A fekete lyuk egy fizika játszótér. Ez az a hely, ahol megfigyelheti és kipróbálhatja a fizika legkülönösebb és legalapvetőbb gondolatait és fogalmait. Ma azonban nincs mód a fekete lyukak közvetlen megfigyelésére a cselekvésben; ezek a képződmények nem bocsátanak ki fényt vagy röntgensugarat, amelyet a modern távcsövek képesek detektálni. Szerencsére a fizikusok megtalálták a módját a fekete lyuk körülményeinek szimulálására a laboratóriumban, és a fekete lyukak analógjainak létrehozásával elkezdik megoldani a fizika legcsodálatosabb rejtelmeit.
Jeff Steinhauer, az Izraeli Műszaki Intézet Fizikai Tanszékének kutatója nemrégiben felhívta az egész fizikai közösség figyelmét azzal, hogy bejelentette, hogy fekete lyuk analógjával igazolja Stephen Hawking 1974-es elméletét. Ez az elmélet azt állítja, hogy a fekete lyukak Hawking-sugárzás néven ismert elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. Hawking felvetette, hogy ezt a sugárzást egy részecske-antirészecske pár spontán megjelenése okozza az eseményhorizonton, mivel a fekete lyuk szélén lévő pontot nevezik, amelyen túl semmi, még a fény sem menekülhet ki. Hawking elmélete szerint, amikor az egyik részecske átlépi az eseményhorizontot, és egy fekete lyuk fogja el, a másikat az űrbe dobják. Steinhower kísérlete volt az első bemutató ezeknek a spontán ingadozásoknak,amelyek megerősítik Hawking számításait.
A fizikusok arra figyelmeztetnek, hogy ez a kísérlet még mindig nem erősíti meg Hawking-sugárzás létezését a csillagászati fekete lyukakban, mivel a Steinhauer-féle fekete lyuk nem pontosan az, amit megfigyelhetünk az űrben. Fizikailag még nem lehet erőteljes gravitációs mezőket létrehozni, amelyek fekete lyukakat képeznének. Ehelyett az analóg a hang segítségével utánozza a fekete lyuk fényelnyelő képességét.
„Ez a hanghullám olyan, mintha megpróbálnánk úszni egy folyó áramlata ellen. De a folyó gyorsabban áramlik, mint te úszol”- mondja Steinhauer. Csapata szinte abszolút nullára hűlte az atomfelhőt, létrehozva az úgynevezett Bose-Einstein kondenzátumot. Azzal, hogy a gáz a hangsebességnél gyorsabban áramlik, a tudósok létrehoztak egy olyan rendszert, amelyből a hanghullámok nem tudnak távozni.
Steinhauer augusztus elején tette közzé megfigyeléseit a Nature Physics folyóirat egyik cikkében. Kísérlete nemcsak azért fontos, mert lehetővé tette Hawking-sugárzás megfigyelését. Steinhauer azt állítja, hogy figyelte a szonikus fekete lyuk által kibocsátott részecskéket és a benne lévő részecskéket "összefonódni". Ez azt jelenti, hogy egyszerre két részecske több fizikai állapotban lehet, például energiaszintben, és hogy az egyik részecske állapotának ismeretében azonnal megismerhetjük a másik állapotát.
A fekete lyuk analógjának koncepcióját az 1980-as években William Unruh javasolta, de a laboratóriumban csak 2009-ben hozták létre. Azóta a tudósok szerte a világon létrehozzák a fekete lyuk analógjait, és közülük sokan megpróbálják megfigyelni Hawking sugárzását. Bár Steinhauer volt az első kutató, aki sikeres volt ezen a fronton, az analóg rendszerek már segítenek a fizikusoknak az egyenletek és alapelvek tesztelésében, amelyeket régóta használnak ezekben az elméleti rendszerekben, de csak papíron. Valójában a fekete lyuk analógok legfőbb reménye az, hogy segíthetnek a tudósoknak a fizika egyik legnagyobb kihívásának leküzdésében: a gravitáció ötvözésével a kvantummechanika alapelveivel, amelyek a szubatomi részecskék viselkedésének alapjául szolgálnak, de még nem kompatibilisek a törvényekkel. gravitáció.
Bár az alkalmazott módszerek nagyon különbözőek, az elv ugyanaz a fekete lyuk minden analógjánál. Mindegyiknek van egy pontja, amelyet az eseményhorizonthoz hasonlóan egyetlen fény sem használhat át a fény helyett, mivel a szükséges sebesség túl nagy. Íme néhány olyan módszer, ahogy a tudósok szimulálják a fekete lyukakat a laboratóriumban.
