Tri Stephen Hawking toimitti a järkyttävä teoria vuonna 1974 joka väitti mustien aukkojen haihtuvan. Hän sanoi, että mustat aukot eivät ole täysin mustia ja kylmiä, vaan pikemminkin säteilevät energiaa eivätkä kestä ikuisesti. Niin kutsutusta 'Hawking-säteilystä' tuli yksi fyysikon tunnetuimmista teoreettisista ennusteista. Nyt, 40 vuotta myöhemmin, tutkija on ilmoittanut luovansa Hawking-säteilyn simulaation laboratorioympäristössä.
Mustan aukon mahdollisuus perustui Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Karl Schwarzchild vuonna 1916 ymmärsi ensimmäisenä gravitaatiosingulaarisuuden mahdollisuuden, jonka ympärillä on raja, josta sisään tuleva valo tai aine ei pääse pakoon.
Tässä kuussa Jeff Steinhauer Technion – Israel Institute of Technologysta kuvailee artikkelissaan: ' Itsevahvistuvan Hawking-säteilyn havainnointi analogisessa mustan aukon laserissa ” Nature-lehdessä, kuinka hän loi analogisen tapahtumahorisontin käyttämällä lähes absoluuttista nollaa jäähdytettyä ainetta ja käyttämällä lasereita, pystyi havaitsemaan Hawkingin säteilyn emission. Voisiko tämä olla ensimmäinen pätevä todiste Hawkingin säteilyn olemassaolosta ja siten sinetöidä kaikkien mustien aukkojen kohtalo?
Tämä ei ole ensimmäinen yritys luoda Hawkingin säteilyanalogi laboratoriossa. Vuonna 2010 luotiin analogi lasiharkista, laserista, peileistä ja jäähdytetystä ilmaisimesta ( Phys. Rev. Letter, syyskuu 2010 ); savua ei seurannut peilejä. Lasin läpi kulkeva intensiivisen laservalon ultralyhyt pulssi aiheutti taitekerroinhäiriön (RIP), joka toimi tapahtumahorisonttina. Valoa nähtiin säteilevän RIP:stä. Siitä huolimatta F. Belgiornon et ai. pysyvät kiistanalaisena. Lisää kokeita oli silti perusteltua.
Steinhauerin uusin yritys jäljitellä Hawkingin säteilyä noudattaa korkean teknologian lähestymistapaa. Hän luo a Bose-Einstein-kondensaatti , eksoottinen aineen tila hyvin lähellä absoluuttista nollaa. Kondensaatin sisällä luodut rajat toimivat tapahtumahorisonttina. Ennen kuin siirrymme tarkempiin yksityiskohtiin, meidän on kuitenkin otettava askel taaksepäin ja mietittävä, mitä Steinhauer ja muut yrittävät toistaa.
Taiteilijan mustien aukkojen kuvituksia ohjaavat teoreetikkojen heille antamat kuvaukset. Kuvia on monia. Mustaa aukkoa ei ole koskaan nähty läheltä. Kuitenkin, jotta Hawking-säteilyä saataisiin, kaikki akkretionaalisten kiekkojen ja aineen ohjaaminen kumppanitähdestä ovat tarpeettomia. Vain musta aukko avaruuden pimeydessä riittää. (Kuva: julkinen)
Hawking-säteilyn valmistusresepti alkaa mustasta aukosta. Minkä tahansa kokoinen musta aukko käy. Hawkingin teorian mukaan pienemmät mustat aukot säteilevät nopeammin kuin suuret, ja jos niihin ei putoa ainetta – kasaantumista, ne 'haihtuvat' paljon nopeammin. Jättiläisten mustien aukkojen haihtuminen Hawking-säteilyn vaikutuksesta voi kestää kauemmin kuin miljoona kertaa universumin nykyiseen ikään verrattuna. Kuten hitaasti vuotava rengas, useimmat mustat aukot vievät sinut lähimmälle korjausasemalle.
Joten sinulla on musta aukko. Siinä on tapahtumahorisontti . Tämä horisontti tunnetaan myös nimellä Schwarzchildin säde ; tapahtumahorisonttiin tuleva valo tai aine ei voi koskaan päästä ulos. Tai niin tämä oli hyväksytty käsitys, kunnes tohtori Hawkingin teoria muutti sen. Tapahtumahorisontin ulkopuolella on tavallista avaruutta tietyin varoin. harkitse sitä lisättynä mausteita. Tapahtumahorisontissa mustasta aukosta tuleva painovoima on niin äärimmäinen, että se aiheuttaa ja suurentaa kvanttiefektejä.
