Černá díra je fyzikální hřiště. Na tomto místě můžete sledovat a testovat nejbizarnější a nejzákladnější myšlenky a koncepty z oblasti fyziky. Dnes však neexistuje způsob, jak přímo pozorovat černé díry v akci; tyto formace nevyzařují světlo ani rentgenové paprsky, což lze detekovat moderními dalekohledy. Naštěstí fyzici našli způsoby, jak simulovat podmínky černé díry v laboratoři, a vytvořením analogů černých děr začínají řešit nejúžasnější tajemství fyziky.
Jeff Steinhauer, výzkumný pracovník na katedře fyziky na Izraelském technologickém institutu, nedávno upoutal pozornost celé fyzikální komunity oznámením, že používá analogii černé díry k potvrzení teorie Stephena Hawkinga, předložené v roce 1974. Tato teorie uvádí, že černé díry vyzařují elektromagnetické záření známé jako Hawkingovo záření. Hawking navrhl, že toto záření je způsobeno spontánním výskytem dvojice částic a antičástic na horizontu události, jak se nazývá bod na okraji černé díry, za kterou nemůže uniknout nic, ani světlo. Podle Hawkingovy teorie, když jedna z částic překročí horizont události a je zachycena černou dírou, druhá je vržena do vesmíru. Steinhowerův experiment byl první ukázkou těchto spontánních výkyvů,což potvrzuje Hawkingovy výpočty.
Fyzici varují, že tento experiment stále nepotvrzuje existenci Hawkingova záření v astronomických černých dírách, protože Steinhauerova černá díra není přesně to, co můžeme ve vesmíru pozorovat. Fyzicky ještě není možné vytvořit silná gravitační pole, která tvoří černé díry. Místo toho analog používá zvuk k napodobení schopnosti černé díry absorbovat světelné vlny.
"Tato zvuková vlna je jako snaha plavat proti proudu řeky." Ale řeka teče rychleji, než plaveš, “říká Steinhauer. Jeho tým ochladil oblak atomů na téměř absolutní nulu a vytvořil takzvaný Bose-Einsteinův kondenzát. Tím, že vědci vytvořili rychlejší tok plynu než rychlost zvuku, vytvořili systém, který zvukové vlny nemohou opustit.
Steinhauer publikoval svá pozorování na začátku srpna v článku v časopise Nature Physics. Jeho experiment je důležitý nejen proto, že umožnil pozorovat Hawkingovo záření. Steinhauer tvrdí, že sledoval, jak se částice emitované zvukovou černou dírou a částice v ní „zamotávají“. To znamená, že dvě částice současně mohou být v několika fyzikálních stavech, například na energetické úrovni, a že když známe stav jedné částice, můžeme okamžitě znát stav druhé.
Koncept analogu černé díry navrhl v 80. letech William Unruh, ale v laboratorních podmínkách byl vytvořen až v roce 2009. Od té doby vědci z celého světa vytvářejí analogy černé díry a mnozí z nich se snaží pozorovat Hawkingovo záření. Ačkoli Steinhauer byl prvním výzkumným pracovníkem, který byl v této oblasti úspěšný, analogové systémy již pomáhají fyzikům testovat rovnice a principy, které jsou u těchto teoretických systémů dlouho aplikovány, ale pouze na papíře. Ve skutečnosti je hlavní nadějí pro analogy černé díry, že mohou vědcům pomoci překonat jednu z největších výzev fyziky: kombinovat gravitaci s principy kvantové mechaniky, které jsou základem chování subatomárních částic, ale ještě nejsou kompatibilní se zákony. gravitace.
Ačkoli jsou použité metody velmi odlišné, princip je stejný pro každý analog černé díry. Každý z nich má bod, který, stejně jako horizont událostí, nemůže překročit žádná vlna použitá místo světla, protože požadovaná rychlost je příliš vysoká. Zde jsou některé ze způsobů, kterými vědci simulují černé díry v laboratoři.
