Svarta hål är områden i rymdtid med stora mängder gravitation. Forskare trodde ursprungligen att ingenting kunde undgå gränserna för dessa massiva föremål, inklusive ljus.

Svarta håls exakta natur har ifrågasatts ända sedan Albert Einsteins allmänna relativitetsteori gav upphov till möjligheten att de existerade. Bland de mest kända fynden var den engelske fysikern Stephen Hawkings förutsägelse att vissa partiklar faktiskt släpps ut vid kanten av ett svart hål.

Fysiker har också undersökt hur dammsugare fungerar. I början av 1970-talet som Hawking beskrev hur ljus kan undkomma ett svart håls gravitationskraft, Den kanadensiska fysikern William Unruh föreslog att en fotodetektor som accelererade tillräckligt snabbt kunde "se" ljus i ett vakuum.

Ny forskning från Dartmouth främjar dessa teorier genom att i detalj beskriva ett sätt att producera och detektera ljus som tidigare ansågs vara omöjligt att observera.

"I vardaglig mening, fynden verkar överraskande nog antyda förmågan att producera ljus från det tomma vakuumet, " säger Miles Blencowe, Eleanor och A. Kelvin Smith Distinguished Professor in Physics och studiens seniorforskare. "Vi har, i huvudsak, producerade något från ingenting; tanken på det är bara väldigt cool."

I klassisk fysik, vakuumet ses som frånvaron av materia, ljus, och energi. Inom kvantfysik, vakuumet är inte så tomt, men fyllda med fotoner som fluktuerar in och ut ur existensen. Dock, sådant ljus är praktiskt taget omöjligt att mäta.

Med vetenskapen som redan visar att observation av ljus i vakuum är möjlig, laget bestämde sig för att hitta ett praktiskt sätt att upptäcka fotonerna.

Teorin, publiceras i Kommunikationsfysik , förutspår att kvävebaserade defekter i ett snabbt accelererande diamantmembran kan göra upptäckten.

I det föreslagna experimentet, en syntetisk diamant i frimärke som innehåller de kvävebaserade ljusdetektorerna hänger i en superkyld metalllåda som skapar ett vakuum. Membranet, som fungerar som en tjudrad studsmatta, accelereras med massiva hastigheter.

"Rörelsen av diamanten producerar fotoner, säger Hui Wang, Guarini '21, en postdoktoral forskare som skrev den teoretiska uppsatsen som doktorand. "I huvudsak, allt du behöver göra är att skaka något tillräckligt våldsamt för att producera intrasslade fotoner."

Studien, som stöddes av National Science Foundation, är den första att utforska med hjälp av flera fotondetektorer – diamantdefekterna – för att förstärka accelerationen och öka detekteringskänsligheten. Oscillering av diamanten gör också att experimentet kan äga rum i ett kontrollerbart utrymme med intensiv acceleration.

"De fotoner som detekteras av diamanten produceras i par, "säger Hui." Denna produktion av parade, intrasslade fotoner är bevis på att fotonerna produceras i ett vakuum och inte från en annan källa."

Det detekterade ljuset finns i mikrovågsfrekvens, så är inte synligt för det mänskliga ögat, men Blencowe och Wang hoppas att arbetet bidrar till förståelsen av fysiska krafter som bidrar till samhället på det sätt som annan teoretisk forskning har gjort. Särskilt, arbetet kan hjälpa till att kasta experimentellt ljus över Hawkings förutsägelse om att utstråla svarta hål genom linsen av Einsteins forskning.

"En del av ansvaret och glädjen att vara teoretiker som oss själva är att lägga ut idéer där ute, " säger Blencowe. "Vi försöker visa att det är möjligt att göra det här experimentet, att testa något som hittills varit utomordentligt svårt."