Et svart hull er en fysikklekeplass. Dette er stedet å observere og teste de mest bisarre og grunnleggende ideene og konseptene fra fysikkfeltet. Imidlertid er det i dag ingen måte å direkte observere sorte hull i aksjon; disse formasjonene avgir ikke lys eller røntgenstråler, som kan oppdages av moderne teleskoper. Heldigvis har fysikere funnet måter å simulere forholdene til et svart hull i laboratoriet, og ved å lage analoger av sorte hull begynner de å løse fysikkens mest fantastiske mysterier.
Jeff Steinhauer, forsker ved Institutt for fysikk ved Israel Institute of Technology, tiltro nylig oppmerksomheten til hele fysikksamfunnet ved å kunngjøre at han brukte en analog av et svart hull for å bekrefte Stephen Hawkings teori fra 1974. Denne teorien sier at sorte hull avgir elektromagnetisk stråling kjent som Hawking-stråling. Hawking foreslo at denne strålingen er forårsaket av det spontane utseendet til et partikkel-antipartikkelpar ved begivenhetshorisonten, som punktet ved kanten av et svart hull kalles, utover noe ingenting, ikke engang lys, kan unnslippe. I følge Hawkings teori, når en av partiklene krysser begivenhetshorisonten og blir fanget opp av et svart hull, kastes den andre ut i rommet. Steinhowers eksperiment var den første demonstrasjonen av de spontane svingningene,som bekrefter Hawkings beregninger.
Fysikere advarer om at dette eksperimentet fortsatt ikke bekrefter eksistensen av Hawking-stråling i astronomiske sorte hull, siden Steinhauers sorte hull ikke er helt det vi kan observere i verdensrommet. Fysisk er det ennå ikke mulig å lage kraftige gravitasjonsfelt som danner sorte hull. I stedet bruker analogen lyd for å etterligne evnen til et svart hull til å absorbere lysbølger.
“Denne lydbølgen er som å prøve å svømme mot strømmen til en elv. Men elva flyter raskere enn du svømmer, sier Steinhauer. Teamet hans avkjølte atomskyen til nesten absolutt null, og skapte det såkalte Bose-Einstein-kondensatet. Ved å få gass til å strømme raskere enn lydhastigheten, har forskere opprettet et system som lydbølger ikke kan forlate.
Steinhauer publiserte sine observasjoner tidlig i august i en artikkel i tidsskriftet Nature Physics. Eksperimentet hans er viktig ikke bare fordi han gjorde det mulig å observere Hawking-stråling. Steinhauer hevder at han så partiklene som sendes ut av det soniske sorte hullet og partiklene inne i det "vikles inn." Dette betyr at to partikler samtidig kan være i flere fysiske tilstander, for eksempel et energinivå, og at vi kjenner tilstanden til den ene partikkelen, umiddelbart kan vite tilstanden til den andre.
Konseptet med en analog av et svart hull ble foreslått på 1980-tallet av William Unruh, men det ble ikke opprettet under laboratorieforhold før i 2009. Siden den gang har forskere over hele verden laget analoger av et svart hull, og mange av dem prøver å observere Hawking-stråling. Selv om Steinhauer var den første forskeren som hadde suksess på denne fronten, hjelper analoge systemer allerede fysikere med å teste ligningene og prinsippene som lenge har blitt brukt på disse teoretiske systemene, men bare på papir. Faktisk er hovedhåpet for sorte hullanaloger at de kan hjelpe forskere med å overvinne en av de største utfordringene innen fysikk: å kombinere tyngdekraften med kvantemekanikkens prinsipper som ligger til grunn for oppførselen til subatomære partikler, men som ennå ikke er kompatible med lover. tyngdekraften.
Selv om metodene som brukes er veldig forskjellige, er prinsippet det samme for hver analog av et svart hull. Hver har et punkt, som, i likhet med begivenhetshorisonten, ikke kan krysses av noen bølge som brukes i stedet for lys, siden den nødvendige hastigheten er for høy. Her er noen av måtene forskere simulerer sorte hull i laboratoriet.
