O gaură neagră este un loc de joacă pentru fizică. Acesta este locul pentru a observa și testa cele mai bizare și fundamentale idei și concepte din domeniul fizicii. Cu toate acestea, astăzi nu există nicio modalitate de a observa direct găurile negre în acțiune; aceste formațiuni nu emit lumină sau raze X, care pot fi detectate de telescoapele moderne. Din fericire, fizicienii au găsit modalități de a simula condițiile unei găuri negre în laborator și, creând analogi de găuri negre, încep să rezolve cele mai uimitoare mistere ale fizicii.
Jeff Steinhauer, cercetător în cadrul Departamentului de Fizică al Institutului Tehnologic din Israel, a atras recent atenția întregii comunități de fizică, anunțând că folosește un analog cu gaură neagră pentru a valida teoria lui Stephen Hawking din 1974. Această teorie afirmă că găurile negre emit radiații electromagnetice cunoscute sub numele de radiații Hawking. Hawking a sugerat că această radiație este cauzată de apariția spontană a unei perechi particule-antiparticule la orizontul evenimentelor, așa cum se numește punctul de la marginea unei găuri negre, dincolo de care nu poate scăpa nimic, nici măcar lumina. Conform teoriei lui Hawking, atunci când una dintre particule traversează orizontul evenimentelor și este capturată de o gaură neagră, cealaltă este aruncată în spațiu. Experimentul lui Steinhower a fost prima demonstrație a acestor fluctuații spontane,care confirmă calculele lui Hawking.
Fizicienii avertizează că acest experiment încă nu confirmă existența radiației Hawking în găurile negre astronomice, deoarece gaura neagră Steinhauer nu este exact ceea ce putem observa în spațiu. Din punct de vedere fizic, nu este încă posibil să creăm câmpuri gravitaționale puternice care formează găuri negre. În schimb, analogul folosește sunetul pentru a imita capacitatea unei găuri negre de a absorbi undele luminoase.
„Această undă sonoră este ca și cum ai încerca să înoți împotriva curentului unui râu. Dar râul curge mai repede decât înoți”, spune Steinhauer. Echipa sa a răcit norul de atomi până la zero aproape absolut, creând așa-numitul condensat Bose-Einstein. Prin faptul că gazul curge mai rapid decât viteza sunetului, oamenii de știință au creat un sistem pe care undele sonore nu îl pot părăsi.
Steinhauer și-a publicat observațiile la începutul lunii august într-un articol din revista Nature Physics. Experimentul său este important nu numai pentru că a făcut posibilă observarea radiației Hawking. Steinhauer susține că a urmărit particulele emise de gaura neagră sonică și particulele din interiorul ei „se încurcă”. Aceasta înseamnă că două particule în același timp pot fi în mai multe stări fizice, cum ar fi un nivel de energie, și că, cunoscând starea unei particule, putem cunoaște imediat starea celeilalte.
Conceptul de analog al unei găuri negre a fost propus în anii 1980 de William Unruh, dar nu a fost creat în condiții de laborator până în 2009. De atunci, oamenii de știință din întreaga lume au creat analogi cu gaura neagră și mulți dintre ei încearcă să observe radiația Hawking. Deși Steinhauer a fost primul cercetător care a avut succes pe acest front, sistemele analogice ajută deja fizicienii să testeze ecuațiile și principiile aplicate mult timp acestor sisteme teoretice, dar numai pe hârtie. De fapt, principala speranță pentru analogii găurii negre este că pot ajuta oamenii de știință să depășească una dintre cele mai mari provocări din fizică: combinarea gravitației cu principiile mecanicii cuantice care stau la baza comportamentului particulelor subatomice, dar care nu sunt încă compatibile cu legile. gravitatie.
Deși metodele utilizate sunt foarte diferite, principiul este același pentru fiecare analog al unei găuri negre. Fiecare are un punct care, la fel ca orizontul evenimentelor, nu poate fi traversat de nicio undă utilizată în loc de lumină, deoarece viteza necesară este prea mare. Iată câteva dintre modalitățile prin care oamenii de știință simulează găuri negre în laborator.
