Czarna dziura to plac zabaw dla fizyki. To miejsce, w którym można obserwować i testować najbardziej dziwaczne i fundamentalne idee i koncepcje z dziedziny fizyki. Jednak obecnie nie ma sposobu, aby bezpośrednio obserwować czarne dziury w akcji; formacje te nie emitują światła ani promieni rentgenowskich, co można wykryć za pomocą nowoczesnych teleskopów. Na szczęście fizycy znaleźli sposoby na symulację warunków panujących w czarnej dziurze w laboratorium i tworząc analogi czarnych dziur, zaczynają rozwiązywać najbardziej zadziwiające tajemnice fizyki.
Jeff Steinhauer, badacz z Wydziału Fizyki w Israel Institute of Technology, zwrócił niedawno uwagę całej społeczności fizyków, ogłaszając, że używa analogu czarnej dziury do potwierdzenia teorii Stephena Hawkinga z 1974 roku. Teoria ta stwierdza, że czarne dziury emitują promieniowanie elektromagnetyczne zwane promieniowaniem Hawkinga. Hawking zasugerował, że promieniowanie to jest spowodowane spontanicznym pojawieniem się pary cząstka-antycząstka na horyzoncie zdarzeń, jak nazywa się punkt na krawędzi czarnej dziury, poza którą nic, nawet światło, nie może uciec. Zgodnie z teorią Hawkinga, gdy jedna z cząstek przekracza horyzont zdarzeń i zostaje schwytana przez czarną dziurę, druga zostaje wyrzucona w kosmos. Eksperyment Steinhowera był pierwszą demonstracją tych spontanicznych fluktuacji,które potwierdzają obliczenia Hawkinga.
Fizycy ostrzegają, że ten eksperyment nadal nie potwierdza istnienia promieniowania Hawkinga w astronomicznych czarnych dziurach, ponieważ czarna dziura Steinhauera nie jest dokładnie tym, co możemy obserwować w kosmosie. Fizycznie nie jest jeszcze możliwe stworzenie potężnych pól grawitacyjnych, które tworzą czarne dziury. Zamiast tego, analog wykorzystuje dźwięk do naśladowania zdolności czarnej dziury do pochłaniania fal świetlnych.
„Ta fala dźwiękowa jest jak próba płynięcia pod prąd rzeki. Ale rzeka płynie szybciej niż ty płyniesz”- mówi Steinhauer. Jego zespół schłodził chmurę atomów do niemal zera absolutnego, tworząc tak zwany kondensat Bosego-Einsteina. Poprzez przyspieszenie przepływu gazu niż prędkość dźwięku naukowcy stworzyli system, którego fale dźwiękowe nie mogą opuścić.
Steinhauer opublikował swoje obserwacje na początku sierpnia w artykule w czasopiśmie Nature Physics. Jego eksperyment jest ważny nie tylko dlatego, że umożliwił obserwację promieniowania Hawkinga. Steinhauer twierdzi, że obserwował cząsteczki emitowane przez dźwiękową czarną dziurę, a cząsteczki wewnątrz niej „zaplątują się”. Oznacza to, że dwie cząstki w tym samym czasie mogą znajdować się w kilku stanach fizycznych, takich jak poziom energii, i że znając stan jednej z nich, możemy natychmiast poznać stan drugiej.
Koncepcja analogu czarnej dziury została zaproponowana w latach 80-tych przez Williama Unruha, ale została stworzona w laboratorium dopiero w 2009 roku. Od tego czasu naukowcy na całym świecie tworzą analogi czarnej dziury, a wielu z nich próbuje obserwować promieniowanie Hawkinga. Chociaż Steinhauer był pierwszym badaczem, który odniósł sukces na tym froncie, systemy analogowe już teraz pomagają fizykom testować równania i zasady, które od dawna są stosowane w tych systemach teoretycznych, ale tylko na papierze. W rzeczywistości główną nadzieją dla analogów czarnych dziur jest to, że mogą pomóc naukowcom pokonać jedno z największych wyzwań w fizyce: połączyć grawitację z zasadami mechaniki kwantowej, które leżą u podstaw zachowania cząstek subatomowych, ale nie są jeszcze zgodne z prawami. powaga.
Chociaż stosowane metody są bardzo różne, zasada jest taka sama dla każdego analogu czarnej dziury. Każdy ma punkt, przez który podobnie jak horyzont zdarzeń nie może przejść żadna fala użyta zamiast światła, ponieważ wymagana prędkość jest zbyt duża. Oto kilka sposobów, w jakie naukowcy symulują czarne dziury w laboratorium.
