Forskare vid Weizmann Institute of Science och Cinvestav genomförde nyligen en studie som testade teorin om Hawking -strålning på laboratorieanaloger av svarta hål. I deras experiment, de använde ljuspulser i olinjär fiberoptik för att fastställa artificiella händelsehorisonter.

1974, den kända fysikern Stephen Hawking förvånade fysikvärlden med sin teori om Hawking -strålning, som föreslog att snarare än att vara svart, svarta hål ska lysa något på grund av kvanteffekter nära det svarta hålets händelsehorisont. Enligt Hawkings teori, det starka gravitationsfältet runt ett svart hål kan påverka produktionen av matchande par partiklar och antipartiklar.

Skulle dessa partiklar skapas strax utanför händelsehorisonten, den positiva delen av detta par partiklar kunde fly, vilket resulterar i en observerad termisk strålning som avges från det svarta hålet. Denna strålning, som senare kallades Hawking -strålning, skulle därför bestå av fotoner, neutriner och andra subatomära partiklar. Teorin om Hawking -strålning var bland de första som kombinerade begrepp från kvantmekanik med Albert Einsteins teori om allmän relativitet.

"Jag lärde mig allmän relativitet 1997 genom att föreläsa en kurs, inte genom att gå en kurs, "Ulf Leonhardt, en av forskarna som genomförde den senaste studien, berättade Phys.org . "Det här var en ganska stressig upplevelse där jag bara var några veckor före eleverna, men jag lärde mig verkligen om General Relativity och blev kär i den. Passande, detta hände också i Ulm, Einsteins födelseort. Sedan dess, Jag har letat efter kopplingar mellan mitt forskningsområde, kvantoptik och allmän relativitet. Mitt huvudmål är att avmystifiera allmän relativitet. Om, som jag och andra har visat, vanliga optiska material som glas fungerar som krökta utrymmen, då blir den krökta rymdtiden för allmän relativitet något konkret, utan att förlora sin charm. "

I samarbete med hans första doktorand. student Paul Piwnicki, Leonhardt sammanställde några första idéer om hur man skapar optiska svarta hål, som publicerades 1999 och 2000. År 2004, han uppnådde äntligen en metod som faktiskt fungerade, som är den som användes i hans senaste studie.

"Tänka, som i Einsteins gedanken -experiment, ljus jagar efter ännu en ljuspuls, "Leonhardt förklarade." Antag att allt ljus rör sig inuti en optisk fiber. I glasfiber, pulsen ändrar ljusets hastighet som jagar den lite, så att ljuset inte kan passera pulsen. Den upplever en vithålshorisont; en plats som den inte kan komma in på. Pulsens framsida verkar som raka motsatsen:en svart hålshorisont, en plats som ljuset inte kan lämna. Detta är tanken i ett nötskal. "

Leonhardt och hans kollegor publicerade och demonstrerade denna idé 2008. Därefter de försökte använda den för att demonstrera Hawking -strålning.

Hawking -strålning har aldrig observerats direkt i rymden, eftersom det för närvarande inte är möjligt. Dock, det kan demonstreras i laboratoriemiljöer, till exempel, använder Bose-Einstein-kondensat, vattenvågor, polaritoner eller ljus. Förr, flera forskare försökte testa Hawking -strålning i laboratoriet med hjälp av dessa tekniker, men de flesta av deras studier var, faktiskt, problematiskt och har således bestridits.

Till exempel, några tidigare fynd som erhållits med intensiva ljuspulser i optiska medier visade sig vara oförenliga med teorin. Istället för att observera Hawking -strålning från horisonter, som författarna själva fick reda på senare, dem hade, faktiskt, observerade horisontell strålning skapad av deras ljuspulser, eftersom de överskred ljusets fashastighet för andra frekvenser. Andra studier som försökte observera Hawking-strålning på vattenvågor och i Bose-Einstein-kondensat visade sig också vara problematiska.

Diskutera resultaten av dessa studier med Fysikvärlden , Leonhardt skrev, "Jag beundrar stor hjältemod hos de människor som gör dem, och deras tekniska färdigheter och expertis, men detta är ett svårt ämne. "Han skrev också:" Horisonter är perfekta fällor; det är lätt att fastna bakom dem utan att märka det, och detta gäller horisontforskning, också. Vi lär oss och blir experter enligt den klassiska definitionen:En expert är någon som har gjort alla möjliga misstag (och lärt sig av dem). "

Som bevisats av tidigare ansträngningar, observera Hawking -strålning i labbet är en mycket utmanande uppgift. Studien utförd av Leonhardt och hans kollegor kan vara den första giltiga demonstrationen av Hawking -strålning inom optik.

"Svarta hål är omgivna av deras evenemangshorisonter, "Leonhardt förklarade." Horisonten markerar gränsen där ljus inte längre kan fly. Hawking förutspådde att vid horisonten skapas ljuskvanta - fotoner -. En foton dyker upp utanför horisonten och kan komma undan, medan dess partner dyker upp på insidan och faller i det svarta hålet. Enligt kvantmekanik, partiklar är associerade med vågor. Fotonen på utsidan tillhör en våg som oscillerar med positiv frekvens, vågen av sin partner på insidan oscillerar med en negativ frekvens. "

I deras studie, Leonhardt och hans kollegor gjorde ljus av positiva och negativa frekvenser. Deras positivfrekventa ljus var infrarött, medan den negativa frekvensen var ultraviolett. Forskarna upptäckte dem båda och jämförde dem sedan med Hawkings teori.

Det lilla ultravioletta ljuset som de lyckades upptäcka med känslig utrustning är det första tydliga tecknet på stimulerad Hawking -strålning i optik. Denna strålning kallas "stimulerad" eftersom den stimuleras av sondljuset som forskarna skickade in för att jaga pulserna.

"Vårt viktigaste fynd, kanske, är att svarta hål inte är något utöver det vanliga, men att de liknar vad ljuspulser gör med vanligt ljus i fibrer, "Sa Leonhardt." Det är inte lätt att visa subtila kvantefenomen som Hawking -strålning. Det tar extremt korta pulser, extraordinära fibrer, känslig utrustning och, sist men inte minst, engagerade elevers hårda arbete. Men även Hawking -strålning är något man faktiskt kan förstå. "

Studien utförd av Leonhardt och hans kollegor är ett viktigt bidrag till fysikområdet, eftersom det ger den första laboratoriedemonstrationen av Hawking -strålning inom optik. Forskarna fann också att analogin med händelsehorisonter var anmärkningsvärt robust, trots att man har drivit optiken till det yttersta, vilket ökade deras förtroende för giltigheten av deras teorier.

"Vi måste nu förbättra vår inställning för att göra oss redo för nästa stora utmaning:observation av spontan Hawking -strålning, "Sa Leonhardt." I det här fallet, strålningen stimuleras inte längre, utom genom de oundvikliga fluktuationerna i kvantevakuumet. Våra nästa mål är steg som förbättrar apparaten och testar olika aspekter av stimulerad Hawking -strålning, innan du går hela vägen till spontan Hawking -strålning. "

© 2019 Science X Network