Propagační video:
Sklenka
V roce 2010 skupina fyziků z milánské univerzity udělala rozruch ve vědecké komunitě a tvrdila, že pozorovali Hawkingovo záření z analogu černé díry, který byl vytvořen pomocí vysoce výkonných laserových pulzů zaměřených na křemičité sklo. Přestože bylo tvrzení vědců zpochybněno (fyzik William Unruh uvedl, že záření, které si všimli, je mnohem intenzivnější než vypočítané Hawkingovo záření a že jde špatným směrem), jejich analogie je stále velmi zajímavou metodou modelování horizontu událostí.
Tato metoda funguje následovně. První impuls aplikovaný na křemenné sklo je dostatečně silný, aby změnil index lomu (rychlost, kterou světlo vstupuje do látky) uvnitř skla. Když druhý impuls narazí na sklo, v důsledku změny indexu lomu zpomalí až do úplného zastavení a vytvoří „horizont“, za který světlo nemůže proniknout. Tento druh systému je opakem černé díry, ze které nemůže uniknout světlo, a proto se jí říkalo „bílá díra“. Ale jak říká Stephen Hawking, bílé a černé díry jsou v podstatě totéž, což znamená, že musí vykazovat stejné kvantové vlastnosti.
Další výzkumná skupina v roce 2008 ukázala, že podobným způsobem lze vytvořit bílou díru pomocí vláknové optiky. V dalších experimentech probíhají práce na vytvoření stejného horizontu událostí pomocí diamantu, který je méně zničen laserovým zářením než křemík.
Polaritony
Tým vedený Hai Son Nguyenem v roce 2015 demonstroval, že sonickou černou díru lze vytvořit pomocí polaritonů - podivného stavu hmoty zvaného kvazičástice. Vzniká při interakci fotonů s elementárními excitacemi média. Nguyenova skupina vytvořila polaritony zaostřením vysoce výkonného laseru na mikroskopickou dutinu arsenidu gália, což je dobrý polovodič. V něm vědci záměrně vytvořili malý zářez, který rozšířil dutinu na jednom místě. Když laserový paprsek zasáhl tuto mikrodutinu, byly emitovány polaritony, které se vrhly na defekt ve formě zářezu. Ale jakmile tok těchto vzrušených částic dosáhl defektu, jeho rychlost se změnila. Částice se začaly pohybovat rychleji než rychlost zvuku, což naznačuje, že existuje horizont,za kterou zvuk nemůže jít.
Pomocí této metody Nguyenův tým dosud nezjistil Hawkingovo záření, ale vědci se domnívají, že v průběhu dalších experimentů bude možné detekovat oscilace způsobené částicemi opouštějícími pole měřením změn v hustotě jejich prostředí. Jiní experimentátoři navrhují chlazení polaritonů na Bose-Einsteinův kondenzát, který lze poté použít k simulaci tvorby červích děr.
Voda
Při sprchování sledujte, jak voda víří dolů odtokem. Budete překvapeni, když víte, že se díváte na něco jako černou díru. V laboratoři na univerzitě v Nottinghamu doktorka Silke Weinfurtnerová simuluje černé díry v koupelně, když volá obdélníkovou nádrž o objemu 2 000 litrů se zkoseným nálevkou uprostřed. Voda je do nádrže přiváděna shora a zdola, což jí dodává momentální hybnost, která v trychtýři vytváří vířivku. V tomto vodném analogu nahrazuje světlo malé vlnky na povrchu vody. Představte si například, že vrháte kámen do tohoto proudu a sledujete, jak z něj vlny krouží. Čím blíže se tyto vlny blíží vířivce, tím obtížněji se šíří opačným směrem. V určitém okamžiku se tyto vlny přestanou šířit úplně,a tento bod lze považovat za analogii horizontu událostí. Takový analog je obzvláště užitečný pro simulaci zvláštních fyzikálních jevů, které se vyskytují kolem rotujících černých děr. Weinfurtner v současné době tento problém vyšetřuje.
Zdůrazňuje, že to není černá díra v kvantovém smyslu; tento analog se objevuje při pokojové teplotě a lze pozorovat pouze klasické projevy mechaniky. „Je to špinavý systém,“říká výzkumník. „Ale můžeme s ním manipulovat, abychom ukázali, že je odolný vůči změnám. Chceme zajistit, aby se stejné jevy vyskytovaly v astrofyzikálních systémech. “