Crna rupa je igralište za fiziku. Ovo je mjesto za promatranje i testiranje najbizarnijih i temeljnih ideja i koncepata iz područja fizike. Međutim, danas ne postoji način da se izravno promatraju crne rupe na djelu; te formacije ne emitiraju svjetlost ili X-zrake, što mogu otkriti moderni teleskopi. Srećom, fizičari su u laboratoriju pronašli načine za simulaciju stanja crne rupe i stvaranjem analoga crnih rupa počinju rješavati najnevjerojatnije misterije fizike.
Jeff Steinhauer, istraživač s Odjela za fiziku na Izraelskom tehnološkom institutu, nedavno je privukao pozornost cijele fizičke zajednice objavivši da koristi analog crne rupe kako bi potvrdio teoriju Stephena Hawkinga iz 1974. Ova teorija navodi da crne rupe emitiraju elektromagnetsko zračenje poznato kao Hawkingovo zračenje. Hawking je sugerirao da je ovo zračenje uzrokovano spontanom pojavom para čestica-čestica na horizontu događaja, kako se naziva točka na rubu crne rupe, izvan koje ništa, čak ni svjetlost, ne može pobjeći. Prema Hawkingovoj teoriji, kada jedna od čestica prijeđe horizont događaja i uhvati je crna rupa, druga se baci u svemir. Steinhowerov eksperiment bio je prva demonstracija tih spontanih fluktuacija,koji potvrđuju Hawkingove izračune.
Fizičari upozoravaju da ovaj eksperiment još uvijek ne potvrđuje postojanje Hawkingova zračenja u astronomskim crnim rupama, jer Steinhauerova crna rupa nije baš ono što možemo promatrati u svemiru. Fizički još nije moguće stvoriti moćna gravitacijska polja koja čine crne rupe. Umjesto toga, analogni zvuk koristi zvuk kako bi oponašao sposobnost crne rupe da apsorbira svjetlosne valove.
“Ovaj zvučni val je poput pokušaja plivanja protiv struje rijeke. Ali rijeka teče brže nego što plivate”, kaže Steinhauer. Njegov je tim hladio oblak atoma na gotovo apsolutnu nulu, stvarajući takozvani Bose-Einsteinov kondenzat. Čineći protok plina bržim od brzine zvuka, znanstvenici su stvorili sustav koji zvučni valovi ne mogu napustiti.
Steinhauer je svoja zapažanja objavio početkom kolovoza u članku u časopisu Nature Physics. Njegov eksperiment važan je ne samo zato što je omogućio promatranje Hawkingova zračenja. Steinhauer tvrdi da je gledao čestice koje emitira zvučna crna rupa i čestice u njoj "kako se zapliću". To znači da dvije čestice istodobno mogu biti u nekoliko fizikalnih stanja, kao što je energetska razina, te da poznavajući stanje jedne čestice, možemo odmah znati i stanje druge.
Koncept analoga crne rupe 1980-ih je predložio William Unruh, ali u laboratoriju je stvoren tek 2009. godine. Od tada znanstvenici širom svijeta stvaraju analoge crne rupe, a mnogi od njih pokušavaju promatrati Hawkingovo zračenje. Iako je Steinhauer prvi istraživač koji je bio uspješan na ovom polju, analogni sustavi već pomažu fizičarima da testiraju jednadžbe i principe koji se već dugo koriste u tim teorijskim sustavima, ali samo na papiru. Zapravo, glavna nada za analoge crne rupe jest da oni mogu pomoći znanstvenicima da prevladaju jedan od najvećih izazova u fizici: kombinirati gravitaciju s načelima kvantne mehanike koji su u osnovi ponašanja subatomskih čestica, ali još nisu kompatibilni sa zakonima. gravitacija.
Iako su korištene metode vrlo različite, princip je jednak za svaki analog crne rupe. Svaka ima točku koju, poput horizonta događaja, ne može preći nijedan val koji se koristi umjesto svjetlosti, jer je potrebna brzina previsoka. Evo nekoliko načina na koje znanstvenici simuliraju crne rupe u laboratoriju.
