Dr Stephen Hawking przedstawił niepokojącą teorię w 1974 roku, w której twierdzono, że czarne dziury wyparowują. Teraz, 40 lat później, badacz ogłosił stworzenie symulacji promieniowania Hawkinga w warunkach laboratoryjnych.
Możliwość czarnej dziury wynikała z teorii ogólnej teorii względności Einsteina. Karl Schwarzchild w 1916 roku jako pierwszy zdał sobie sprawę z możliwości osobliwości grawitacyjnej z otaczającą ją granicą, przy której nie może ujść światło lub materia.
W tym miesiącu Jeff Steinhauer z Technion - Israel Institute of Technology, w swoim artykule „Obserwacja samowzmacniającego się promieniowania Hawkinga w analogowym laserze z czarną dziurą” w czasopiśmie Nature, w jaki sposób stworzył analogowy horyzont zdarzeń za pomocą substancji schłodzony prawie do zera absolutnego i za pomocą laserów udało się wykryć emisję promieniowania Hawkinga. Czy może to być pierwszy ważny dowód na istnienie promieniowania Hawkinga, a tym samym przypieczętować los wszystkich czarnych dziur?
To nie jest pierwsza próba stworzenia analogu promieniowania Hawkinga w laboratorium. W 2010 r. Utworzono analog z bloku szkła, lasera, luster i detektora chłodzącego (Phys. Rev. Letter, wrzesień 2010 r.); lusterom nie towarzyszył dym. Ultra krótki impuls intensywnego światła laserowego przechodzącego przez szkło indukował zaburzenie współczynnika załamania światła (RIP), który funkcjonował jako horyzont zdarzeń. Widziano światło emitujące z ODP. Niemniej jednak wyniki F. Belgiorno i in. pozostają kontrowersyjne. Dalsze eksperymenty były nadal uzasadnione.
Ostatnia próba replikacji promieniowania Hawkinga przez Steinhauera opiera się na bardziej zaawansowanym technologicznie podejściu. Tworzy kondensat Bosego-Einsteina, egzotyczny stan materii w temperaturze bardzo zbliżonej do zera absolutnego. Granice utworzone w kondensacie funkcjonowały jako horyzont zdarzeń. Zanim przejdziemy do dalszych szczegółów, cofnijmy się i zastanówmy, co Steinhauer i inni próbują powielić.
Przepis na wytwarzanie promieniowania Hawking zaczyna się od czarnej dziury. Wystarczy czarna dziura o dowolnym rozmiarze. Teoria Hawkinga głosi, że mniejsze czarne dziury będą szybciej promieniować niż większe, a przy braku wpadającej do nich materii - akrecja, „wyparuje” znacznie szybciej. Gigantyczne czarne dziury mogą wyparować ponad milion razy w porównaniu z obecnym wiekiem Wszechświata, aby wyparować za pomocą promieniowania Hawkinga. Podobnie jak opona z powolnym wyciekiem, większość czarnych dziur doprowadziłaby cię do najbliższej stacji naprawczej.
Więc masz czarną dziurę. Ma horyzont zdarzeń. Ten horyzont jest również znany jako promień Schwarzchilda; światło lub materia sprawdzające się na horyzoncie zdarzenia nigdy nie mogą się sprawdzić. Przynajmniej takie było zaakceptowane zrozumienie, dopóki teoria doktora Hawkinga nie potwierdziła tego. A poza horyzontem wydarzeń jest zwykła przestrzeń z pewnymi zastrzeżeniami; rozważ to z dodanymi przyprawami. Na horyzoncie zdarzeń siła grawitacji z czarnej dziury jest tak ekstremalna, że indukuje i powiększa efekty kwantowe.
