Ett svart hål är en fysiklekplats. Det här är platsen att observera och testa de mest bisarra och grundläggande idéerna och begreppen från fysikens område. Men idag finns det inget sätt att direkt observera svarta hål i aktion; dessa formationer avger inte ljus eller röntgenstrålar, vilket kan upptäckas av moderna teleskop. Lyckligtvis har fysiker hittat sätt att simulera förhållandena för ett svart hål i laboratoriet, och genom att skapa analoger av svarta hål börjar de lösa fysikens mest fantastiska mysterier.
Jeff Steinhauer, forskare vid Institutionen för fysik vid Israel Institute of Technology, lockade nyligen hela fysikgemenskapens uppmärksamhet genom att meddela att han använde en analog av ett svart hål för att bekräfta Stephen Hawkings teori från 1974. Denna teori säger att svarta hål avger elektromagnetisk strålning som kallas Hawking-strålning. Hawking föreslog att denna strålning orsakas av det spontana utseendet på ett partikel-antipartikelpar vid händelsehorisonten, som punkten vid kanten av ett svart hål kallas, bortom vilken ingenting, inte ens ljus, kan fly. Enligt Hawkings teori kastas den andra ut i rymden när en av partiklarna passerar händelsehorisonten och fångas av ett svart hål. Steinhowers experiment var den första demonstrationen av dessa spontana fluktuationer,som bekräftar Hawkings beräkningar.
Fysiker varnar för att detta experiment fortfarande inte bekräftar förekomsten av Hawking-strålning i astronomiska svarta hål, eftersom det svarta hålet från Steinhauer inte är exakt vad vi kan observera i rymden. Fysiskt är det ännu inte möjligt att skapa kraftfulla gravitationsfält som bildar svarta hål. Istället använder analogen ljud för att efterlikna förmågan hos ett svart hål att absorbera ljusvågor.
”Denna ljudvåg är som att försöka simma mot en flods ström. Men floden flyter snabbare än du simmar, säger Steinhauer. Hans team svalnade atommolnet till nästan absolut noll, vilket skapade det så kallade Bose-Einstein-kondensatet. Genom att få gasen att flyta snabbare än ljudets hastighet har forskare skapat ett system som ljudvågor inte kan lämna.
Steinhauer publicerade sina iakttagelser i början av augusti i en artikel i tidskriften Nature Physics. Hans experiment är viktigt inte bara för att han gjorde det möjligt att observera Hawking-strålning. Steinhauer hävdar att han såg partiklarna som avges av det soniska svarta hålet och partiklarna inuti det "trasslas in." Detta innebär att två partiklar samtidigt kan vara i flera fysiska tillstånd, såsom en energinivå, och att vi känner till tillståndet för en partikel, omedelbart kan vi känna till den andra.
Konceptet med en svart hålanalog föreslogs på 1980-talet av William Unruh, men det skapades inte i laboratoriet förrän 2009. Sedan dess har forskare runt om i världen skapat analoger till ett svart hål, och många av dem försöker observera Hawking-strålning. Även om Steinhauer var den första forskaren som lyckades på denna front, hjälper analoga system redan fysiker att testa de ekvationer och principer som länge tillämpats på dessa teoretiska system, men bara på papper. Faktum är att huvudhoppet för svarta hålanaloger är att de kan hjälpa forskare att övervinna en av de största utmaningarna inom fysik: att kombinera gravitation med principerna för kvantmekanik som ligger till grund för beteendet hos subatomära partiklar, men som ännu inte är kompatibla med lagar. allvar.
Även om metoderna som används är väldigt olika är principen densamma för varje analog av ett svart hål. Var och en har en punkt som, precis som händelsehorisonten, inte kan korsas av någon våg som används istället för ljus, eftersom den erforderliga hastigheten är för hög. Här är några av de sätt på vilka forskare simulerar svarta hål i laboratoriet.