Promóciós videó:
Üveg
2010-ben a Milánói Egyetem fizikusainak egy csoportja feltűnést keltett a tudományos közösségben, azt állítva, hogy egy fekete lyuk analóg Hawking-sugárzását figyelték meg, amelyet szilícium-dioxid-üvegre irányuló nagy teljesítményű lézerimpulzusok segítségével hoztak létre. Bár a tudósok állítását megkérdőjelezték (William Unruh fizikus szerint az általuk észlelt sugárzás sokkal intenzívebb, mint a számított Hawking-sugárzás, és hogy rossz irányba halad), az általuk létrehozott analóg még mindig nagyon érdekes módszer az eseményhorizont modellezésére.
Ez a módszer a következőképpen működik. Az első impulzus, amely a kvarcüvegre irányul, elég erős ahhoz, hogy megváltoztassa a törésmutatót (a fény bejutási sebességét az anyagba) az üveg belsejében. Amikor a második impulzus eléri az üveget, a törésmutató változásának következtében az teljesen lelassul, létrehozva egy "horizontot", amelyen túl a fény nem tud behatolni. Ez a fajta rendszer ellentéte a fekete lyuknak, ahonnan fény nem menekülhet ki, ezért "fehér lyuknak" hívták. De ahogy Stephen Hawking mondja, a fehér és a fekete lyuk alapvetően ugyanaz, ami azt jelenti, hogy azonos kvantum tulajdonságokkal kell rendelkezniük.
Egy másik kutatócsoport 2008-ban kimutatta, hogy hasonló módon fehér lyuk is létrejöhet száloptika segítségével. További kísérletek ugyanazon eseményhorizont létrehozására törekszenek a gyémánt felhasználásával, amelyet kevésbé rombol le a lézersugárzás, mint a szilíciumot.
Polaritonok
A Hai Son Nguyen által vezetett csapat 2015-ben bebizonyította, hogy szonikus fekete lyuk hozható létre polaritonok felhasználásával - az anyag furcsa állapotának, kvázirészecskének hívják. Akkor alakul ki, amikor a fotonok kölcsönhatásba lépnek a közeg elemi gerjesztéseivel. Nguyen csoportja polaritonokat hozott létre azzal, hogy egy nagy teljesítményű lézert a gallium-arzén mikroszkopikus üregére fókuszált, ami jó félvezető. Belül a tudósok szándékosan létrehoztak egy kis rést, amely egy helyen kitágította az üreget. Amikor a lézersugár eltalálta ezt a mikrokavitást, megtörtént a polariton-emisszió, amely bevágásként a hibához rohant. De amint ezen gerjesztett részecskék fluxusa elérte a hibát, annak sebessége megváltozott. A részecskék gyorsabban kezdtek mozogni, mint a hangsebesség, jelezve, hogy van horizont,amin túl a hang nem mehet át.
Ezzel a módszerrel Nguyen csapata még nem fedezte fel Hawking sugárzását, de a tudósok úgy vélik, hogy a további kísérletek során a környezetük sűrűségének változásainak mérésével lehetővé válik a mezőt elhagyó részecskék által okozott rezgések detektálása. Más kísérletezők azt javasolják, hogy a polaritonokat lehűtjük egy Bose-Einstein kondenzátumra, amelyet aztán felhasználhatunk a féreglyukak képződésének szimulálására.
Víz
Figyelje a lefolyóban kavargó vizet zuhanyozás közben. Meg fog lepődni, ha megtudja, hogy valami fekete lyukhoz hasonlít. A Nottinghami Egyetem laboratóriumában PhD Silke Weinfurtner fekete lyukakat szimulál a kádban, amikor 2000 literes téglalap alakú tartályt nevez, amelynek középen ferde tölcsér van. A vizet fentről és lentről táplálják be a tartályba, ami szögletes lendületet ad neki, ami örvényt hoz létre a tölcsérben. Ebben a vizes analógban a fény a víz felszínén lévő kis hullámokat helyettesíti. Képzelje el például, hogy követ dobál ebbe a patakba, és figyeli, ahogy a hullámok körökben sugároznak belőle. Minél közelebb kerülnek ezek a hullámok az örvényhez, annál nehezebb a vele ellentétes irányban terjedniük. Valamikor ezek a hullámok teljesen abbahagyják a terjedését,és ez a pont az eseményhorizont analógjának tekinthető. Egy ilyen analóg különösen hasznos furcsa fizikai jelenségek szimulálására, amelyek a forgó fekete lyukak körül fordulnak elő. A Weinfurtner jelenleg vizsgálja ezt a kérdést.
Hangsúlyozza, hogy ez nem kvantum értelemben vett fekete lyuk; ez az analóg szobahőmérsékleten jelenik meg, és csak a mechanika klasszikus megnyilvánulásai figyelhetők meg. "Ez egy piszkos rendszer" - mondja a kutató. "De manipulálhatjuk azt, hogy megmutassuk, hogy rugalmas a változás. Biztosítani akarjuk, hogy ugyanazok a jelenségek forduljanak elő az asztrofizikai rendszerekben is."