Οι μαύρες τρύπες στο Benchtop βοηθούν τους φυσικούς να δουν το Κβαντικό Σύμπαν

Μια μαύρη τρύπα είναι η παιδική χαρά ενός φυσικού:Ένα μέρος όπου μερικές από τις πιο περίεργες και θεμελιώδεις έννοιες στη φυσική μπορούν να παρατηρηθούν και να δοκιμαστούν. Ωστόσο, προς το παρόν δεν υπάρχει τρόπος να παρατηρήσουμε άμεσα τις μαύρες τρύπες σε δράση. αυτά τα σώματα ύλης δεν εκπέμπουν το είδος της ακτινοβολίας, όπως το φως ή οι ακτίνες Χ, που είναι εξοπλισμένα να ανιχνεύουν τα τηλεσκόπια. Ευτυχώς, οι φυσικοί έχουν βρει τρόπους για να μιμηθούν τις συνθήκες μιας μαύρης τρύπας στο εργαστήριο—και δημιουργώντας ανάλογα με τις μαύρες τρύπες, αρχίζουν να ξετυλίγουν μερικά από τα πιο συναρπαστικά παζλ στη φυσική.

Ο Jeff Steinhauer, ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής του Technion-Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Ισραήλ, τράβηξε πρόσφατα την προσοχή της κοινότητας της φυσικής όταν ανακοίνωσε ότι είχε χρησιμοποιήσει μια ανάλογη μαύρη τρύπα για να επιβεβαιώσει τη θεωρία του Stephen Hawking το 1974 ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, γνωστή ως ακτινοβολία Hawking. Ο Χόκινγκ προέβλεψε ότι αυτή η ακτινοβολία θα προκληθεί από την αυθόρμητη δημιουργία ενός ζεύγους σωματιδίων-αντισωματιδίων στον ορίζοντα γεγονότων, το σημείο στην άκρη μιας μαύρης τρύπας πέρα ​​από την οποία τίποτα —ούτε καν το φως— δεν μπορεί να διαφύγει. Σύμφωνα με τους όρους της θεωρίας του Χόκινγκ, καθώς ένα από τα σωματίδια διασχίζει τον ορίζοντα γεγονότων και συλλαμβάνεται από τη μαύρη τρύπα, το άλλο θα εκτοξευόταν στο διάστημα. Το πείραμα του Steinhauer ήταν το πρώτο που παρουσίασε το είδος των αυθόρμητων διακυμάνσεων που υποστηρίζουν τους υπολογισμούς του Hawking.

Οι φυσικοί έχουν προειδοποιήσει ότι αυτό το πείραμα εξακολουθεί να μην επιβεβαιώνει την ύπαρξη ακτινοβολίας Hawking στις αστρονομικές μαύρες τρύπες, καθώς η μαύρη τρύπα του Steinhauer δεν είναι ακριβώς η ίδια με αυτή που θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε στο διάστημα. Δεν είναι ακόμα φυσικά δυνατό να δημιουργηθούν τα έντονα βαρυτικά πεδία που σχηματίζουν μαύρες τρύπες. Αντίθετα, το ανάλογο μιμείται την ικανότητα μιας μαύρης τρύπας να απορροφά κύματα φωτός χρησιμοποιώντας ήχο.

«Είναι σαν εσύ, το ηχητικό κύμα, να προσπαθείς να κολυμπήσεις ενάντια σε ένα ποτάμι, και το ποτάμι ρέει πιο γρήγορα από ό,τι μπορείς να κολυμπήσεις», λέει ο Steinhauer. Η ομάδα του ψύξε ένα σύννεφο ατόμων αερίου σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, δημιουργώντας μια οντότητα γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Προκαλώντας αυτό το αέριο να ρέει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του ήχου, δημιούργησαν ένα σύστημα από το οποίο τα ηχητικά κύματα δεν μπορούσαν να διαφύγουν.

Οι παρατηρήσεις του Steinhauer δημοσιεύτηκαν στο Nature Physics χαρτί στις αρχές Αυγούστου. Εκτός από την παρατήρηση της ακτινοβολίας Hawking, το πείραμά του ήταν σημαντικό καθώς ισχυρίστηκε ότι παρατήρησε ότι τα σωματίδια που απελευθερώθηκαν από την ηχητική μαύρη τρύπα και τα σωματίδια μέσα σε αυτήν ήταν «μπλεγμένα». Αυτό σημαίνει ότι τα δύο σωματίδια είναι ικανά να βρίσκονται σε πολλαπλές φυσικές καταστάσεις, όπως τα ενεργειακά τους επίπεδα, ταυτόχρονα, και ότι η γνώση της κατάστασης ενός σωματιδίου μπορεί να σας πει αμέσως για την κατάσταση του άλλου.

