Et sort hul er en fysiklegeplads. Dette er stedet at observere og teste de mest bizarre og grundlæggende ideer og koncepter fra fysikens felt. Men i dag er der ingen måde at direkte observere sorte huller i aktion; disse formationer udsender ikke lys eller røntgenstråler, som kan detekteres af moderne teleskoper. Heldigvis har fysikere fundet måder til at simulere forholdene for et sort hul i laboratoriet, og ved at skabe analoger til sorte huller begynder de at løse fysikens mest fantastiske mysterier.
Jeff Steinhauer, en forsker ved Institut for Fysik ved Israel Institute of Technology, tiltrak for nylig opmærksomheden fra hele fysiksamfundet ved at meddele, at han brugte en analog af et sort hul til at validere Stephen Hawkings teori fra 1974. Denne teori siger, at sorte huller udsender elektromagnetisk stråling kendt som Hawking-stråling. Hawking foreslog, at denne stråling er forårsaget af det spontane udseende af et partikel-antipartikelpar i begivenhedshorisonten, som punktet ved kanten af et sort hul kaldes, ud over hvilket intet, ikke engang lys, kan undslippe. Ifølge Hawkings teori, når den ene af partiklerne krydser begivenhedshorisonten og fanges af et sort hul, kastes den anden ud i rummet. Steinhowers eksperiment var den første demonstration af disse spontane udsving,som bekræfter Hawkings beregninger.
Fysikere advarer om, at dette eksperiment stadig ikke bekræfter eksistensen af Hawking-stråling i astronomiske sorte huller, da det sorte hul fra Steinhauer ikke nøjagtigt er det, vi kan observere i rummet. Fysisk er det endnu ikke muligt at skabe kraftige gravitationsfelter, der danner sorte huller. I stedet bruger analogen lyd til at efterligne et sort huls evne til at absorbere lysbølger.
”Denne lydbølge er som at prøve at svømme mod strømmen af en flod. Men floden flyder hurtigere, end du svømmer,”siger Steinhauer. Hans hold afkølede skyen af atomer til næsten absolut nul og skabte det såkaldte Bose-Einstein-kondensat. Ved at få gas til at strømme hurtigere end lydens hastighed har forskere skabt et system, som lydbølger ikke kan forlade.
Steinhauer offentliggjorde sine observationer i begyndelsen af august i en artikel i tidsskriftet Nature Physics. Hans eksperiment er ikke kun vigtigt, fordi han gjorde det muligt at observere Hawking-stråling. Steinhauer hævder, at han så partiklerne udsendt af det soniske sorte hul og partiklerne inde i det "vikles sammen." Dette betyder, at to partikler på samme tid kan være i flere fysiske tilstande, såsom et energiniveau, og at vi kender tilstanden for den ene partikel, kan vi straks kende den anden.
Konceptet med en analog af et sort hul blev foreslået i 1980'erne af William Unruh, men det blev først oprettet under laboratorieforhold i 2009. Siden da har forskere overalt i verden skabt analoger til et sort hul, og mange af dem prøver at observere Hawking-stråling. Selvom Steinhauer var den første forsker, der havde succes på dette front, hjælper analoge systemer allerede fysikere med at teste de ligninger og principper, der længe har været anvendt på disse teoretiske systemer, men kun på papir. Faktisk er hovedhåbet for sorte hulanaloger, at de kan hjælpe forskere med at overvinde en af de største udfordringer inden for fysik: at kombinere tyngdekraften med kvantemekanikens principper, der ligger til grund for opførelsen af subatomære partikler, men som endnu ikke er kompatible med love. tyngdekraft.
Selvom de anvendte metoder er meget forskellige, er princippet det samme for hver analog af et sort hul. Hver har et punkt, der ligesom begivenhedshorisonten ikke kan krydses af nogen bølge, der bruges i stedet for lys, da den krævede hastighed er for høj. Her er nogle af måderne, hvorpå forskere simulerer sorte huller i laboratoriet.
