Dr. Stephen Hawking leverte en urovekkende teori i 1974 som hevdet at sorte hull fordamper. Nå, 40 år senere, har en forsker kunngjort opprettelsen av en simulering av Hawking-stråling i et laboratorium.
Muligheten for et svart hull kom fra Einsteins teori om generell relativitet. Karl Schwarzchild i 1916 var den første til å innse muligheten for en gravitasjons-singularitet med en grense som omgir det lys eller materie som kommer inn ikke kan unnslippe.
Denne måneden beskriver Jeff Steinhauer fra Technion - Israel Institute of Technology i sin artikkel, "Observasjon av selvforsterkende Hawking-stråling i en analog svart hull-laser" i tidsskriftet Nature, hvordan han skapte en analog hendelseshorisont ved bruk av et stoff avkjølt til nesten absolutt null og bruk av lasere var i stand til å oppdage utslipp av Hawking-stråling. Kan dette være det første gyldige beviset på eksistensen av Hawking-stråling og følgelig forsegle skjebnen til alle sorte hull?
Dette er ikke det første forsøket på å lage en Hawking-strålingsanalog i et laboratorium. I 2010 ble det opprettet en analog fra en blokk med glass, en laser, speil og en kjølt detektor (Phys. Rev. Letter, Sept 2010); ingen røyk fulgte med speilene. Den ultrakorte pulsen av intens laserlys som passerte gjennom glasset induserte en brytningsindeks-forstyrrelse (RIP) som fungerte som en hendelseshorisont. Det ble sett lys fra seg fra RIP. Likevel er resultatene av F. Belgiorno et al. forbli kontroversiell. Flere eksperimenter var fortsatt berettiget.
Det siste forsøket på å replisere Hawking-stråling fra Steinhauer tar en mer høyteknologisk tilnærming. Han lager et Bose-Einstein-kondensat, en eksotisk tilstand av materie ved veldig nær absolutt null temperatur. Grenser opprettet i kondensatet fungerte som en hendelseshorisont. Før vi går nærmere inn på, la oss imidlertid ta et skritt tilbake og vurdere hva Steinhauer og andre prøver å gjenskape.
Oppskriften for å lage Hawking-stråling begynner med et svart hull. Enhver sort svart hull vil gjøre. Hawkings teori sier at mindre sorte hull raskere vil stråle enn større, og i mangel av at materie faller inn i dem - akkresjon, vil "fordampe" mye raskere. Gigantiske sorte hull kan ta lenger enn en million ganger universums nåtid for å fordampe ved hjelp av Hawking-stråling. Som et dekk med langsom lekkasje, vil de fleste sorte hull føre deg til nærmeste reparasjonsstasjon.
Så du har et svart hull. Det har en hendelseshorisont. Denne horisonten er også kjent som Schwarzchild-radius; lys eller materie som sjekker inn i hendelseshorisonten, kan aldri sjekke ut. Eller slik var dette den aksepterte forståelsen inntil Dr. Hawkings teori støttet den. Og utenfor hendelseshorisonten er vanlig rom med noen advarsler; vurdere det med noen krydder lagt til. I hendelseshorisonten er tyngdekraften fra det sorte hullet så ekstrem at den induserer og forstørrer kvanteeffekter.
Alt av rom - i oss og rundt oss til universets ender inkluderer et kvantevakuum. Overalt i rommets kvantevakuum vises virtuelle partikkelpar og forsvinner; straks å utslette hverandre på ekstremt korte tidsskalaer. Med de ekstreme forholdene ved hendelseshorisonten, materialiseres virtuelle partikkel- og anti-partikelpar, for eksempel et elektron og positron. De som vises nær nok en hendelseshorisont, kan ha den ene eller den andre virtuelle partikkelen som er tappet av tyngdekraften av de svarte hullene, og bare etterlate en partikkel som følgelig nå er fri til å tilføre strålingen som kommer ut rundt det sorte hullet; den strålingen som helhet er hva astronomer kan bruke for å oppdage tilstedeværelsen av et svart hull, men ikke direkte observere det. Det er den Oppheve paring av virtuelle partikler ved det sorte hullet ved dens begivenhetshorisont som forårsaker Hawking-strålingen som i seg selv representerer et nettotap av masse fra det sorte hullet.
Så hvorfor søker ikke astronomer bare i verdensrommet etter Hawking-stråling? Problemet er at strålingen er veldig svak og blir overveldet av stråling produsert av mange andre fysiske prosesser som omgir det sorte hullet med en akkresjonsskive. Strålingen druknes ut av kor energiske prosesser. Så den mest umiddelbare muligheten er å gjenskape Hawking-stråling ved å bruke en analog. Mens Hawking-stråling er svak i forhold til massen og energien til et svart hull, har strålingen i all hovedsak hele tiden i Universet å spikke bort ved sin overordnede kropp.
Det var her konvergensen av den økende forståelsen av sorte hull førte til Dr. Hawkings sømmearbeid. Teoretikere inkludert Hawking innså at til tross for kvante- og gravitasjonsteorien som er nødvendig for å beskrive et svart hull, oppfører sorte hull seg også som svarte kropper. De styres av termodynamikk og er slaver for entropi. Produksjonen av Hawking-stråling kan karakteriseres som en termodynamisk prosess, og det er dette som fører oss tilbake til eksperimentalistene. Andre termodynamiske prosesser kan brukes til å gjenskape utslippet av denne typen stråling.
Ved å bruke Bose-Einstein-kondensatet i et fartøy dirigerte Steinhauer laserstråler inn i det delikate kondensatet for å skape en hendelseshorisont. Videre skaper eksperimentet hans lydbølger som blir fanget mellom to grenser som definerer hendelseshorisonten. Steinhauer fant ut at lydbølgene i hans analoge hendelseshorisont ble forsterket som skjer med lys i et vanlig laserhulrom, men også som forutsagt av Dr. Hawkings teori om sorte hull. Lys slipper ut fra laseren til stede i den analoge hendelseshorisonten. Steinhauer forklarer at dette rømningslyset representerer den ettertraktede Hawking-strålingen.
Publisering av dette arbeidet i Nature gjennomgikk betydelig fagfellevurdering for å bli akseptert, men det alene ikke validerer funnene hans. Steinhauer sitt arbeid vil nå tåle enda større gransking. Andre vil prøve å duplisere arbeidet hans. Lab-oppsettet hans er en analog, og det gjenstår å bekrefte at det han observerer virkelig representerer Hawking-stråling.
referanser:
“Observasjon av selvforsterkende Hawking-stråling i en analog laser med svart hull”, Nature Physics, 12. oktober 2014
“Hawking Radiation from Ultrashort Laser Pulse Filaments”, F. Belgiorno, et al., Phys. Brev, september 2010
“Svarthulleksplosjoner?”, S. W. Hawking, et al., Nature, 1. mars 1974
“The Quantum Mechanics of Black Holes”, S. Hawking, Scientific American, januar 1977