Η ιδέα μιας αναλογικής μαύρης τρύπας προτάθηκε από τον William Unruh τη δεκαετία του 1980, αλλά μόλις το 2009 δημιουργήθηκε η πρώτη σε εργαστήριο. Έκτοτε, τα ανάλογα της μαύρης τρύπας έχουν υιοθετηθεί από επιστήμονες σε όλο τον κόσμο, πολλοί από τους οποίους προσπαθούν να παρατηρήσουν την ακτινοβολία Hawking. Αν και ο Steinhauer είναι ο πρώτος που σημείωσε επιτυχία σε αυτό το μέτωπο, τα αναλογικά συστήματα ήταν ήδη χρήσιμα για να βοηθήσουν τους φυσικούς να επαληθεύσουν τις εξισώσεις και τις αρχές που εφαρμόζονται από καιρό σε αυτά τα θεωρητικά συστήματα μόνο σε χαρτί. Πράγματι, η μεγαλύτερη υπόσχεση των αναλόγων της μαύρης τρύπας μπορεί να έγκειται στο να βοηθήσουν τους φυσικούς να ξεπεράσουν μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη φυσική:Συνδυάζοντας τη βαρύτητα με τις αρχές της κβαντικής μηχανικής, που διέπουν τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων - αλλά μέχρι στιγμής ήταν ασύμβατες με τους νόμους της βαρύτητα.

Αν και χρησιμοποιείται μια σειρά μεθόδων, η αρχή για κάθε ανάλογο μαύρης τρύπας είναι η ίδια:Καθεμία έχει ένα σημείο που, όπως ένας ορίζοντας γεγονότων, δεν μπορεί να διασχιστεί από οποιαδήποτε ταλάντωση στη θέση του φωτός, καθώς η απαιτούμενη ταχύτητα θα ήταν πολύ μεγάλη . Εδώ είναι μερικοί από τους άλλους τρόπους με τους οποίους οι επιστήμονες μιμούνται τις μαύρες τρύπες στο εργαστήριο.

Γυαλί

Το 2010, μια ομάδα φυσικών στο Πανεπιστήμιο του Μιλάνου προκάλεσε έκπληξη στην κοινότητα της φυσικής όταν ισχυρίστηκαν ότι παρατήρησαν την ακτινοβολία Hawking από ένα ανάλογο της μαύρης τρύπας, το οποίο δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ισχυρούς παλμούς λέιζερ που έλαμπαν σε γυαλί πυριτίου. Αν και ο ισχυρισμός της ομάδας αμφισβητήθηκε από τότε -σύμφωνα με τον φυσικό William Unruh, η ακτινοβολία που παρατήρησαν ήταν πολύ πιο έντονη από ό,τι θα έπρεπε να είναι η ακτινοβολία Hawking και ταξιδεύει προς τη λάθος κατεύθυνση- το ανάλογο που δημιούργησαν συνεχίζει να είναι μια ενδιαφέρουσα μέθοδος μοντελοποίησης έναν ορίζοντα γεγονότων.

Αυτή η μέθοδος λειτουργεί ως εξής:Ο πρώτος παλμός που στέλνεται στο πυρίτιο είναι αρκετά ισχυρός ώστε να αλλάξει τον δείκτη διάθλασης -την ταχύτητα με την οποία το φως κινείται σε μια ουσία- μέσα στο γυαλί. Καθώς ο δεύτερος παλμός εισέρχεται στο γυαλί, επιβραδύνεται σε στάση λόγω αυτής της αλλαγής του δείκτη διάθλασης, δημιουργώντας έναν «ορίζοντα» πέρα ​​από τον οποίο το φως δεν μπορούσε να διεισδύσει. Αυτό το είδος συστήματος είναι το αντίθετο μιας μαύρης τρύπας, από την οποία το φως δεν μπορεί να διαφύγει, και ως εκ τούτου έχει ονομαστεί "λευκή τρύπα". Ωστόσο, σύμφωνα με τον Stephen Hawking, οι λευκές τρύπες και οι μαύρες τρύπες είναι θεμελιωδώς ίδιες, που σημαίνει ότι θα πρέπει να παρουσιάζουν τις ίδιες κβαντικές ιδιότητες.

Μια ξεχωριστή ερευνητική ομάδα έδειξε το 2008 ότι μια λευκή τρύπα θα μπορούσε να δημιουργηθεί με παρόμοιο τρόπο χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες και περαιτέρω πειράματα εργάζονται για τη δημιουργία του ίδιου είδους ορίζοντα γεγονότων χρησιμοποιώντας διαμάντι, το οποίο είναι λιγότερο πιθανό να καταστραφεί από το φως λέιζερ από το πυρίτιο .

