Juodoji skylė yra fizikos žaidimų aikštelė. Čia reikia stebėti ir išbandyti keisčiausias ir pagrindines fizikos srities idėjas ir koncepcijas. Tačiau šiandien nėra jokio būdo tiesiogiai stebėti juodąsias skyles; šios formacijos neskleidžia šviesos ar rentgeno spindulių, kuriuos galima aptikti šiuolaikiniais teleskopais. Laimei, fizikai rado būdų, kaip laboratorijoje imituoti juodosios skylės sąlygas, ir, sukurdami juodųjų skylių analogus, jie pradeda spręsti nuostabiausias fizikos paslaptis.
Izraelio technologijos instituto Fizikos katedros tyrėjas Jeffas Steinhaueris neseniai atkreipė visos fizikos bendruomenės dėmesį paskelbdamas, kad jis naudojo juodosios skylės analogą, kad patvirtintų Stepheno Hawkingo 1974 m. Teoriją. Ši teorija teigia, kad juodosios skylės skleidžia elektromagnetinę spinduliuotę, vadinamą Hawkingo spinduliuote. Hawkingas teigė, kad šią spinduliuotę sukelia spontaniškas dalelių ir antidalelių poros atsiradimas įvykių horizonte, nes vadinamas taškas juodosios skylės pakraštyje, už kurio niekas, net ne šviesa, negali išbėgti. Pagal Hawkingo teoriją, kai viena iš dalelių kerta įvykių horizontą ir ją užfiksuoja juodoji skylė, kita išmetama į kosmosą. Steinhowerio eksperimentas buvo pirmasis tų spontaniškų svyravimų demonstravimas,kurie patvirtina Hawkingo skaičiavimus.
Fizikai perspėja, kad šis eksperimentas vis dar nepatvirtina Hawkingo radiacijos egzistavimo astronominėse juodosiose skylėse, nes Steinhauer juodoji skylė nėra tiksliai tai, ką galime pastebėti kosmose. Fiziškai kol kas neįmanoma sukurti galingų gravitacinių laukų, kurie suformuotų juodąsias skyles. Vietoj to, analogas naudoja garsą, kad imituotų juodosios skylės sugebėjimą sugerti šviesos bangas.
„Ši garso banga yra tarsi bandymas plaukti prieš upės srovę. Bet upė teka greičiau nei tu plauki “, - sako Steinhauer. Jo komanda atvėsino atomų debesį iki beveik absoliutaus nulio, sukurdama vadinamąjį Bose-Einšteino kondensatą. Padarydami dujas greičiau nei garso greitis, mokslininkai sukūrė sistemą, iš kurios garso bangos negali išeiti.
Steinhaueris savo pastebėjimus paskelbė rugpjūčio pradžioje žurnalo „Nature Physics“straipsnyje. Jo eksperimentas yra svarbus ne tik todėl, kad jis leido stebėti Hawkingo radiaciją. Steinhaueris tvirtina stebėjęs, kaip dalelės, kurias skleidžia garsinė juodoji skylė, ir joje esančios dalelės „įsipainioja“. Tai reiškia, kad dvi dalelės tuo pačiu metu gali būti keliose fizinėse būsenose, pavyzdžiui, energijos lygyje, ir kad žinodami vienos dalelės būseną, mes galime iš karto žinoti kitos dalelės būseną.
Juodosios skylės analogo koncepciją 1980-aisiais pasiūlė Williamas Unruhas, tačiau laboratorijoje ji buvo sukurta tik 2009 m. Nuo tada viso pasaulio mokslininkai kuria juodosios skylės analogus, ir daugelis jų bando stebėti Hawkingo radiaciją. Nors Steinhaueris buvo pirmasis mokslininkas, sėkmingai pasirodęs šiame fronte, analoginės sistemos jau padeda fizikams išbandyti lygtis ir principus, kurie jau seniai taikomi šioms teorinėms sistemoms, tačiau tik popieriuje. Tiesą sakant, pagrindinė juodųjų skylių analogų viltis yra ta, kad jie gali padėti mokslininkams įveikti vieną didžiausių fizikos iššūkių: sujungti gravitaciją su kvantinės mechanikos principais, kuriais grindžiami subatominių dalelių elgesys, tačiau kurie dar nesuderinami su dėsniais. gravitacija.
Nors naudojami metodai yra labai skirtingi, principas yra tas pats kiekvienam juodosios skylės analogui. Kiekvienas turi tašką, kurio, kaip ir įvykio horizonto, negali kirsti jokia vietoj šviesos naudojama banga, nes reikalingas greitis yra per didelis. Čia yra keletas būdų, kaip mokslininkai imituoja juodąsias skyles laboratorijoje.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Stiklas
2010 m. Milano universiteto fizikų grupė pasipylė mokslo bendruomenėje teigdama, kad jie stebėjo Hawkingo spinduliuotę iš juodosios skylės analogo, kuris buvo sukurtas naudojant galingus lazerio impulsus, nukreiptus į silicio dioksido stiklą. Nors mokslininkų teiginys buvo suabejotas (fizikas Williamas Unruhas teigė, kad jų pastebėta spinduliuotė yra daug intensyvesnė nei apskaičiuota Hawkingo spinduliuotė ir kad ji eina neteisinga linkme), jų sukurtas analogas vis dar yra labai įdomus metodas modeliuojant įvykių horizontą.