Salgsfremmende video:
Glas
I 2010 skabte en gruppe fysikere fra universitetet i Milano et stænk i det videnskabelige samfund og hævdede, at de observerede Hawking-stråling fra en sorthulanalog, som blev oprettet ved hjælp af kraftige laserimpulser rettet mod silicaglas. Selvom forskernes påstand blev stillet spørgsmålstegn ved (fysikeren William Unruh sagde, at den stråling, de observerede, var meget mere intens end den beregnede Hawking-stråling, og at den gik i den forkerte retning), er den analoge, de skabte, stadig en meget interessant metode til modellering af begivenhedshorisonten.
Denne metode fungerer som følger. Den første impuls rettet mod kvartsglas er stærk nok til at ændre brydningsindekset (den hastighed hvormed lys kommer ind i stoffet) inde i glasset. Når den anden impuls rammer glasset på grund af ændringen i brydningsindekset, sænkes den helt ned og skaber en "horisont" ud over hvilken lys ikke kan trænge ind. Denne slags system er det modsatte af et sort hul, hvorfra lys ikke kan undslippe, og derfor blev det kaldt et "hvidt hul". Men som Stephen Hawking siger, hvide og sorte huller er dybest set den samme ting, hvilket betyder, at de skal udvise de samme kvanteegenskaber.
En anden forskningsgruppe i 2008 viste, at et hvidt hul kan oprettes på en lignende måde ved hjælp af fiberoptik. I yderligere eksperimenter er der arbejde på at skabe den samme begivenhedshorisont ved hjælp af diamant, som er mindre ødelagt af laserstråling end silicium.
Polaritoner
Et hold ledet af Hai Son Nguyen demonstrerede i 2015, at et sonisk sort hul kan oprettes ved hjælp af polaritoner - en underlig tilstand af materie kaldet en quasiparticle. Det dannes, når fotoner interagerer med elementære excitationer af mediet. Nguyens gruppe skabte polaritoner ved at fokusere en laser med høj effekt på et mikroskopisk hulrum af galliumarsenid, som er en god halvleder. Inde i det skabte forskere bevidst et lille hak, der udvidede hulrummet ét sted. Da laserstrålen ramte denne mikrokapacitet, fandt emissionen af polaritoner sted, som skyndte sig til defekten i form af et hak. Men så snart strømmen af disse ophidsede partikler nåede defekten, ændrede dens hastighed sig. Partiklerne begyndte at bevæge sig hurtigere end lydens hastighed, hvilket indikerer, at der var en horisont,ud over hvilken lyden ikke kan gå.
Ved hjælp af denne metode har Nguyens team endnu ikke opdaget Hawking-stråling, men forskere foreslår, at det i løbet af yderligere eksperimenter vil være muligt at opdage svingninger forårsaget af partikler, der forlader marken ved at måle ændringer i dens omgivelsestæthed. Andre eksperimenter foreslår afkøling af polaritoner til et Bose-Einstein-kondensat, som derefter kan bruges til at simulere dannelsen af ormehuller.
Vand
Se vandet hvirvle ned i afløbet, mens du bruser. Du vil blive overrasket over at vide, at du ser på noget som et sort hul. I et laboratorium ved University of Nottingham simulerer ph.d. Silke Weinfurtner sorte huller i et badekar, da hun kalder en 2.000 liters rektangulær tank med en skrå tragt i midten. Vand ledes ind i tanken ovenfra og nedenfra, hvilket giver den et vinkelmoment, der skaber en hvirvel i tragten. I denne vandige analog erstatter lys små krusninger på vandoverfladen. Forestil dig for eksempel, at du smider en sten i denne strøm og ser bølgerne stråle fra den i cirkler. Jo tættere disse bølger kommer til boblebadet, jo sværere er det for dem at forplante sig i den modsatte retning fra det. På et tidspunkt holder disse bølger op med at sprede sig helt,og dette punkt kan betragtes som en analog af begivenhedshorisonten. En sådan analog er især nyttig til modellering af underlige fysiske fænomener, der opstår omkring roterende sorte huller. Weinfurtner undersøger i øjeblikket dette problem.
Hun understreger, at dette ikke er et sort hul i kvanteforstand; denne analog vises ved stuetemperatur, og kun klassiske manifestationer af mekanik kan observeres.”Det er et beskidt system," siger forskeren. „Men vi kan manipulere det for at vise, at det er modstandsdygtigt over for ændringer. Vi ønsker at sikre, at de samme fænomener forekommer i astrofysiske systemer."