Film promocyjny:
Szkło
W 2010 roku grupa fizyków z Uniwersytetu w Mediolanie zrobiła plusk w środowisku naukowym, twierdząc, że obserwowali promieniowanie Hawkinga z analogu czarnej dziury, który został utworzony przy użyciu impulsów laserowych o dużej mocy skierowanych na szkło krzemionkowe. Chociaż twierdzenie naukowców zostało zakwestionowane (fizyk William Unruh powiedział, że obserwowane przez nich promieniowanie było znacznie intensywniejsze niż obliczone promieniowanie Hawkinga i że zmierza w złym kierunku), stworzony przez nich analog jest nadal bardzo interesującą metodą modelowania horyzontu zdarzeń.
Ta metoda działa w następujący sposób. Pierwszy impuls skierowany na szkło kwarcowe jest wystarczająco silny, aby zmienić współczynnik załamania światła (szybkość, z jaką światło wpada do substancji) wewnątrz szkła. Gdy drugi impuls uderza w szkło, w wyniku zmiany współczynnika załamania światła, zwalnia ono do całkowitego zatrzymania, tworząc „horyzont”, poza który nie może przeniknąć światło. Ten rodzaj systemu jest przeciwieństwem czarnej dziury, z której światło nie może uciec, dlatego nazwano go „białą dziurą”. Ale jak mówi Stephen Hawking, białe i czarne dziury to w zasadzie to samo, co oznacza, że muszą wykazywać te same właściwości kwantowe.
Inna grupa badawcza w 2008 roku wykazała, że białą dziurę można stworzyć w podobny sposób za pomocą światłowodów. Dalsze eksperymenty mają na celu stworzenie tego samego horyzontu zdarzeń za pomocą diamentu, który jest mniej niszczony przez promieniowanie laserowe niż krzem.
Polaritons
Zespół kierowany przez Hai Son Nguyen wykazał w 2015 roku, że dźwiękową czarną dziurę można stworzyć za pomocą polarytonów - dziwnego stanu materii zwanego kwazicząstką. Powstaje, gdy fotony oddziałują z elementarnymi wzbudzeniami ośrodka. Grupa Nguyena stworzyła polarytony, skupiając laser o dużej mocy na mikroskopijnej wnęce arsenku galu, który jest dobrym półprzewodnikiem. W jego wnętrzu naukowcy celowo stworzyli małe nacięcie, które rozszerzyło wnękę w jednym miejscu. Kiedy wiązka lasera uderzyła w tę mikrownękę, nastąpiła emisja polarytonów, które ruszyły do wady w postaci wycięcia. Ale gdy tylko strumień tych wzbudzonych cząstek dotarł do defektu, jego prędkość uległa zmianie. Cząsteczki zaczęły poruszać się szybciej niż prędkość dźwięku, co wskazuje, że był horyzont,poza którą dźwięk nie może wyjść.
Korzystając z tej metody, zespół Nguyen nie wykrył jeszcze promieniowania Hawkinga, ale naukowcy są przekonani, że w toku dalszych eksperymentów możliwe będzie wykrycie oscylacji powodowanych przez cząsteczki opuszczające pole, mierząc zmiany gęstości ich środowiska. Inni eksperymentatorzy sugerują chłodzenie polarytonów do kondensatu Bosego-Einsteina, który można następnie wykorzystać do symulacji tworzenia się tuneli czasoprzestrzennych.
woda
Obserwuj, jak woda spływa do odpływu podczas kąpieli. Będziesz zaskoczony, gdy dowiesz się, że patrzysz na coś w rodzaju czarnej dziury. W laboratorium na Uniwersytecie w Nottingham dr Silke Weinfurtner symuluje czarne dziury w łazience, jak nazywa 2000-litrowy prostokątny zbiornik ze ściętym lejem pośrodku. Woda jest podawana do zbiornika od góry i od dołu, co nadaje mu pęd, który tworzy wir w leju. W tym wodnym analogu światło zastępuje małe zmarszczki na powierzchni wody. Wyobraź sobie na przykład, że wrzucasz kamień do tego strumienia i obserwujesz, jak fale promieniują z niego w kółko. Im bliżej wiru zbliżają się te fale, tym trudniej im rozchodzić się w przeciwnym kierunku. W pewnym momencie te fale przestają się całkowicie rozprzestrzeniać,i ten punkt można uznać za odpowiednik horyzontu zdarzeń. Taki analog jest szczególnie przydatny do modelowania dziwnych zjawisk fizycznych, które zachodzą wokół obracających się czarnych dziur. Weinfurtner obecnie bada ten problem.
Podkreśla, że nie jest to czarna dziura w sensie kwantowym; ten analog pojawia się w temperaturze pokojowej i można zaobserwować tylko klasyczne przejawy mechaniki. „To brudny system” - mówi badacz - „ale możemy nim manipulować, aby pokazać, że jest odporny na zmiany. Chcemy mieć pewność, że te same zjawiska zachodzą w układach astrofizycznych”.