Аккустические черные дыры

Вс, 03/23/2014 - 15:00

Вместо звуковых волн можно использовать волны на поверхности жидкости, текущей по круговому каналу

В другом эксперименте предполагается изучать микроволны

Продольную ось раздувающегося сигарообразного облака газа можно рассматривать как модель одномерной вселенной.

Жидкостные модели помогают понять, как следует исправить анализ Хокинга.

Частицы звука

Ответить на провокационные вопросы попытался Уильям Унру (William Unruh) из Университета Британской Колумбии. В 1981 г. он показал, что существует поразительное сходство между распространением звука в движущейся жидкости и распространением света в искривленном пространстве-времени. Унру предположил, что такая аналогия может оказаться полезной при оценке влияния микроскопической физики на происхождение излучения Хокинга и при разработке способов его наблюдения.

Подобно волнам света, акустические волны характеризуются частотой, длиной волны и скоростью распространения. Само понятие звуковой волны имеет смысл только тогда, когда ее длина намного больше расстояния между молекулами жидкости, т.к. в меньших масштабах акустические волны перестают существовать. Именно это ограничение делает сопоставление столь привлекательным: физики получают возможность изучать макроскопические проявления микроскопической структуры. Однако чтобы быть действительно полезной, эта аналогия должна распространяться и на квантовый уровень. Обычно случайные тепловые колебания молекул не дают звуковым волнам вести себя аналогично световым квантам. Но когда температура приближается к абсолютному нулю, звук может вести себя как квантовые частицы — фононы. Они наблюдаются в кристаллах и веществах, которые остаются жидкими при достаточно низких температурах, таких, как жидкий гелий.

Поведение фононов в спокойной жидкости или в равномерном потоке похоже на движение фотонов в плоском пространстве-времени в отсутствие гравитации. Такие фононы распространяются по прямым линиям, сохраняя неизменные длину волны, частоту и скорость. Однако в жидкости, перемещающейся неравномерно, скорость фононов изменяется, а их волны могут растягиваться точно так же, как у фотонов в изогнутом пространстве-времени. В реке, входящей в узкий каньон, или в потоке, с завихрениями стекающем по желобу, звук искажается и следует по изогнутому пути, так же как свет вблизи звезды. Акустику в данном случае можно описать с помощью геометрического аппарата общей теории относительности.

Поток жидкости может действовать на звук так же, как черная дыра — на свет. Чтобы создать акустическую черную дыру, можно использовать устройство, которое гидродинамики называют соплом Лаваля. Оно устроено таким образом, что скорость потока в нем постепенно увеличивается и в самой узкой точке оказывается больше скорости звука, но при этом ударной волны (скачкообразного изменения свойств жидкости) не возникает. Получающаяся акустическая геометрия сопла очень похожа на геометрию пространства-­времени вблизи черной дыры. Сверхзвуковая область соответствует внутренней части дыры: звуковые волны, распространяющиеся против потока, сносятся вниз по течению, словно свет, оказавшийся за горизонтом событий. Дозвуковая область соответствует пространству, окружающему дыру: звуковые волны, распространяющиеся против течения, растягиваются подобно свету, испытывающему красное смещение. Граница между двумя областями ведет себя точно так же, как горизонт событий.

Атомизм

Если жидкость достаточно холодна, аналогия распространяется на квантовый уровень. Унру утверждает, что звуковой горизонт испускает тепловые фононы, аналогичные излучению Хокинга. Благодаря квантовым флуктуациям, вблизи горизонта появляются пары фононов. Один фонон из пары захватывается в сверхзвуковую область, чтобы никогда не возвратиться, а другой распространяется против течения, растягиваясь под действием потока жидкости. Микрофон, помещенный выше по течению, регистрирует слабое шипение. Звуковая энергия в данном случае заимствуется из кинетической энергии потока жидкости.

Преобладающий тон шума зависит от геометрии: типичная длина волны наблюдаемых фононов сопоставима с расстоянием, на котором значительно изменяется скорость потока. Оно намного больше, чем дистанция между молекулами, так что Унру провел первоначальный анализ, полагая, что жидкость является однородной и непрерывной. Фононы возникают вблизи от горизонта с длинами волн настолько малыми, что они должны быть чувствительны к «зернистости» строения жидкости. Влияет ли это на конечный результат? Испускает ли реальная жидкость фононы, подобные излучению Хокинга, или предсказание Унру — артефакт идеализации непрерывной жидкости? Ответ на эти вопросы применительно к акустической черной дыре поможет ученым по аналогии разобраться с гравитационными черными дырами.

Сверхзвуковой поток жидкости — не единственный аналог черной дыры. Например, можно использовать не звуковые волны, а рябь на поверхности жидкости или на поверхности контакта между слоями сверхтекучего жидкого гелия, который является настолько холодным, что в нем отсутствует внутреннее трение, оказывающее сопротивление движению. Недавно Унру и Ральф Шютцхольд (Ralf Schutzhold) из Дрезденского технического университета предложили изучать электромагнитные волны, проходящие по волноводу, заполненному диэлектриком. Быстро перемещая луч лазера вдоль трубки и таким образом изменяя локальную скорость волны, ученые могут попытаться создать аналог горизонта событий. Так же можно попытаться смоделировать ускоряющееся расширение Вселенной, при котором возникает излучение, подобное излучению Хокинга. Разлетающийся во все стороны или управляемый магнитным полем конденсат Бозе­-Эйнштейна (чрезвычайно холодный газ, атомы которого теряют индивидуальность) может действовать на звук так же, как расширяющаяся Вселенная на свет. Но пока ни одного из перечисленных устройств не было создано. Работа в этой области сложна, а экспериментаторы предпочитают изучать другие низкотемпературные явления.