Kampanjvideo:
Glas
Under 2010 gjorde en grupp fysiker från universitetet i Milano ett stänk i det vetenskapliga samfundet och hävdade att de observerade Hawking-strålning från en svarthålsanalog, som skapades med kraftfulla laserpulser riktade mot kiseldioxidglas. Även om forskarnas påstående ifrågasattes (fysikern William Unruh sa att strålningen de märkte är mycket mer intensiv än den beräknade Hawking-strålningen och att den går i fel riktning), är deras analoga fortfarande en mycket intressant metod för att modellera händelsehorisonten.
Denna metod fungerar enligt följande. Den första impulsen som appliceras på kvartsglaset är tillräckligt stark för att ändra brytningsindex (den hastighet med vilken ljus kommer in i ämnet) inuti glaset. När den andra impulsen träffar glaset, på grund av förändringen i brytningsindex, saktar den ner till ett helt stopp och skapar en "horisont" bortom vilken ljus inte kan tränga igenom. Denna typ av system är motsatsen till ett svart hål, från vilket inget ljus kan fly, och därför kallades det ett "vitt hål". Men som Stephen Hawking säger är vita och svarta hål i princip samma sak, vilket innebär att de måste uppvisa samma kvantegenskaper.
En annan forskargrupp 2008 visade att ett vitt hål kan skapas på liknande sätt med hjälp av fiberoptik. I ytterligare experiment pågår arbete för att skapa samma händelsehorisont med diamant, som förstörs mindre av laserstrålning än kisel.
Polaritoner
Ett team under ledning av Hai Son Nguyen demonstrerade 2015 att ett soniskt svart hål kan skapas med hjälp av polaritoner - ett konstigt tillstånd av materia som kallas en kvasipartikel. Det bildas när fotoner interagerar med elementära excitationer i mediet. Nguyens grupp skapade polaritoner genom att fokusera en högeffektiv laser på ett mikroskopiskt hålrum av galliumarsenid, vilket är en bra halvledare. Inuti det skapade forskare medvetet ett litet hack som utvidgade håligheten på ett ställe. När laserstrålen träffade denna mikrokavitet, skedde utsläpp av polaritoner, som rusade till defekten i form av ett skår. Men så snart flödet av dessa upphetsade partiklar nådde defekten ändrades dess hastighet. Partiklarna började röra sig snabbare än ljudets hastighet, vilket indikerar att det fanns en horisont,bortom vilken ljudet inte kan gå.
Med den här metoden har Nguyens team ännu inte upptäckt Hawking-strålning, men forskare föreslår att det under ytterligare experiment kommer att vara möjligt att upptäcka svängningar orsakade av partiklar som lämnar fältet genom att mäta förändringar i densitet i deras miljö. Andra experimenter föreslår kylning av polaritoner till ett Bose-Einstein-kondensat, som sedan kan användas för att simulera bildandet av maskhål.
Vatten
Se vattnet virvla ner i avloppet när du duschar. Du kommer att bli förvånad över att veta att du tittar på något som ett svart hål. I ett laboratorium vid University of Nottingham simulerar doktor Silke Weinfurtner svarta hål i ett badkar, när hon kallar en 2000 liters rektangulär tank med en avfasad tratt i mitten. Vatten matas in i tanken ovanifrån och under, vilket ger den en vinkelmoment, vilket skapar en virvel i tratten. I denna vattenbaserade analog ersätter ljus små krusningar på vattenytan. Föreställ dig till exempel att du kastar en sten i denna ström och ser vågorna stråla från den i cirklar. Ju närmare dessa vågor kommer till bubbelpoolen, desto svårare är det för dem att föröka sig i motsatt riktning från den. Vid någon tidpunkt slutar dessa vågor att spridas helt,och denna punkt kan betraktas som en analog till händelsehorisonten. En sådan analog är särskilt användbar för modellering av konstiga fysiska fenomen som uppstår runt roterande svarta hål. Weinfurtner undersöker för närvarande denna fråga.
Hon betonar att detta inte är ett svart hål i kvant bemärkelse; denna analog visas vid rumstemperatur, och endast klassiska manifestationer av mekanik kan observeras.”Det är ett smutsigt system", säger forskaren.”Men vi kan manipulera det för att visa att det är motståndskraftigt mot förändring. Vi vill se till att samma fenomen förekommer i astrofysiska system."
