Dr. Stephen Hawking vydal v roce 1974 znepokojující teorii, podle které se černé díry vypařují. Nyní, o 40 let později, vědec oznámil vytvoření simulace Hawkingova záření v laboratorním prostředí.
Možnost černé díry přišla z Einsteinovy teorie obecné relativity. Karl Schwarzchild v roce 1916 byl první, kdo si uvědomil možnost gravitační singularity s hranicí, ve které ji nemůže uniknout světlo nebo hmota.
Tento měsíc, Jeff Steinhauer z Technion - Israel Institute of Technology, ve svém příspěvku „Pozorování sebezesilujícího Hawkingova záření v analogovém laseru s černými děrami“ v časopise Nature popisuje, jak pomocí látky vytvořil horizont analogové události ochladil na téměř absolutní nulu a pomocí laserů byl schopen detekovat emise Hawkingova záření. Mohl by to být první platný důkaz o existenci Hawkingova záření a následně utěsnit osud všech černých děr?
Toto není první pokus o vytvoření Hawkingova radiačního analogu v laboratoři. V roce 2010 byl analog vytvořen z bloku skla, laseru, zrcadel a chlazeného detektoru (Phys. Rev. Letter, září 2010); zrcadla doprovázel žádný kouř. Ultra-krátký puls intenzivního laserového světla procházejícího sklem vyvolal poruchu indexu lomu (RIP), která fungovala jako horizont událostí. Světlo bylo vyzařováno z RIP. Nicméně výsledky F. Belgiorno et al. zůstat kontroverzní. Stále byly zaručeny další experimenty.
Nejnovější pokus o replikaci Hawkingova záření Steinhauerem vyžaduje přístup vyspělejší technologie. Vytváří Bose-Einsteinův kondenzát, exotický stav hmoty při velmi blízké absolutní nulové teplotě. Hranice vytvořené v kondenzátu fungovaly jako horizont událostí. Než se však podíváme na další podrobnosti, udělejme krok zpět a zvažte, co se Steinhauer a další snaží replikovat.
Recept na výrobu Hawkingova záření začíná černou dírou. Černá díra jakékoli velikosti udělá. Hawkingova teorie uvádí, že menší černé díry budou rychleji vyzařovat než větší a v případě, že do nich nebude padat hmota - narůstání, se „odpařuje“ mnohem rychleji. Obrovské černé díry se mohou odpařit pomocí Hawkingova záření déle než miliónkrát, než je současný věk vesmíru. Jako pneumatika s pomalým únikem vás většina černých děr zavede do nejbližší opravny.
Takže máte černou díru. Má horizont událostí. Tento horizont je také známý jako Schwarzchildův poloměr; kontrola světla nebo hmoty do horizontu události se nikdy nemůže podívat. Nebo to bylo přijaté porozumění, dokud to teorie dr. Hawkinga nepodporovala. A mimo horizont události je obyčejný prostor s některými nástrahami; zvažte to s přidaným kořením. Na horizontu události je gravitační síla z černé díry tak extrémní, že indukuje a zvětšuje kvantové efekty.
Celý prostor - uvnitř nás a kolem nás až do konce vesmíru zahrnuje kvantové vakuum. Všude v kvantovém vakuu vesmíru se objevují a mizí dvojice virtuálních částic; okamžité vzájemné ničení v extrémně krátkých časových měřítcích. S extrémními podmínkami na horizontu události se zhmotňují páry virtuálních částic a anti-částic, jako je elektron a pozitron. Ti, kteří vypadají dostatečně blízko horizontu události, mohou mít jednu nebo druhou virtuální částici zaplněnou gravitací černých děr a ponechat pouze jednu částici, která je nyní volná pro přidání záření vycházejícího z černé díry; záření, které jako celek je to, co mohou astronomové použít k detekci přítomnosti černé díry, ale ne přímo ji pozorovat. Je to nespárování virtuálních částic u černé díry v jejím horizontu událostí, který způsobuje Hawkingovo záření, které samo o sobě představuje čistou ztrátu hmoty z černé díry.
Proč tedy astronomové ve vesmíru prostě nehledají Hawkingovo záření? Problém je v tom, že záření je velmi slabé a je ohromeno zářením produkovaným mnoha dalšími fyzickými procesy obklopujícími černou díru s akrečním diskem. Záření je utopeno sborem energetických procesů. Nejbližší možností je tedy replikace Hawkingova záření pomocí analogu. Zatímco Hawkingovo záření je slabé ve srovnání s hmotou a energií černé díry, záření má v podstatě celou dobu ve vesmíru, aby odštěpilo své mateřské tělo.
To je místo, kde sbližování rostoucího porozumění černých děr vedlo k klíčové práci Dr. Hawkinga. Teoretici včetně Hawkingu si uvědomili, že navzdory kvantové a gravitační teorii, která je nezbytná k popisu černé díry, se černé díry chovají také jako černá těla. Řídí se termodynamikou a jsou otroky entropie. Produkce Hawkingova záření může být charakterizována jako termodynamický proces a to nás vede zpět k experimentistům. K replikaci emise tohoto typu záření lze použít i jiné termodynamické procesy.
Použitím Bose-Einsteinova kondenzátu v nádobě Steinhauer nasměroval laserové paprsky do jemného kondenzátu, aby vytvořil horizont událostí. Navíc jeho experiment vytváří zvukové vlny, které se zachytí mezi dvěma hranicemi, které definují horizont událostí. Steinhauer zjistil, že zvukové vlny v jeho horizontu analogové události byly zesíleny, jak se to stane se světlem v běžné laserové dutině, ale také, jak předpovídá teorie černých děr Dr. Hawkinga. Světlo uniká z laseru přítomného na horizontu analogové události. Steinhauer vysvětluje, že toto unikající světlo představuje dlouho hledané Hawkingovo záření.
Zveřejnění této práce v Přírodě prošlo značným vzájemným hodnocením, které však bylo přijato, ale toto samo o sobě jeho zjištění nepotvrzuje. Steinhauerova práce nyní vydrží ještě větší kontrolu. Jiní se pokusí duplikovat jeho práci. Jeho laboratorní nastavení je analogové a zbývá ověřit, že to, co pozoruje, skutečně představuje Hawkingovo záření.
Reference:
„Pozorování samoosilňujícího Hawkingova záření v analogovém laseru s černou dírou“, Nature Physics, 12. října 2014
„Hawkingovo záření z laserových pulzních vláken Ultrashort“, F. Belgiorno a kol., Phys. Dopis, září 2010
"Výbuchy černé díry?", S. W. Hawking, et al., Nature, 1. března 1974
“Kvantová mechanika černých děr”, S. Hawking, Scientific American, leden 1977