Promotivni video:
Staklo
2010. godine grupa fizičara sa Sveučilišta u Milanu našla se u znanstvenoj zajednici, tvrdeći da su promatrali Hawkingovo zračenje iz analoga crne rupe koji je stvoren pomoću snažnih laserskih impulsa usmjerenih na silicijevo staklo. Iako je tvrdnja znanstvenika dovedena u pitanje (fizičar William Unruh rekao je da je zračenje koje su primijetili puno intenzivnije od izračunatog Hawkingova zračenja i da ide u pogrešnom smjeru), analog koji su stvorili i dalje je vrlo zanimljiva metoda za modeliranje horizonta događaja.
Ova metoda djeluje na sljedeći način. Prvi impuls primijenjen na kvarcno staklo dovoljno je jak da promijeni indeks loma (brzinu kojom svjetlost ulazi u tvar) unutar stakla. Kad drugi impuls pogodi staklo, zbog promjene indeksa loma, on se usporava do kraja, stvarajući "horizont" iza kojeg svjetlost ne može prodrijeti. Ova vrsta sustava suprotna je crnoj rupi, iz koje svjetlost ne može pobjeći, pa je stoga nazvana "bijelom rupom". Ali kao što Stephen Hawking kaže, bijele i crne rupe u osnovi su ista stvar, što znači da moraju pokazivati ista kvantna svojstva.
Druga istraživačka skupina 2008. godine pokazala je da se bijela rupa može stvoriti na sličan način pomoću optičkih vlakana. U daljnjim eksperimentima radi se na stvaranju istog horizonta događaja pomoću dijamanta koji je manje uništen laserskim zračenjem od silicija.
Polaritoni
Tim koji je vodio Hai Son Nguyen pokazao je 2015. da se zvučna crna rupa može stvoriti pomoću polaritona - čudnog stanja materije zvanog kvazičestica. Nastaje kad fotoni stupe u interakciju s elementarnim pobuđenjima medija. Nguyenova skupina stvorila je polaritone fokusirajući laser velike snage na mikroskopsku šupljinu galijevog arsenida, što je dobar poluvodič. Unutar njega znanstvenici su namjerno stvorili mali urez koji je šupljinu proširio na jednom mjestu. Kad je laserska zraka udarila u ovu mikrošupljinu, emitirani su polaritoni koji su u obliku zareza navalili na defekt. Ali čim je tok ovih pobuđenih čestica dosegao defekt, njegova se brzina promijenila. Čestice su se počele kretati brže od brzine zvuka, što ukazuje da postoji horizont,izvan koje zvuk ne može ići.
Koristeći ovu metodu, Nguyenov tim još nije otkrio Hawkingovo zračenje, ali znanstvenici sugeriraju da će tijekom daljnjih eksperimenata biti moguće otkriti oscilacije uzrokovane česticama koje napuštaju polje mjerenjem promjena u gustoći njihove okoline. Drugi eksperimentatori predlažu hlađenje polaritona do Bose-Einsteinovog kondenzata, koji se zatim može koristiti za simulaciju stvaranja crvotočina.
Voda
Gledajte kako se voda kovitla u odvodu dok se tuširate. Iznenadit ćete se kad saznate da gledate nešto poput crne rupe. U laboratoriju Sveučilišta u Nottinghamu dr. Silke Weinfurtner simulira crne rupe u kadi, jer naziva pravokutni spremnik od 2000 litara sa zakošenim lijevkom u sredini. Voda se u spremnik dovodi odozgo i odozdo, što joj daje kutni zamah, što stvara vrtlog u lijevku. U ovom vodenom analogu svjetlost zamjenjuje male valove na površini vode. Zamislite, na primjer, da bacate kamen u ovaj potok i gledate kako valovi iz njega kruže u krugovima. Što se ti valovi približavaju vrtlogu, to im je teže širiti se u suprotnom smjeru od njega. U nekom se trenutku ti valovi prestanu širiti,i ova se točka može smatrati analogom horizonta događaja. Takav analog posebno je koristan kada simulira neobične fizičke pojave koje se događaju oko rotirajućih crnih rupa. Weinfurtner trenutno istražuje ovo pitanje.
Naglašava da ovo nije crna rupa u kvantnom smislu; ovaj se analog pojavljuje na sobnoj temperaturi i mogu se promatrati samo klasične manifestacije mehanike. „To je prljav sustav", kaže istraživač. „Ali njime možemo manipulirati kako bismo pokazali da je otporan na promjene. Želimo biti sigurni da se isti fenomeni događaju u astrofizičkim sustavima."