Video promotional:
Sticlă
În 2010, un grup de fizicieni de la Universitatea din Milano a făcut o stropire în comunitatea științifică, susținând că au observat radiația Hawking dintr-un analog de gaură neagră, care a fost creată folosind impulsuri laser de mare putere destinate sticlei de silice. Deși afirmația oamenilor de știință a fost pusă la îndoială (fizicianul William Unruh a spus că radiația pe care au observat-o este mult mai intensă decât radiația Hawking calculată și că merge în direcția greșită), analogul lor este încă o metodă foarte interesantă pentru modelarea orizontului evenimentelor.
Această metodă funcționează după cum urmează. Primul impuls îndreptat către sticla de cuarț este suficient de puternic pentru a modifica indicele de refracție (rata la care lumina intră în substanță) în interiorul sticlei. Când al doilea impuls lovește sticla, datorită modificării indicelui de refracție, acesta încetinește până la o oprire completă, creând un „orizont” dincolo de care lumina nu poate pătrunde. Acest tip de sistem este opusul unei găuri negre, din care lumina nu poate scăpa și, prin urmare, a fost numită „gaură albă”. Dar, după cum spune Stephen Hawking, găurile albe și negre sunt practic același lucru, ceea ce înseamnă că trebuie să prezinte aceleași proprietăți cuantice.
Un alt grup de cercetare din 2008 a arătat că o gaură albă ar putea fi creată în mod similar folosind fibra optică. Experimente suplimentare lucrează pentru a crea același orizont de evenimente folosind diamantul, care este mai puțin distrus de radiația laser decât siliciul.
Polaritoni
Echipa condusă de Hai Son Nguyen a demonstrat în 2015 că o gaură neagră sonică poate fi creată folosind polaritoni - o stare ciudată a materiei numită cvasiparticulă. Se formează atunci când fotonii interacționează cu excitații elementare ale mediului. Grupul lui Nguyen a creat polaritoni prin focalizarea unui laser de mare putere pe o cavitate microscopică de arsenidă de galiu, care este un bun semiconductor. În interior, oamenii de știință au creat în mod deliberat o mică crestătură care a extins cavitatea într-un singur loc. Când raza laser a lovit această microcavitate, au fost emise polaritoni, care s-au repezit la defect sub forma unei crestături. Dar de îndată ce fluxul acestor particule excitate a atins defectul, viteza sa s-a schimbat. Particulele au început să se miște mai repede decât viteza sunetului, indicând că există un orizont,dincolo de care sunetul nu poate trece.
Folosind această metodă, echipa lui Nguyen nu a detectat încă radiația Hawking, dar oamenii de știință cred că, în cadrul unor experimente suplimentare, va fi posibil să se detecteze oscilațiile cauzate de particulele care părăsesc câmpul prin măsurarea modificărilor densității mediului lor. Alți experimentatori sugerează răcirea polaritonilor la un condensat Bose-Einstein, care poate fi apoi folosit pentru a simula formarea găurilor de vierme.
Apă
Urmăriți cum apa se învârte pe scurgere în timp ce faceți duș. Vei fi surprins să afli că te uiți la ceva ca o gaură neagră. Într-un laborator de la Universitatea din Nottingham, Dr. Silke Weinfurtner simulează găuri negre într-o cadă, în timp ce numește un rezervor dreptunghiular de 2.000 de litri cu o pâlnie teșită în centru. Apa este alimentată în rezervor de sus și de jos, ceea ce îi conferă un impuls unghiular, care creează un vârtej în pâlnie. În acest analog apos, lumina înlocuiește mici valuri de pe suprafața apei. Imaginați-vă, de exemplu, că aruncați o piatră în acest pârâu și urmăriți valurile care radiază din el în cercuri. Cu cât aceste valuri se apropie de vârtej, cu atât le este mai dificil să se propage în direcția opusă față de acesta. La un moment dat, aceste valuri încetează să se mai răspândească,iar acest punct poate fi considerat un analog al orizontului evenimentelor. Un astfel de analog este util în special pentru a simula fenomene fizice ciudate care apar în jurul găurilor negre rotative. Weinfurtner investighează în prezent această problemă.
Ea subliniază că aceasta nu este o gaură neagră în sens cuantic; acest analog apare la temperatura camerei și se pot observa doar manifestări clasice ale mecanicii. „Este un sistem murdar", spune cercetătorul. „Dar îl putem manipula pentru a arăta că este rezistent la schimbări. Vrem să ne asigurăm că aceleași fenomene apar și în sistemele astrofizice."
