Черната дупка е площадка за физика. Тук е мястото да наблюдаваме и тестваме най-странните и основни идеи и концепции от областта на физиката. Днес обаче няма начин директно да се наблюдават черните дупки в действие; тези образувания не излъчват светлина или рентгенови лъчи, които могат да бъдат открити от съвременните телескопи. За щастие физиците са намерили начини да симулират условията на черна дупка в лабораторията и създавайки аналози на черните дупки, те започват да разрешават най-удивителните загадки на физиката.
Джеф Щайнхауер, изследовател от Катедрата по физика в Израелския технологичен институт, наскоро привлече вниманието на цялата физическа общност, като обяви, че използва аналог на черна дупка, за да потвърди теорията на Стивън Хокинг, изложена през 1974 г. Тази теория гласи, че черните дупки излъчват електромагнитно излъчване, известно като радиация на Хокинг. Хокинг предполага, че това излъчване е причинено от спонтанната поява на двойка частица-частица на хоризонта на събитията, както се нарича точката на ръба на черна дупка, отвъд която нищо, дори светлината, не може да избяга. Според теорията на Хокинг, когато една от частиците пресича хоризонта на събитията и е уловена от черна дупка, другата се изхвърля в космоса. Експериментът на Steinhower беше първата демонстрация на тези спонтанни колебания,които потвърждават изчисленията на Хокинг.
Физиците предупреждават, че този експеримент все още не потвърждава съществуването на радиация на Хокинг в астрономическите черни дупки, тъй като черната дупка на Щайнхауер не е точно това, което можем да наблюдаваме в космоса. Физически все още не е възможно да се създадат мощни гравитационни полета, които да образуват черни дупки. Вместо това аналогът използва звук, за да имитира способността на черна дупка да абсорбира светлинни вълни.
„Тази звукова вълна е като да се опитваш да плуваш срещу течението на река. Но реката тече по-бързо, отколкото вие плувате “, казва Щайнхауер. Неговият екип охлажда облака от атоми до почти абсолютна нула, създавайки така наречения кондензат на Бозе-Айнщайн. Правейки газовия поток по-бърз от скоростта на звука, учените създадоха система, която звуковите вълни не могат да напуснат.
Щайнхауер публикува своите наблюдения в началото на август в статия в списанието Nature Physics. Неговият експеримент е важен не само защото той направи възможно наблюдението на радиацията на Хокинг. Щайнхауер твърди, че е наблюдавал частиците, излъчвани от звуковата черна дупка, и частиците вътре в нея „се заплитат“. Това означава, че две частици едновременно могат да бъдат в няколко физически състояния, например енергийно ниво, и че познавайки състоянието на едната частица, можем веднага да познаем състоянието на другата.
Концепцията за аналог на черна дупка е предложена през 80-те години от Уилям Унрух, но тя е създадена в лабораторни условия до 2009 г. Оттогава учени по целия свят създават аналози на черната дупка и много от тях се опитват да наблюдават радиацията на Хокинг. Въпреки че Щайнхауер е първият изследовател, който е успял на този фронт, аналоговите системи вече помагат на физиците да тестват уравненията и принципите, отдавна прилагани към тези теоретични системи, но само на хартия. Всъщност основната надежда за аналозите на черната дупка е, че те могат да помогнат на учените да преодолеят едно от най-големите предизвикателства във физиката: да комбинират гравитацията с принципите на квантовата механика, които са в основата на поведението на субатомните частици, но все още не са съвместими със законите. земно притегляне.
Въпреки че използваните методи са много различни, принципът е един и същ за всеки аналог на черна дупка. Всяка има точка, която, подобно на хоризонта на събитията, не може да бъде пресечена от която и да е вълна, използвана вместо светлина, тъй като необходимата скорост е твърде висока. Ето някои от начините, по които учените симулират черни дупки в лабораторията.