Cała przestrzeń - w nas i otaczająca nas do krańców Wszechświata zawiera próżnię kwantową. Wszędzie w próżni kwantowej przestrzeni pojawiają się i znikają wirtualne pary cząstek; natychmiast unicestwiają się nawzajem w bardzo krótkim czasie. W ekstremalnych warunkach na horyzoncie zdarzeń materializują się wirtualne pary cząsteczek i antycząstek, takie jak elektron i pozyton. Te, które pojawiają się wystarczająco blisko horyzontu zdarzeń, mogą spowodować, że jedna lub druga wirtualna cząstka zostanie pochwycona przez grawitację czarnych dziur, pozostawiając tylko jedną cząsteczkę, która w konsekwencji może teraz dodawać do promieniowania emitowanego wokół czarnej dziury; promieniowanie, które jako całość jest w stanie wykorzystać astronomowie do wykrycia obecności czarnej dziury, ale nie obserwując jej bezpośrednio. To jest niesparowanie wirtualnych cząstek przez czarną dziurę w jej horyzoncie zdarzeń, który powoduje promieniowanie Hawkinga, które samo w sobie stanowi utratę masy netto z czarnej dziury.
Dlaczego więc astronomowie nie szukają w kosmosie promieniowania Hawkinga? Problem polega na tym, że promieniowanie jest bardzo słabe i jest przytłoczone promieniowaniem wytwarzanym przez wiele innych procesów fizycznych otaczających czarną dziurę dyskiem akrecyjnym. Promieniowanie zagłusza chór procesów energetycznych. Zatem najbardziej bezpośrednią możliwością jest odtworzenie promieniowania Hawkinga za pomocą analogu. Podczas gdy promieniowanie Hawkinga jest słabe w porównaniu z masą i energią czarnej dziury, promieniowanie ma zasadniczo cały czas we Wszechświecie, aby odpryskiwać swoje ciało macierzyste.
To tutaj konwergencja rosnącego zrozumienia czarnych dziur doprowadziła do przełomowej pracy dr Hawkinga. Teoretycy, w tym Hawking, zdali sobie sprawę, że pomimo teorii kwantowej i grawitacyjnej, która jest konieczna do opisania czarnej dziury, czarne dziury zachowują się jak czarne ciała. Są rządzone termodynamiką i są niewolnikami entropii. Wytwarzanie promieniowania Hawkinga można scharakteryzować jako proces termodynamiczny i właśnie to prowadzi nas z powrotem do eksperymentalistów. W celu odtworzenia emisji tego rodzaju promieniowania można zastosować inne procesy termodynamiczne.
Za pomocą kondensatu Bosego-Einsteina w naczyniu Steinhauer skierował wiązki laserowe do delikatnego kondensatu, aby stworzyć horyzont zdarzeń. Co więcej, jego eksperyment tworzy fale dźwiękowe, które zostają uwięzione między dwiema granicami, które określają horyzont zdarzeń. Steinhauer odkrył, że fale dźwiękowe w jego analogowym horyzoncie zdarzeń zostały wzmocnione, tak jak dzieje się to ze światłem we wspólnej wnęce laserowej, ale również zgodnie z przewidywaniami teorii czarnych dziur dr Hawkinga. Światło ucieka z lasera obecnego na horyzoncie zdarzeń analogowych. Steinhauer wyjaśnia, że to uciekające światło reprezentuje długo poszukiwane promieniowanie Hawkinga.
Publikacja tej pracy w Nature przeszła znaczną wzajemną ocenę, która została zaakceptowana, ale to samo nie potwierdza jego ustaleń. Prace Steinhauera będą teraz jeszcze bardziej uważne. Inni spróbują powielić jego pracę. Jego konfiguracja laboratoryjna jest analogiczna i pozostaje do zweryfikowania, że to, co obserwuje, naprawdę reprezentuje promieniowanie Hawkinga.
Bibliografia:
„Obserwacja samowzmacniającego się promieniowania Hawkinga w analogowym laserze z czarną dziurą”, Nature Physics, 12 października 2014
„Hawking Radiation from Ultrashort Laser Pulse Filaments”, F. Belgiorno i in., Phys. List, wrzesień 2010 r
„Wybuchy czarnej dziury?”, S. W. Hawking i in., Nature, 01 marca 1974 r
„The Quantum Mechanics of Black Holes”, S. Hawking, Scientific American, styczeń 1977