Kampanjevideo:
Glass
I 2010 gjorde en gruppe fysikere fra Universitetet i Milano et sprut i det vitenskapelige samfunnet og hevdet at de observerte Hawking-stråling fra en svart hullanalog, som ble opprettet ved hjelp av kraftige laserpulser rettet mot kiselglass. Selv om forskernes påstand ble stilt spørsmålstegn (fysikeren William Unruh sa at strålingen de la merke til er mye mer intens enn den beregnede Hawking-strålingen, og at den går i feil retning), er analogen de opprettet fortsatt en veldig interessant metode for å modellere begivenhetshorisonten.
Denne metoden fungerer som følger. Den første impulsen rettet mot kvartsglasset er sterk nok til å endre brytningsindeksen (hastigheten lyset kommer inn i stoffet) inne i glasset. Når den andre impulsen treffer glasset, på grunn av endringen i brytningsindeksen, bremser den helt ned og skaper en "horisont" utover hvilken lys ikke kan trenge inn. Denne typen system er det motsatte av et svart hull, hvorfra lys ikke kan unnslippe, og derfor ble det kalt et "hvitt hull". Men som Stephen Hawking sier, hvite og svarte hull er i utgangspunktet den samme tingen, noe som betyr at de må ha de samme kvanteegenskapene.
En annen forskningsgruppe i 2008 viste at et hvitt hull kunne opprettes på samme måte ved hjelp av fiberoptikk. I ytterligere eksperimenter er det i gang med å lage den samme begivenhetshorisonten ved hjelp av diamant, som er mindre ødelagt av laserstråling enn silisium.
Polaritons
Et team ledet av Hai Son Nguyen demonstrerte i 2015 at et sonisk svart hull kan opprettes ved hjelp av polaritoner - en merkelig tilstand av saken som kalles en kvasepartikkel. Den dannes når fotoner samhandler med elementære eksitasjoner i mediet. Nguyens gruppe opprettet polaritoner ved å fokusere en kraftig laser på et mikroskopisk hulrom av galliumarsenid, som er en god halvleder. Inni det skapte forskere bevisst et lite hakk som utvidet hulrommet på ett sted. Da laserstrålen traff denne mikrohulen, skjedde utslipp av polaritoner, som stormet til feilen i form av et hakk. Men så snart strømmen av disse eksiterte partiklene nådde feilen, endret dens hastighet. Partiklene begynte å bevege seg raskere enn lydens hastighet, noe som indikerer at det var en horisont,utover som ikke lyden kan gå.
Ved hjelp av denne metoden har Nguyens team ennå ikke oppdaget Hawking-stråling, men forskere mener at det i løpet av ytterligere eksperimenter vil være mulig å oppdage svingninger forårsaket av partikler som forlater feltet ved å måle endringer i tettheten i omgivelsene. Andre eksperimenter foreslår avkjøling av polaritoner til et Bose-Einstein-kondensat, som deretter kan brukes til å simulere dannelsen av ormehull.
Vann
Se vannet virvle ned i avløpet mens du dusjer. Du vil bli overrasket over å vite at du ser på noe som et svart hull. I et laboratorium ved University of Nottingham simulerer PhD Silke Weinfurtner sorte hull i et badekar, mens hun kaller en 2000 liters rektangulær tank med en skrå trakt i midten. Vann føres inn i tanken ovenfra og nedenfra, noe som gir den et vinkelmoment, som skaper en virvel i trakten. I denne vandige analogen erstatter lys små krusninger på vannoverflaten. Tenk deg for eksempel at du kaster en stein i denne strømmen og ser på bølgene som stråler fra den i sirkler. Jo nærmere disse bølgene kommer til boblebadet, jo vanskeligere er det for dem å forplante seg i motsatt retning fra det. På et eller annet tidspunkt slutter disse bølgene å spre seg helt,og dette punktet kan betraktes som en analog av begivenhetshorisonten. En slik analog er spesielt nyttig når man simulerer rare fysiske fenomener som oppstår rundt roterende sorte hull. Weinfurtner undersøker for øyeblikket dette problemet.
Hun understreker at dette ikke er et svart hull i kvanteforstand; denne analogen vises ved romtemperatur, og bare klassiske manifestasjoner av mekanikk kan observeres. "Det er et skittent system," sier forskeren. "Men vi kan manipulere det for å vise at det er motstandsdyktig mot endring. Vi vil sørge for at de samme fenomenene forekommer i astrofysiske systemer."