Промоционално видео:
Стъклена чаша
През 2010 г. група физици от Университета в Милано нашумяха в научната общност, твърдейки, че са наблюдавали радиация на Хокинг от аналог на черна дупка, който е създаден с помощта на мощни лазерни импулси, насочени към силикатно стъкло. Въпреки че твърдението на учените беше поставено под въпрос (физикът Уилям Унру каза, че радиацията, която са забелязали, е много по-интензивна от изчислената радиация на Хокинг и че тя върви в грешната посока), създаденият от тях аналог все още е много интересен метод за моделиране на хоризонта на събитията.
Този метод работи по следния начин. Първият импулс, насочен към кварцовото стъкло, е достатъчно силен, за да промени индекса на пречупване (скоростта, с която светлината навлиза в веществото) вътре в стъклото. Когато вторият импулс удари стъклото, поради промяната в показателя на пречупване, той се забавя до пълно спиране, създавайки „хоризонт“, отвъд който светлината не може да проникне. Този вид система е противоположна на черна дупка, от която не може да избяга никаква светлина и затова тя е наречена „бяла дупка“. Но както казва Стивън Хокинг, белите и черните дупки са основно едно и също нещо, което означава, че те трябва да проявяват едни и същи квантови свойства.
Друга изследователска група през 2008 г. показа, че бяла дупка може да бъде създадена по подобен начин с помощта на оптични влакна. По-нататъшни експерименти работят за създаване на същия хоризонт на събитията с помощта на диамант, който е по-малко разрушен от лазерно лъчение от силиция.
Поларитони
Екипът, воден от Хай Сон Нгуен, демонстрира през 2015 г., че може да се създаде звукова черна дупка с помощта на поляритони - странно материално състояние, наречено квазичастица. Образува се, когато фотоните взаимодействат с елементарни възбуждания на средата. Групата на Нгуен създава поляритони, като фокусира лазер с висока мощност върху микроскопична кухина от галиев арсенид, който е добър полупроводник. В него учените умишлено създадоха малък прорез, който разширява кухината на едно място. Когато лазерният лъч удари тази микрокухина, бяха излъчени поляритони, които се втурнаха към дефекта под формата на прорез. Но щом потокът от тези възбудени частици достигна дефекта, скоростта му се промени. Частиците започнаха да се движат по-бързо от скоростта на звука, което показва, че има хоризонт,отвъд които звукът не може да отиде.
Използвайки този метод, екипът на Нгуен все още не е открил радиацията на Хокинг, но учените вярват, че в хода на по-нататъшните експерименти ще бъде възможно да се открият трептения, причинени от частици, напускащи полето, чрез измерване на промените в плътността на тяхната среда. Други експериментатори предлагат охлаждане на поляритони до кондензат на Бозе-Айнщайн, който след това може да се използва за симулиране на образуването на червееви дупки.
Вода
Наблюдавайте как водата се вихри в канализацията, докато се къпете. Ще бъдете изненадани да разберете, че гледате нещо като черна дупка. В лаборатория в Университета в Нотингам докторът Силке Вайнфуртнер симулира черни дупки във вана, тъй като нарича 2000-литров правоъгълен резервоар със скосена фуния в центъра. Водата се подава в резервоара отгоре и отдолу, което му придава ъглов импулс, което създава вихър във фунията. В този воден аналог светлината замества малки вълнички на повърхността на водата. Представете си например, че хвърляте камък в този поток и гледате как вълните се излъчват от него в кръгове. Колкото по-близо тези вълни се приближават до водовъртежа, толкова по-трудно им е да се разпространяват в обратна посока от него. В един момент тези вълни спират да се разпространяват изцяло,и тази точка може да се счита за аналог на хоризонта на събитията. Такъв аналог е особено полезен за моделиране на странни физически явления, които се случват около въртящи се черни дупки. В момента Weinfurtner разследва този проблем.
Тя подчертава, че това не е черна дупка в квантовия смисъл; този аналог се появява при стайна температура и могат да се наблюдават само класически прояви на механика. „Това е мръсна система - казва изследователят. - Но можем да я манипулираме, за да покажем, че е устойчива на промяна. Искаме да се уверим, че същите явления се срещат и в астрофизичните системи."