Polaritons

Μια ομάδα με επικεφαλής τον Hai Son Nguyen έδειξε το 2015 ότι μια ακουστική μαύρη τρύπα θα μπορούσε να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας πολαρίτονες - μια παράξενη κατάσταση της ύλης γνωστή ως οιονείσωματίδιο, που σχηματίστηκε αναμειγνύοντας ένα φωτόνιο με ένα υλικό που το φως στη συνέχεια διεγείρει. Η ομάδα του Nguyen δημιούργησε πολαρίτονες εστιάζοντας ένα λέιζερ υψηλής ισχύος σε μια μικροσκοπική κοιλότητα που δημιουργήθηκε από αρσενίδιο του γαλλίου, έναν ισχυρό ημιαγωγό. Στο εσωτερικό, η ομάδα δημιούργησε σκόπιμα μια μικρή εγκοπή που διεύρυνε την κοιλότητα σε ένα σημείο. Όταν το λέιζερ χτύπησε τη μικροκοιλότητα, εκπέμπονταν πολαριτόνια που έρεαν προς το οδοντωτό ελάττωμα. Ωστόσο, όταν η ροή αυτών των διεγερμένων σωματιδίων έφτασε στο ελάττωμα, άλλαξαν ταχύτητα, κινούμενοι ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου, υπονοώντας ότι είχε δημιουργηθεί ένας ορίζοντας από τον οποίο ο ήχος δεν μπορούσε να διαφύγει.

Αν και η ομάδα δεν έχει ακόμη παρατηρήσει την ακτινοβολία Hawking χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές προτείνουν ότι σε μελλοντικά πειράματα, τυχόν διακυμάνσεις που προκαλούνται από σωματίδια που φεύγουν από το πεδίο θα μπορούσαν να ανιχνευθούν μετρώντας μια αλλαγή στην πυκνότητα του ρευστού σωματιδίων. Άλλα πειράματα με χρήση πολαριτόνων πρότειναν επίσης την ψύξη τους σε συμπύκνωμα Bose-Einstein, το οποίο θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ακόμη και για την προσομοίωση του σχηματισμού σκουληκότρυπων.

Νερό

Κοιτάξτε κάτω το νερό που στροβιλίζεται στην αποχέτευση ανάμεσα στα πόδια σας την επόμενη φορά που θα κάνετε ντους—μπορεί να εκπλαγείτε όταν μάθετε ότι κοιτάζετε κάτι παρόμοιο με μια μαύρη τρύπα. Σε ένα εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ, ο Δρ. Σίλκε Βάινφουρτνερ προσομοιώνει μαύρες τρύπες σε μια «δίνη μπανιέρας», μια ορθογώνια δεξαμενή 2.000 λίτρων με μια κεκλιμένη χοάνη στο κέντρο. Το νερό τροφοδοτείται στη δεξαμενή από το πάνω και το κάτω μέρος της δεξαμενής, δίνοντας στο νερό γωνιακή ορμή που δημιουργεί μια δίνη όταν συναντά τη χοάνη. Σε αυτό το ανάλογο νερού, η βάση για το φως είναι μικροί κυματισμοί στην επιφάνεια του νερού. φανταστείτε, για παράδειγμα, να ρίχνετε ένα βότσαλο σε αυτή τη ροή και να βλέπετε κυματισμούς να απομακρύνονται από αυτό σε κύκλο. Όσο πιο κοντά είναι αυτοί οι κυματισμοί στη δίνη, τόσο λιγότερο μπορούν να διαδοθούν προς την κατεύθυνση μακριά από αυτήν. Σε ένα ορισμένο σημείο, αυτοί οι κυματισμοί δεν θα διαδίδονται πλέον καθόλου - ένα σημείο που μπορεί να θεωρηθεί ανάλογο για τον ορίζοντα γεγονότων. Αυτό το ανάλογο ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο για την προσομοίωση της παράξενης φυσικής που συμβαίνει γύρω από τις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες, ένα θέμα που μελετά τώρα ο Weinfurtner.

Ο Weinfurtner τόνισε ότι δεν πρόκειται για μαύρη τρύπα με την κβαντική έννοια. αυτό το ανάλογο συμβαίνει σε θερμοκρασία δωματίου, επομένως μόνο η κλασική μηχανική μπορεί να παρατηρηθεί. «Είναι ένα βρώμικο σύστημα», πρόσθεσε. «Αλλά μπορούμε να το χειριστούμε και να δείξουμε ότι είναι ανθεκτικό σε τροποποιήσεις. Διασφαλίζουμε την εμπιστοσύνη μας ότι αυτά τα ίδια φαινόμενα συμβαίνουν και σε αστροφυσικά συστήματα.”

Η Claudia Geib είναι ανεξάρτητη επιστημονική συγγραφέας με έδρα τη Βοστώνη. Ακολουθήστε την στο Twitter @cm_geib.

Η κύρια φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Wikicommons.