Kaikki avaruus – sisällämme ja ympärillämme maailmankaikkeuden päihin asti sisältää a kvanttityhjiö . Kaikkialla avaruuden kvanttityhjiössä virtuaalisia hiukkaspareja ilmaantuu ja katoaa; tuhoavat toisensa välittömästi erittäin lyhyt aika . Tapahtumahorisontin äärimmäisten olosuhteiden myötä virtuaalisia hiukkas- ja antihiukkaspareja, kuten elektroni ja positroni, materialisoituvat. Niissä, jotka näyttävät riittävän läheltä tapahtumahorisonttia, voi olla mustien aukkojen painovoiman vaikutuksesta jompikumpi virtuaalinen hiukkanen, jolloin jäljelle jää vain yksi hiukkanen, joka näin ollen voi nyt vapaasti lisätä mustan aukon ympäriltä tulevaan säteilyyn; säteily, jota tähtitieteilijät voivat kokonaisuudessaan käyttää mustan aukon havaitsemiseen, mutta eivät suoraan havainnoida sitä. Se onparin purkaminenvirtuaalihiukkasten aiheuttama musta aukko tapahtumahorisontissa, joka aiheuttaa Hawking-säteilyn, joka itsessään edustaa nettomassan menetystä mustasta aukosta.
Joten miksi tähtitieteilijät eivät vain etsi avaruudesta Hawkingin säteilyä? Ongelmana on, että säteily on erittäin heikkoa, ja sitä peittää monien muiden fysikaalisten prosessien tuottama säteily, joka ympäröi mustaa aukkoa akkretionaalisella levyllä. Säteily hukkuu energeettisten prosessien kuoroon. Joten välittömin mahdollisuus on kopioida Hawkingin säteily käyttämällä analogia. Vaikka Hawkingin säteily on heikkoa mustan aukon massaan ja energiaan verrattuna, säteilyllä on käytännössä koko ajan universumissa, ja se on sirpaloitunut pois emokappaleestaan.
Tässä kohtaa mustien aukkojen kasvavan ymmärryksen lähentyminen johti tohtori Hawkingin perustavanlaatuiseen työhön. Teoreetikot, mukaan lukien Hawking, ymmärsivät, että huolimatta kvantti- ja gravitaatioteoriasta, joka on välttämätön mustan aukon kuvaamiseksi, myös mustat aukot käyttäytyvät kuin mustat kappaleet. Niitä hallitsee termodynamiikka ja ne ovat entropian orjia. Hawking-säteilyn tuotantoa voidaan luonnehtia termodynaamiseksi prosessiksi, ja tämä johtaa meidät takaisin kokeellisiin. Muita termodynaamisia prosesseja voitaisiin käyttää replikoimaan tämäntyyppisen säteilyn emissio.
Käyttämällä Bose-Einstein-kondensaattia aluksessa Steinhauer ohjasi lasersäteet herkkää kondensaattia luodakseen tapahtumahorisontin. Lisäksi hänen kokeilunsa luo ääniaaltoja, jotka jäävät loukkuun kahden tapahtumahorisontin määrittävän rajan väliin. Steinhauer havaitsi, että ääniaallot hänen analogisessa tapahtumahorisontissa vahvistuivat, kuten tapahtuu valossa tavallisessa laserontelossa, mutta myös kuten tohtori Hawkingin mustien aukkojen teoria ennusti. Valo karkaa analogisessa tapahtumahorisontissa olevasta laserista. Steinhauer selittää, että tämä karkaava valo edustaa kauan etsittyä Hawking-säteilyä.
Tämän teoksen julkaiseminen Nature-lehdessä käytiin läpi huomattavan vertaisarvioinnin hyväksymiseksi, mutta se ei yksin vahvista hänen havaintojaan. Steinhauerin työ kestää nyt entistä suuremman tarkastelun. Toiset yrittävät kopioida hänen työtään. Hänen laboratoriorakennelmansa on analoginen, ja on vielä tarkistettava, että hänen havainnot edustavat todella Hawkingin säteilyä.
Viitteet:
' Itsevahvistuvan Hawking-säteilyn havainnointi analogisessa mustan aukon laserissa ', Nature Physics, 12. lokakuuta 2014
'Hawking-säteily ultralyhyistä laserpulssifilamenteista' , F. Belgiorno, et ai., Phys. Rev. Letter, syyskuu 2010
'Mustan aukon räjähdyksiä?' , S. W. Hawking et ai., Nature, 1. maaliskuuta 1974
'Mustien reikien kvanttimekaniikka' , S. W. Hawking, Scientific American, tammikuu 1977