Šis metodas veikia taip. Pirmasis impulsas, nukreiptas į kvarco stiklą, yra pakankamai stiprus, kad pakeistų lūžio rodiklį (greitį, kuriuo šviesa patenka į medžiagą) stiklo viduje. Antrasis impulsas, pataikęs į stiklą, dėl lūžio rodiklio pasikeitimo sulėtėja iki visiško sustojimo, sukurdamas „horizontą“, už kurio šviesa negali prasiskverbti. Tokia sistema yra priešinga juodajai skylei, iš kurios šviesa negali ištrūkti, todėl ji buvo vadinama „balta skylė“. Tačiau, kaip sako Stephenas Hawkingas, baltosios ir juodosios skylės iš esmės yra tas pats dalykas, o tai reiškia, kad jos turi pasižymėti tomis pačiomis kvantinėmis savybėmis.
Kita tyrimų grupė 2008 m. Parodė, kad baltąją skylę panašiu būdu galima sukurti naudojant optinę skaidulą. Tolesni eksperimentai siekia sukurti tą patį įvykių horizontą naudojant deimantą, kurį lazerio spinduliuotė mažiau sunaikina nei silicį.
Polaritonai
Hai Son Nguyeno vadovaujama komanda 2015 m. Parodė, kad naudojant poliaritus galima sukurti garsinę juodąją skylę - keistą materijos būseną, vadinamą kvazidalele. Jis susidaro fotonams sąveikaujant su elementariais terpės sužadinimais. Nguyeno grupė sukūrė polaritonus, nukreipdama didelės galios lazerį į mikroskopinę galio arsenido ertmę, kuri yra geras puslaidininkis. Viduje mokslininkai sąmoningai sukūrė mažą išpjovą, kuri vienoje vietoje išplėtė ertmę. Kai lazerio spindulys pataikė į šią mikrokavą, išsiskyrė polaritonai, kurie įpjovos pavidalu išskubėjo į defektą. Tačiau kai tik šių sužadintų dalelių srautas pasiekė defektą, jo greitis pasikeitė. Dalelės pradėjo judėti greičiau nei garso greitis, rodydamas, kad yra horizontas,už kurio garsas negali išeiti.
Taikydama šį metodą, Nguyeno komanda dar neaptiko Hawkingo spinduliuotės, tačiau mokslininkai siūlo, kad atliekant tolesnius eksperimentus bus galima nustatyti svyravimus, kuriuos sukelia dalelės, išeinančios iš lauko, matuojant jų aplinkos tankio pokyčius. Kiti eksperimentatoriai siūlo polaritonus atvėsinti iki Bose-Einstein kondensato, kuris vėliau gali būti naudojamas imituoti kirmgraužių susidarymą.
Vanduo
Stebėkite, kaip vanduo teka po kanalizaciją. Nustebsite sužinoję, kad žiūrite į kažką panašaus į juodąją skylę. Notingemo universiteto laboratorijoje daktarė Silke Weinfurtner imituoja juodąsias skylutes vonioje, nes ji vadina 2000 litrų stačiakampio formos baką, kurio centre yra išlenktas piltuvas. Vanduo į baką tiekiamas iš viršaus ir apačios, o tai suteikia kampinį impulsą, kuris sukuria sūkurį piltuve. Šiame vandeniniame analoge šviesa pakeičia mažus bangas vandens paviršiuje. Įsivaizduokite, pavyzdžiui, kad metate akmenį į šią srovę ir stebite iš jo sklindančias bangas ratu. Kuo arčiau šios bangos ateina į sūkurį, tuo sunkiau joms sklisti priešinga kryptimi nuo jo. Tam tikru momentu šios bangos visiškai nustoja plisti,ir šį tašką galima laikyti įvykių horizonto analogu. Toks analogas ypač naudingas imituojant keistus fizinius reiškinius, vykstančius aplink besisukančias juodąsias skyles. Šiuo metu „Weinfurtner“tiria šią problemą.
Ji pabrėžia, kad tai nėra juodoji skylė kvantine prasme; šis analogas pasirodo kambario temperatūroje ir galima pastebėti tik klasikines mechanikos apraiškas. „Tai nešvari sistema, - sako mokslininkas. - Tačiau mes galime ja manipuliuoti, kad parodytume, jog ji yra atspari pokyčiams. Mes norime įsitikinti, kad tie patys reiškiniai pasitaiko ir astrofizinėse sistemose “.