Musta aukko on fysiikan leikkipaikka. Tämä on paikka, jossa voit tarkkailla ja testata fysiikan alalta omituisimpia ja perustavanlaatuisimpia ideoita ja käsitteitä. Nykyään ei kuitenkaan ole mitään tapaa tarkkailla suoraan mustia aukkoja toiminnassa; nämä muodostumat eivät lähetä valoa tai röntgensäteitä, jotka voidaan havaita nykyaikaisilla teleskoopeilla. Onneksi fyysikot ovat löytäneet tapoja simuloida mustan aukon olosuhteita laboratoriossa, ja luomalla mustien aukkojen analogeja he alkavat ratkaista fysiikan upeimmat mysteerit.
Israelin teknologiainstituutin fysiikan laitoksen tutkija Jeff Steinhauer herätti äskettäin koko fysiikkayhteisön huomion ilmoittamalla, että hän käytti mustan aukon analogia vahvistaakseen Stephen Hawkingin vuoden 1974 teorian. Tämän teorian mukaan mustat aukot lähettävät sähkömagneettista säteilyä, joka tunnetaan nimellä Hawking-säteily. Hawking ehdotti, että tämä säteily johtuu hiukkanen ja hiukkasten parin spontaanista esiintymisestä tapahtumahorisontissa, koska kutsutaan mustan aukon reunalla olevaa pisteä, jonka yli mikään, ei edes valo, voi paeta. Hawkingin teorian mukaan, kun toinen hiukkasista ylittää tapahtumahorisontin ja on kiinni mustassa aukossa, toinen heitetään avaruuteen. Steinhowerin koe oli ensimmäinen osoitus näistä spontaaneista vaihteluista,jotka vahvistavat Hawkingin laskelmat.
Fyysikot varoittavat, että tämä koe ei vieläkään vahvista Hawking-säteilyn olemassaoloa tähtitieteellisissä mustissa aukoissa, koska Steinhauerin musta aukko ei ole täsmälleen mitä voimme havaita avaruudessa. Fyysisesti ei ole vielä mahdollista luoda voimakkaita painovoimakenttiä, jotka muodostavat mustia aukkoja. Sen sijaan analogia käyttää ääntä jäljittelemään mustan aukon kykyä absorboida valoaaltoja.
”Tämä ääniaalto on kuin yrittää uida jokivirtaa vastaan. Mutta joki virtaa nopeammin kuin uit”, Steinhauer sanoo. Hänen tiiminsä jäähdytti atomipilven melkein absoluuttiseen nollaan luoden niin sanotun Bose-Einstein-kondensaatin. Saattamalla kaasun virtaamaan nopeammin kuin äänen nopeus, tutkijat ovat luoneet järjestelmän, josta ääniaallot eivät voi poistua.
Steinhauer julkaisi havaintonsa elokuun alussa Nature Physics -lehden artikkelissa. Hänen kokeilunsa on tärkeä paitsi siksi, että hän teki mahdollisuuden havaita Hawkingin säteilyä. Steinhauer väittää katsoneensa äänisen mustan aukon lähettämiä hiukkasia ja sen sisällä olevat hiukkaset "sotkeutumasta". Tämä tarkoittaa sitä, että kaksi hiukkaa samanaikaisesti voi olla useissa fysikaalisissa tiloissa, kuten energiatasossa, ja että tietäen yhden hiukkasen tilan, voimme heti tietää toisen osan.
Musta aukkoanalogin konseptin ehdotti 1980-luvulla William Unruh, mutta se luotiin laboratoriossa vasta vuonna 2009. Siitä lähtien tutkijat ympäri maailmaa ovat luoneet analogeja mustasta aukosta, ja monet heistä yrittävät tarkkailla Hawkingin säteilyä. Vaikka Steinhauer oli ensimmäinen tutkija, joka menestyi tällä rintamalla, analogiset järjestelmät auttavat jo fyysikkoja testaamaan yhtälöitä ja periaatteita, joita on jo pitkään sovellettu näihin teoreettisiin järjestelmiin, mutta vain paperilla. Itse asiassa mustien aukkojen analogien suurin toivo on, että ne voivat auttaa tutkijoita voittamaan yhden fysiikan suurimmista haasteista: yhdistämään painovoima kvanttimekaniikan periaatteisiin, jotka ovat subatomisien hiukkasten käyttäytymisen taustalla, mutta eivät ole vielä yhteensopivia lakien kanssa. painovoima.
Vaikka käytetyt menetelmät ovat hyvin erilaisia, periaate on sama kaikille mustan aukon analogeille. Jokaisella on piste, jota tapahtuman horisontin tavoin ei voi ylittää mikään aalto, jota käytetään valon sijasta, koska vaadittu nopeus on liian suuri. Tässä on joitain tapoja, joilla tutkijat simuloivat laboratoriossa mustia aukkoja.