Понять, как молекулярная структура жидкости влияет на фононы, чрезвычайно сложно. Через 10 лет после того, как Унру предложил звуковую аналогию, один из авторов (Якобсон) придумал очень полезное упрощение. Существенные детали молекулярной структуры проявляются в зависимости частоты звуковой волны от ее длины, которая называется дисперсионным соотношением, определяющим скорость распространения звука. Скорость длинных волн постоянна. При малых длинах волн, сравнимых с межмолекулярным расстоянием, скорость зависит от длины волн.

Возможны три типа поведения. Когда дисперсия отсутствует, волна ведет себя одинаково и при малых, и при больших длинах волны (фотоны, описываемые теорией относительности). Для второго типа скорость уменьшается с уменьшением длины волны (фононы в сверхтекучем гелии), а для третьего — увеличивается (фононы в разбавленных конденсатах Бозе-Эйнштейна). Такое разделение позволяет упорядочить изучение влияния молекулярной структуры на звук на макроскопическом уровне. В 1995 г. Унру и другие ученые занялись исследованием эффекта Хокинга при дисперсии второго и третьего типов.

Рассмотрим поведение фононов, схожих с фотонами Хокинга, обратив время вспять. Вначале тип дисперсии не имеет значения: фононы плывут вниз по течению к горизонту событий, и длины их волн постепенно уменьшаются. Как только длина волны приближается к межмолекулярному расстоянию, становится важным конкретный вид дисперсионного соотношения: либо фононы замедляются, меняют направление движения и начинают двигаться вверх по течению (дисперсия второго типа), либо разгоняются до скорости, превышающей длинноволновую скорость звука, и затем пересекают горизонт (дисперсия третьего типа).

Возрождение эфира

Полная аналогия с эффектом Хокинга подразумевает выполнение важного условия: как и виртуальные пары фотонов вблизи черной дыры, виртуальные пары фононов должны возникать в основном состоянии. В реальной жидкости это условие вполне может выполняться. Пока макроскопический поток изменяется во времени и пространстве медленно (по сравнению с темпом событий на молекулярном уровне), молекулярное состояние успевает изменяться таким образом, чтобы энергия системы в целом оставалась минимальной. При этом не имеет значения, из каких молекул состоит жидкость.

Если условие выполняется, жидкость испускает излучение, подобное излучению Хокинга, независимо от типа дисперсионного соотношения. Микроскопические детали строения жидкости оказываются несущественными: они стираются по мере удаления фононов от горизонта. Кроме того, при дисперсии второго или третьего типа произвольно короткие волны, присутствующие в исходном анализе Хокинга, не возникают. Вместо этого длины волн достигают нижнего предела, равного межмолекулярному расстоянию. Таким образом, бесконечное красное смещение представляется воплощением не имеющего физического смысла предположения о бесконечно малых атомах.

Применяемая к реальным черным дырам аналогия с жидкостью придает уверенности, что результат Хокинга является правильным несмотря на сделанные упрощения. К тому же некоторые ученые считают, что и на гравитационном горизонте черных дыр дисперсия коротковолнового света исключает появление бесконечного красного смещения. Правда, здесь есть одна ловушка. Теория относительности категорически утверждает, что свет не испытывает дисперсии в вакууме. Длина волны фотона представляется различной разным наблюдателям и становится произвольно большой, когда измеряется в системе отсчета, движущейся с околосветовой скоростью. Следовательно, существование отсечки на фиксированной малой длине волны, при которой дисперсионное соотношение переходит от первого ко второму или третьему типу, противоречит законам физики: разные наблюдатели должны наблюдать отсечку на разных длинах волн.

Возникает дилемма: или сохранить требование Эйнштейна об отсутствии предпочтительной системы отсчета и принять бесконечно большое красное смещение, или предположить, что фотоны не испытывают его, и ввести предпочтительную систему отсчета. Будет ли это грубым нарушением теории относительности? Если предпочтительная система отсчета — это локальный эффект, возникающий только около горизонтов черных дыр, то теория относительности в общем остается применимой. С другой стороны, возможно, что предпочтительная система отсчета существует всюду, а теория относительности представляет собой упрощенную версию более глубокой, всеобъемлющей теории. Экспериментаторы будут пытаться обнаружить абсолютную систему отсчета, но даже если поиски не увенчаются успехом, то причиной неудачи может оказаться недостаточная точность измерений.

Физики давно подозревали, что объединение общей теории относительности с квантовой механикой будет сопряжено с какой-либо отсечкой в условиях очень малых расстояний, вероятно, сопоставимых с длиной Планка. Акустическая аналогия подкрепляет эти опасения. Пространство-время так или иначе должно иметь зернистую структуру, чтобы обуздать сомнительное бесконечное красное смещение. Если это так, то аналогия между распространением звука и света окажется даже лучше, чем думал Унру. Объединение общей теории относительности и квантовой механики может привести к отказу от идеализации непрерывного пространства и времени и обнаружить «атомы» пространства­-времени. Не об этом ли думал Эйнштейн, когда в 1954 г., за год до своей смерти, писал своему близкому другу Микеле Бессо (Michele Besso): «Не исключено, что физика не может базироваться только на понятии поля, т.е. на непрерывных структурах. Но тогда от моего воздушного замка не останется ничего, даже теории тяготения, впрочем, как и всей остальной современной физики».
Пятьдесят лет спустя замок остается нетронутым, хотя его будущее туманно. Возможно, черные дыры и их акустические аналоги помогут нам найти дальнейший путь развития.

Другие материалы рубрики


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3