Tohtori Stephen Hawking toimitti vuonna 1974 huolestuttavan teorian, jonka mukaan mustia reikiä haihtui. Nyt, 40 vuotta myöhemmin, tutkija on ilmoittanut luoneen Hawkingin säteilyn simulaation laboratorioympäristössä.
Mustan aukon mahdollisuus tuli Einsteinin teoriasta yleisestä suhteellisuudesta. Karl Schwarzchild vuonna 1916 havaitsi ensimmäisenä gravitaation singulaarisuuden mahdollisuuden sitä ympäröivän rajan kanssa, jonka läpi tuleva valo tai aine ei pääse.
Tässä kuussa Jeff Steinhauer Technionista - Israelin teknillisestä instituutista kuvailee Nature-lehden artikkelissaan ”Itsensävahvistuneen Hawkingin säteilyn havaitseminen analogisessa mustan aukon laserissa”, kuinka hän loi analogisen tapahtumahorisontin aineella jäähdytettiin lähes absoluuttiseen nollaan ja lasereiden avulla pystyttiin havaitsemaan Hawkingin säteilyn emissio. Voisiko tämä olla ensimmäinen oikea todiste Hawkingin säteilyn olemassaolosta ja siksi sulkea kaikkien mustien reikien kohtalo?
Tämä ei ole ensimmäinen yritys luoda Hawkingin säteilyanalogi laboratoriossa. Vuonna 2010 luotiin analogia lasielementistä, laserista, peileistä ja jäähdytetystä ilmaisimesta (Phys. Rev. Letter, syyskuu 2010); ei savua peilien mukana. Lasin läpi kulkeva erittäin lyhyt voimakkaan laservalon pulssi aiheutti taitekerroinhäiriön (RIP), joka toimi tapahtumahorisontina. Valoa nähtiin säteilevän RIP: stä. Siitä huolimatta, F. Belgiornon et al. pysyvät kiistanalaisina. Lisää kokeiluja oli edelleen perusteltua.
Steinhauerin viimeisin yritys kopioida Hawkingin säteily on korkeamman teknologian lähestymistapa. Hän luo Bose-Einsteinin kondensaatin, eksoottisen aineen tilan hyvin lähellä absoluuttista nollalämpötilaa. Lauhteen sisällä luodut rajat toimivat tapahtumahorisontina. Ennen kuin tutustumme yksityiskohtiin, ottakaamme kuitenkin askel taaksepäin ja pohdi mitä Steinhauer ja muut yrittävät toistaa.
Resepti Hawkingin säteilyn tekemiseksi alkaa mustasta aukosta. Minkä tahansa kokoinen musta reikä tekee. Hawkingin teorian mukaan pienemmät mustat aukot säteilevät nopeammin kuin suuret ja että niihin puuttuvan aineen puuttuessa - lisääntyminen, "haihtuu" paljon nopeammin. Jättiläisillä mustilla reikillä voi kestää yli miljoona kertaa nykyisen maailmankauden ajan haihtuakseen Hawkingin säteilyn avulla. Kuten rengas, jolla on hidas vuoto, suurin osa mustista reikistä vie sinut lähimmälle korjausasemalle.
Joten sinulla on musta aukko. Sillä on tapahtumahorisontti. Tämä horisontti tunnetaan myös nimellä Schwarzchild-säde; valon tai aineen tarkistaminen tapahtumahorisonttiin ei voi koskaan tarkistaa. Tai niin, tämä oli hyväksytty käsitys, kunnes tohtori Hawkingin teoria selvitti sen. Ja tapahtumahorisontin ulkopuolella on tavallinen tila, jossa on joitain huomautuksia; harkitse sitä lisäämällä mausteita. Tapahtumahorisontissa mustasta aukosta tuleva painovoima on niin äärimmäinen, että se indusoi ja suurentaa kvanttivaikutuksia.