Mainosvideo:
Lasi
Vuonna 2010 ryhmä fyysikkoja Milanon yliopistosta teki tilaisuuden tiedeyhteisöön väittäen, että he havaitsivat Hawkingin säteilyn mustan aukon analogista, joka luotiin käyttämällä piidioksidille suunnattuja suuritehoisia laserpulsseja. Vaikka tutkijoiden väitettä kyseenalaistettiin (fyysikko William Unruh sanoi, että heidän havaitsemansa säteily on paljon voimakkaampaa kuin laskettu Hawking-säteily ja että se menee väärään suuntaan), heidän luomansa analogia on silti erittäin mielenkiintoinen tapa mallintaa tapahtumahorisontti.
Tämä menetelmä toimii seuraavasti. Ensimmäinen kvartsilasiin kohdistettu impulssi on riittävän voimakas muuttamaan taittokerrointa (nopeutta, jolla valo tulee aineeseen) lasin sisällä. Kun toinen impulssi osuu lasiin, taitekertoimen muutoksen takia se hidastuu täydelliseen pysähtymiseen luoden "horisontin", jonka yli valo ei pääse tunkeutumaan. Tällainen järjestelmä on vastakohta mustalle aukolle, josta valoa ei voi paeta, ja siksi sitä kutsuttiin "valkoiseksi aukoksi". Mutta kuten Stephen Hawking sanoo, valkoiset ja mustat aukot ovat pohjimmiltaan sama asia, mikä tarkoittaa, että niillä on oltava samat kvanttiominaisuudet.
Toinen tutkimusryhmä vuonna 2008 osoitti, että valkoinen aukko voitaisiin luoda samalla tavalla kuituoptiikalla. Lisäkokeissa tehdään työtä saman tapahtumahorisontin luomiseksi timantin avulla, jota lasersäteily tuhoaa vähemmän kuin pii.
Polaritons
Hai Son Nguyenin johtama tiimi osoitti vuonna 2015, että polaritonien avulla voidaan luoda äänimusta aukko - outo aineen tila, jota kutsutaan kvasihiukkaseksi. Se muodostuu, kun fotonit ovat vuorovaikutuksessa väliaineen alkeellisten herätteiden kanssa. Nguyenin ryhmä loi polaritoneja keskittymällä suuritehoisella laserilla galliumarsenidin mikroskooppiseen onteloon, joka on hyvä puolijohde. Sen sisällä tutkijat loivat tarkoituksella pienen loven, joka laajensi onteloa yhdessä paikassa. Kun lasersäde osui tähän mikrokantaan, tapahtui polaritonien emissio, joka ryntäsi vikaan loven muodossa. Mutta heti kun näiden innoissaan olevien hiukkasten virtaus saavutti vian, sen nopeus muuttui. Hiukkaset alkoivat liikkua nopeammin kuin äänen nopeus, mikä osoittaa, että siellä oli horisontti,jonka yli ääni ei voi mennä.
Tätä menetelmää käyttäen Nguyenin ryhmä ei ole vielä havainnut Hawking-säteilyä, mutta tutkijat uskovat, että jatkokokeiden aikana on mahdollista havaita kentältä lähtevien hiukkasten aiheuttamat värähtelyt mittaamalla niiden ympäristön tiheyden muutoksia. Muut kokeilijat ehdottavat polaritonien jäähdyttämistä Bose-Einstein-kondensaatiksi, jota voidaan sitten käyttää simuloimaan madonreikien muodostumista.
Vesi
Katso, miten vesi pyörii viemäriin suihkussa. Yllätyt, kun tiedät, että tarkastelet jotain mustaa aukkoa. Nottinghamin yliopiston laboratoriossa PhD Silke Weinfurtner simuloi kylpyammeessa olevia mustia aukkoja, kun hän kutsuu 2000 litran suorakaiteen muotoista säiliötä, jonka keskellä on viistosuppilo. Vesi syötetään säiliöön ylhäältä ja alhaalta, mikä antaa sille kulmamomentin, joka luo pyörteen suppiloon. Tässä vesipitoisessa analogissa valo korvaa pienet aallot veden pinnalla. Kuvittele esimerkiksi, että heität kiveä tähän virtaan ja katsot, kuinka aallot säteilevät siitä ympyröinä. Mitä lähempänä nämä aallot tulevat porealtaaseen, sitä vaikeampaa niiden on levitä vastakkaiseen suuntaan kuin se. Jossain vaiheessa nämä aallot lakkaavat leviämästä kokonaan,ja tätä kohtaa voidaan pitää tapahtumahorisontin analogina. Tällainen analogi on erityisen hyödyllinen simuloitaessa outoja fyysisiä ilmiöitä, joita esiintyy pyörivien mustien aukkojen ympärillä. Weinfurtner tutkii tätä ongelmaa parhaillaan.
Hän painottaa, että tämä ei ole kvanttitarkoituksessa musta aukko; tämä analogi ilmestyy huoneenlämpötilassa, ja mekaniikan klassisia ilmenemismuotoja voidaan havaita. "Se on likainen järjestelmä", sanoo tutkija. "Mutta voimme manipuloida sitä osoittaaksemme, että se on joustava muuttua. Haluamme varmistaa, että samoja ilmiöitä esiintyy astrofyysisissä järjestelmissä."