Črna luknja je igrišče za fiziko. Tu lahko opazujemo in preizkušamo najbolj bizarne in temeljne ideje in koncepte s področja fizike. Vendar danes ni mogoče neposredno opazovati črnih lukenj v akciji; te formacije ne oddajajo svetlobe ali rentgenskih žarkov, kar lahko zaznajo sodobni teleskopi. Na srečo so fiziki v laboratoriju našli načine za simulacijo pogojev črne luknje in z ustvarjanjem analogov črnih lukenj začenjajo reševati najbolj neverjetne skrivnosti fizike.
Jeff Steinhauer, raziskovalec na Oddelku za fiziko na Izraelskem tehnološkem inštitutu, je pred kratkim pritegnil pozornost celotne fizične skupnosti z napovedjo, da uporablja analog črne luknje za potrditev teorije Stephena Hawkinga iz leta 1974. Ta teorija navaja, da črne luknje oddajajo elektromagnetno sevanje, znano kot Hawkingovo sevanje. Hawking je predlagal, da to sevanje povzroča spontani pojav para delcev-delcev na obzorju dogodkov, kot se imenuje točka na robu črne luknje, čez katero ne more uiti nič, niti svetloba. Po Hawkingovi teoriji, ko eden od delcev prečka obzorje dogodkov in ga zajame črna luknja, drugega vrže v vesolje. Steinhowerjev poskus je bil prvi prikaz teh spontanih nihanj,ki potrjujejo Hawkingove izračune.
Fiziki opozarjajo, da ta poskus še vedno ne potrjuje obstoja Hawkingovega sevanja v astronomskih črnih luknjah, saj Steinhauerjeva črna luknja ni ravno tisto, kar lahko opazimo v vesolju. Fizično še ni mogoče ustvariti močnih gravitacijskih polj, ki tvorijo črne luknje. Namesto tega analog uporablja zvok, da posnema sposobnost črne luknje, da absorbira svetlobne valove.
»Ta zvočni val je kot poskus splavanja proti toku reke. A reka teče hitreje, kot vi plavate, «pravi Steinhauer. Njegova ekipa je oblak atomov ohladila na skoraj absolutno ničlo in ustvarila tako imenovani Bose-Einsteinov kondenzat. Z omogočanjem pretoka plina hitreje od hitrosti zvoka so znanstveniki ustvarili sistem, ki ga zvočni valovi ne morejo zapustiti.
Steinhauer je svoja opažanja objavil v začetku avgusta v članku v reviji Nature Physics. Njegov poskus ni pomemben samo zato, ker je omogočil opazovanje Hawkingovega sevanja. Steinhauer trdi, da je gledal delce, ki jih oddaja zvočna črna luknja, in delce v njej, da se "zapletajo". To pomeni, da sta lahko dva delca hkrati v več fizikalnih stanjih, kot je na primer energijska raven, in da poznamo stanje enega delca, lahko takoj poznamo stanje drugega.
Koncept analoga črne luknje je v osemdesetih letih prejšnjega stoletja predlagal William Unruh, vendar je bil v laboratorijskih pogojih ustvarjen šele leta 2009. Od takrat znanstveniki po vsem svetu ustvarjajo analoge črne luknje in mnogi med njimi poskušajo opazovati Hawkingovo sevanje. Čeprav je bil Steinhauer prvi raziskovalec, ki je bil na tem področju uspešen, analogni sistemi fizikom že pomagajo preizkusiti enačbe in principe, ki se že dolgo uporabljajo za te teoretične sisteme, vendar le na papirju. Pravzaprav je glavno upanje za analoge črne luknje, da lahko znanstvenikom pomagajo premagati enega največjih izzivov v fiziki: združiti gravitacijo z načeli kvantne mehanike, ki so osnova obnašanja subatomskih delcev, vendar še niso združljivi z zakoni. gravitacija.
Čeprav so uporabljene metode zelo različne, je načelo enako za vsak analog črne luknje. Vsak ima točko, ki je, tako kot obzorja dogodkov, ne more prečkati noben val, ki se uporablja namesto svetlobe, saj je potrebna hitrost previsoka. Tu je nekaj načinov, kako znanstveniki v laboratoriju simulirajo črne luknje.