Kaikki avaruus - sisällämme ja ympäröivässä universumin päissä - sisältää kvantti tyhjiön. Virtuaalihiukkasparit ilmestyvät ja häviävät kaikkialla avaruuden kvantti tyhjiössä; tuhoavat välittömästi toisiaan erittäin lyhyillä aikaväleillä. Äärimmäisissä olosuhteissa tapahtumahorisontissa tapahtuu virtuaalihiukkas- ja antihiukkasparia, kuten elektronia ja positronia. Ne, jotka näyttävät riittävän lähellä tapahtumahorisonttia, voivat saada yhden tai toisen virtuaalisen hiukkasen zapped mustanreiän painovoiman avulla, jolloin jäljelle jää vain yksi partikkeli, joka on nyt vapaa lisäämään mustan aukon ympäristön säteilystä; säteily, jota kokonaisuudessaan tähtitieteilijät voivat käyttää mustan aukon havaitsemiseen, mutta ei suoraan havaitsemiseen. Se on Parin virtuaalihiukkasten osuus mustasta aukosta sen tapahtumahorisontissa, joka aiheuttaa Hawkingin säteilyn, joka itsessään edustaa massan nettohäviötä mustasta aukosta.
Joten miksi tähtitieteilijät eivät vain etsi avaruudessa Hawking-säteilyä? Ongelmana on, että säteily on hyvin heikkoa ja että se häviää säteilystä, jota tuottavat monet muut fyysiset prosessit, jotka ympäröivät mustaa reikää lisäyslevyllä. Säteily hukkuu energisten prosessien kuoron kautta. Joten suorin mahdollisuus on toistaa Hawkingin säteily analogia käyttämällä. Vaikka Hawkingin säteily on heikkoa verrattuna mustan aukon massaan ja energiaan, säteilyllä on käytännössä koko ajan maailmankaikkeudessa piippautua vanhemman rungostaan.
Siellä kasvavien mustien reikien ymmärtämisen lähentyminen johti tohtori Hawkingin perustyöhön. Teoreetikot, mukaan lukien Hawking, huomasivat, että huolimatta kvantti- ja gravitaatioteoriasta, joka on välttämätön mustan aukon kuvaamiseksi, mustat aukot käyttäytyvät myös kuin mustat rungot. Niitä säätelee termodynamiikka ja ne ovat entropian orjia. Hawkingin säteilyn tuotantoa voidaan luonnehtia termodynaamiseksi prosessiksi, ja tämä johtaa meidät takaisin eksperimentaattoreihin. Muita termodynaamisia prosesseja voitaisiin käyttää replikoimaan tämän tyyppisen säteilyn päästöjä.
Steinhauer ohjasi Bose-Einstein-kondensaatin astiassa lasersäteitä herkkään kondensaattiin tapahtumahorisontin luomiseksi. Lisäksi hänen kokeilunsa luo ääni-aaltoja, jotka jäävät loukkuun tapahtumahorisontin määrittelevien kahden rajan välillä. Steinhauer havaitsi, että ääniaallot hänen analogisessa tapahtumahorisontissaan vahvistuivat niin kuin valolle tapahtuu yhteisessä laserontelossa, mutta myös kuten Dr. Hawkingin teoria mustista reikistä ennustaa. Valo karkaa analogisesta tapahtumahorisontista läsnä olevalta laserilta. Steinhauer selittää, että tämä pakeneva valo edustaa kauan haettua Hawkingin säteilyä.
Tämän työn julkaiseminen luonnossa tehtiin huomattavan vertaisarvioinnin perusteella, joka oli hyväksyttävä, mutta se yksin ei vahvista hänen havaintojaan. Steinhauerin työ kestää nyt entistä tarkempia tarkastuksia. Toiset yrittävät kopioida hänen työtään. Hänen laboratorioasetuksensa on analoginen, ja on vielä tarkistettava, edustaako hän todella Hawkingin säteilyä.
Viitteet:
”Itsensävahvistuneen Hawking-säteilyn havaitseminen analogisessa mustan aukon laserissa”, Luontofysiikka, 12. lokakuuta 2014
”Hawking-säteily ultra-lyhytlaserpulss Filamenteista”, F. Belgiorno, et ai., Phys. Kirje, syyskuu 2010
”Mustareiän räjähdykset?”, S. W. Hawking, et ai., Luonto, 1. maaliskuuta 1974
”Mustajen reikien kvanttimekaniikka”, S. Hawking, tieteellinen amerikkalainen, tammikuu 1977
