конлон, Южная Каролина; Семперлотти, Ф. (2020). «Акустическая черная дыра: обзор теории и приложений». Журнал звука и вибрации . 476 : 115316. Цифровой код : 2020JSV...47615316P . дои : 10.1016/j.jsv.2020.115316 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бартусяк, Марсия (2010). «100 лучших историй 2009 года № 79: Звуковая черная дыра, созданная в лаборатории» . Журнал Discover (январь – февраль: специальный выпуск).
- Форд, Мэтт (22 июня 2007 г.). «Ars Technica: потенциальное решение парадокса потери информации черной дыры» .
- Барсело, Карлос; Либерати, Стефано; Виссер, Мэтт (2005). «Аналоговая гравитация» . Живые обзоры в теории относительности . 8 (1): 12. arXiv : gr-qc/0505065 . Бибкод : 2005LRR.....8...12B . дои : 10.12942/lrr-2005-12 . ПМЦ 5255570 . ПМИД 28179871 .