Promocijski video:
Steklo
Leta 2010 je skupina fizikov z univerze v Milanu razburila znanstveno skupnost in trdila, da je opazovala Hawkingovo sevanje iz analoga črne luknje, ki je bil ustvarjen z močnimi laserskimi impulzi, usmerjenimi v kremenčevo steklo. Čeprav je bila trditev znanstvenikov vprašljiva (fizik William Unruh je dejal, da je bilo sevanje, ki so ga opazili, veliko bolj intenzivno kot izračunano Hawkingovo sevanje in da je šlo v napačno smer), je analog, ki so ga ustvarili, še vedno zelo zanimiva metoda za modeliranje obzorja dogodkov.
Ta metoda deluje na naslednji način. Prvi impulz, ki ga dobimo na kremenčevem steklu, je dovolj močan, da spremeni lomni količnik (hitrost vstopa svetlobe v snov) znotraj stekla. Ko drugi impulz zadene steklo, se zaradi spremembe lomnega količnika popolnoma ustavi in ustvari "obzorje", čez katerega svetloba ne more prodreti. Tovrstni sistem je nasprotje črne luknje, iz katere ne more uiti nobena svetloba, zato so jo imenovali "bela luknja". Toda kot pravi Stephen Hawking, so bele in črne luknje v bistvu enake stvari, kar pomeni, da morajo imeti enake kvantne lastnosti.
Druga raziskovalna skupina leta 2008 je pokazala, da bi lahko na podoben način ustvarili belo luknjo z uporabo optičnih vlaken. V nadaljnjih poskusih poteka delo za ustvarjanje istega obzorja dogodkov z uporabo diamanta, ki ga lasersko sevanje manj uniči kot silicij.
Polaritoni
Skupina, ki jo je vodil Hai Son Nguyen, je leta 2015 dokazala, da je mogoče s polaritoni ustvariti zvočno črno luknjo - čudno stanje snovi, imenovano kvazi delček. Nastane, ko fotoni sodelujejo z osnovnimi vzbujanjem medija. Nguyenova skupina je ustvarila polaritone tako, da je močan laser fokusirala na mikroskopsko votlino galijevega arzenida, ki je dober polprevodnik. V njej so znanstveniki namerno ustvarili majhno zarezo, ki je na enem mestu razširila votlino. Ko je laserski žarek zadel to mikro votlino, je prišlo do emisije polaritonov, ki so v obliki zareze naleteli na napako. Toda takoj ko je tok teh vzburjenih delcev dosegel napako, se je njegova hitrost spremenila. Delci so se začeli premikati hitreje od hitrosti zvoka, kar kaže na obzorje,preko katere zvok ne more iti.
Nguyenova ekipa s to metodo še ni zaznala Hawkingovega sevanja, vendar znanstveniki predlagajo, da bo med nadaljnjimi poskusi mogoče z merjenjem sprememb gostote njihovega okolja zaznati nihanja, ki jih povzročajo delci, ki zapustijo polje. Drugi eksperimentatorji predlagajo hlajenje polaritonov do Bose-Einsteinovega kondenzata, ki ga nato lahko uporabimo za simulacijo nastajanja črvotočin.
Voda
Pazite, kako se voda tušira po odtoku. Presenečeni boste, ko boste vedeli, da gledate na nekaj podobnega črni luknji. V laboratoriju na univerzi v Nottinghamu dr. Silke Weinfurtner simulira črne luknje v kadi, saj imenuje 2000-litrski pravokotni rezervoar z zarezanim lijakom v sredini. Voda se v rezervoar dovaja od zgoraj in spodaj, kar ji daje kotni zagon, ki ustvari vrtinec v liju. V tem vodnem analogu svetloba nadomešča majhne valove na površini vode. Predstavljajte si na primer, da mečete kamen v ta potok in v krogih opazujete valove, ki iz njega sevajo. Bolj ko se ti valovi približajo vrtincu, težje se širijo v nasprotni smeri od njega. V nekem trenutku se ti valovi prenehajo širiti,in to točko lahko štejemo za analogni horizont dogodkov. Tak analog je še posebej koristen za simulacijo nenavadnih fizikalnih pojavov, ki se pojavljajo okoli vrtečih se črnih lukenj. Weinfurtner trenutno preiskuje to težavo.
Poudarja, da v kvantnem smislu to ni črna luknja; ta analog se pojavi pri sobni temperaturi in opazimo lahko le klasične manifestacije mehanike. „To je umazan sistem," pravi raziskovalec. „Toda z njim lahko manipuliramo, da pokažemo, da je odporen na spremembe. Želimo zagotoviti, da se v astrofizičnih sistemih pojavljajo enaki pojavi."