Čierna diera je ihrisko pre fyziku. Na tomto mieste môžete pozorovať a testovať najbizarnejšie a najzákladnejšie myšlienky a koncepty z oblasti fyziky. Dnes však neexistuje žiadny spôsob, ako priamo pozorovať čierne diery v akcii; tieto útvary nevyžarujú svetlo ani röntgenové lúče, čo je možné zistiť pomocou moderných ďalekohľadov. Fyzici našťastie našli spôsoby, ako simulovať podmienky čiernej diery v laboratóriu, a vytváraním analógov čiernych dier začínajú riešiť najúžasnejšie tajomstvá fyziky.
Jeff Steinhauer, výskumný pracovník na katedre fyziky na Izraelskom technologickom inštitúte, nedávno upútal pozornosť celej fyzikálnej komunity oznámením, že na potvrdenie teórie Stephena Hawkinga z roku 1974 používa analóg čiernej diery. Táto teória tvrdí, že čierne diery vyžarujú elektromagnetické žiarenie známe ako Hawkingovo žiarenie. Hawking navrhol, že toto žiarenie je spôsobené spontánnym výskytom dvojice častíc a antičastíc na horizonte udalostí, ako sa nazýva bod na okraji čiernej diery, za ktorý nemôže uniknúť nič, ani len svetlo. Podľa Hawkingovej teórie, keď jedna z častíc prekoná horizont udalostí a je zachytená čiernou dierou, druhá je vyhodená do vesmíru. Steinhowerov experiment bol prvou ukážkou týchto spontánnych výkyvov,ktoré potvrdzujú Hawkingove výpočty.
Fyzici varujú, že tento experiment stále nepotvrdzuje existenciu Hawkingovho žiarenia v astronomických čiernych dierach, pretože Steinhowerova čierna diera nie je presne to, čo môžeme pozorovať vo vesmíre. Fyzicky ešte nie je možné vytvoriť silné gravitačné polia, ktoré tvoria čierne diery. Namiesto toho analóg používa zvuk na napodobnenie schopnosti čiernej diery absorbovať svetelné vlny.
"Táto zvuková vlna je ako pokúšať sa plávať proti prúdu rieky." Rieka však tečie rýchlejšie, ako plávate, “hovorí Steinhauer. Jeho tím ochladil oblak atómov na takmer absolútnu nulu a vytvoril takzvaný Bose-Einsteinov kondenzát. Vďaka tomu, že plyn prúdi rýchlejšie ako rýchlosť zvuku, vytvorili vedci systém, ktorý zvukové vlny nemôžu opustiť.
Steinhauer zverejnil svoje pozorovania začiatkom augusta v článku v časopise Nature Physics. Jeho experiment je dôležitý nielen preto, že umožnil pozorovať Hawkingovo žiarenie. Steinhauer tvrdí, že sledoval častice emitované zvukovou čiernou dierou a častice v nej „sa zaplietli“. To znamená, že dve častice súčasne môžu byť vo viacerých fyzikálnych stavoch, napríklad na energetickej úrovni, a že ak poznáme stav jednej častice, môžeme okamžite poznať stav druhej.
Koncept analógu čiernej diery navrhol v 80. rokoch William Unruh, avšak v laboratórnych podmienkach bol vytvorený až v roku 2009. Od tej doby vedci z celého sveta vytvárajú analógy čiernej diery a mnohí z nich sa snažia pozorovať Hawkingovo žiarenie. Aj keď bol Steinhauer prvým výskumníkom, ktorý bol na tomto poli úspešný, analógové systémy už pomáhajú fyzikom testovať rovnice a princípy, ktoré sa v týchto teoretických systémoch dlho uplatňovali, ale iba na papieri. V skutočnosti hlavnou nádejou pre analógy čiernych dier je to, že môžu pomôcť vedcom prekonať jednu z najväčších výziev vo fyzike: kombinovať gravitáciu s princípmi kvantovej mechaniky, ktoré sú základom správania subatomárnych častíc, ale zatiaľ nie sú kompatibilné so zákonmi. gravitácia.
Aj keď sú použité metódy veľmi odlišné, princíp je rovnaký pre každý analóg čiernej diery. Každá z nich má bod, ktorý rovnako ako horizont udalostí nemôže prekročiť žiadna použitá vlna namiesto svetla, pretože požadovaná rýchlosť je príliš vysoká. Tu je niekoľko spôsobov, ako vedci simulujú čierne diery v laboratóriu.
Propagačné video:
Sklo
V roku 2010 urobila skupina fyzikov z milánskej univerzity rozruch vo vedeckej komunite tvrdením, že pozorovali Hawkingovo žiarenie z analógu čiernej diery, ktorý bol vytvorený pomocou silných laserových impulzov zameraných na kremičité sklo. Aj keď bolo tvrdenie vedcov spochybnené (fyzik William Unruh uviedol, že žiarenie, ktoré si všimli, je oveľa intenzívnejšie ako vypočítané Hawkingovo žiarenie a že sa uberá nesprávnym smerom), analóg, ktorý vytvorili, je stále veľmi zaujímavou metódou na modelovanie horizontu udalostí.
Táto metóda funguje nasledovne. Prvý impulz zameraný na kremenné sklo je dostatočne silný na to, aby zmenil index lomu (rýchlosť, ktorou svetlo vstupuje do látky) vo vnútri skla. Keď druhý impulz dopadne na sklo, v dôsledku zmeny indexu lomu sa spomalí až do úplného zastavenia a vytvorí sa „horizont“, za ktorý nemôže preniknúť svetlo. Tento druh systému je opakom čiernej diery, z ktorej nemôže unikať svetlo, a preto sa jej hovorilo „biela diera“. Ale ako hovorí Stephen Hawking, biele a čierne diery sú v podstate to isté, čo znamená, že musia vykazovať rovnaké kvantové vlastnosti.
Ďalšia výskumná skupina v roku 2008 preukázala, že podobným spôsobom je možné pomocou vláknovej optiky vytvoriť bielu dieru. Ďalšie experimenty pracujú na vytvorení rovnakého horizontu udalostí pomocou diamantu, ktorý je menej zničený laserovým žiarením ako kremík.
Polaritóny
Tím vedený Hai Son Nguyenom v roku 2015 demonštroval, že sonickú čiernu dieru je možné vytvoriť pomocou polaritónov - zvláštneho stavu hmoty nazývaného kvázičastica. Vzniká pri interakcii fotónov s elementárnymi excitáciami média. Nguyenova skupina vytvorila polaritóny zameraním vysoko výkonného laseru na mikroskopickú dutinu arzenidu gália, čo je dobrý polovodič. Vedci v ňom vedome vytvorili malý zárez, ktorý rozširoval dutinu na jednom mieste. Keď laserový lúč zasiahol túto mikrodutinu, došlo k emisii polaritónov, ktoré sa prehnali k defektu v podobe zárezu. Len čo sa tok týchto excitovaných častíc dostal k defektu, jeho rýchlosť sa zmenila. Častice sa začali pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť zvuku, čo naznačuje, že existuje horizont,za ktorú zvuk nemôže ísť.
Pomocou tejto metódy Nguyenov tím zatiaľ nezistil Hawkingovo žiarenie, ale vedci sa domnievajú, že v priebehu ďalších experimentov bude možné zistiť oscilácie spôsobené časticami opúšťajúcimi pole meraním zmien v hustote ich prostredia. Iní experimentátori navrhujú ochladenie polaritónov na Bose-Einsteinov kondenzát, ktorý sa potom môže použiť na simuláciu tvorby červích dier.
Voda
Počas sprchovania sledujte, ako voda víri dolu odtokom. Budete prekvapení, keď viete, že sa pozeráte na niečo ako čierna diera. V laboratóriu na univerzite v Nottinghame doktorka Silke Weinfurtnerová simuluje čierne diery vo vani, keď nazýva obdĺžnikovú nádrž s objemom 2 000 litrov so skoseným lievikom v strede. Voda sa do nádrže privádza zhora a zdola, čo jej dodáva moment hybnosti, ktorý vytvára v lieviku vír. V tomto vodnom analógu nahradzuje svetlo malé vlnky na povrchu vody. Predstavte si napríklad, že hádžete kameň do tohto prúdu a sledujete, ako z neho v kruhoch vyžarujú vlny. Čím bližšie sú tieto vlny k vírivke, tým ťažšie sa šíria opačným smerom od nej. V určitom okamihu sa tieto vlny prestanú šíriť úplne,a tento bod možno považovať za analóg horizontu udalostí. Takýto analóg je obzvlášť užitočný pri simulácii zvláštnych fyzikálnych javov, ktoré sa vyskytujú okolo rotujúcich čiernych dier. Weinfurtner momentálne vyšetruje tento problém.
Zdôrazňuje, že nejde o čiernu dieru v kvantovom zmysle; tento analóg sa objavuje pri izbovej teplote a je možné pozorovať iba klasické prejavy mechaniky. „Je to špinavý systém,“hovorí výskumník. „Môžeme s ním však manipulovať, aby sme ukázali, že je odolný voči zmenám. Chceme zabezpečiť, aby sa rovnaké javy vyskytli aj v astrofyzikálnych systémoch. ““