Stephen Hawking predložil v roku 1974 znepokojujúcu teóriu, podľa ktorej sa čierne diery odparujú. Teraz, o 40 rokov neskôr, vedec oznámil vytvorenie simulácie Hawkingovho žiarenia v laboratórnom prostredí.
Možnosť čiernej diery prišla z Einsteinovej teórie všeobecnej relativity. Karl Schwarzchild v roku 1916 bol prvým, ktorý si uvedomil možnosť gravitačnej singularity s hranicou, v ktorej ju nemôže uniknúť svetlo alebo hmota.
Tento mesiac, Jeff Steinhauer z Technion - Israel Institute of Technology, vo svojom článku „Pozorovanie samoosadzujúceho sa Hawkingovho žiarenia v analógovom čiernom diere“ v denníku Nature popisuje, ako pomocou látky vytvoril horizont analógových udalostí ochladená na takmer nulovú hodnotu a pomocou laserov bola schopná detekovať emisie Hawkingovho žiarenia. Mohol by to byť prvý platný dôkaz o existencii Hawkingovho žiarenia a následne utesniť osud všetkých čiernych dier?
Toto nie je prvý pokus o vytvorenie Hawkingovho žiarenia v laboratóriu. V roku 2010 bol vytvorený analóg zo skleneného bloku, lasera, zrkadiel a chladeného detektora (Phys. Rev. Letter, september 2010); zrkadlá nesprevádzal žiadny dym. Ultra krátky pulz intenzívneho laserového svetla prechádzajúceho sklom vyvolal poruchu indexu lomu (RIP), ktorá fungovala ako horizont udalostí. Z ORP bolo vidieť svetlo vyžarujúce. Napriek tomu výsledky F. Belgiorno a kol. zostať kontroverzným. Stále boli opodstatnené ďalšie experimenty.
Najnovší pokus o replikáciu jadrového žiarenia Steinhauerom je založený na technologickejšom prístupe. Vytvára kondenzát Bose-Einstein, exotický stav hmoty pri veľmi blízkej absolútnej nulovej teplote. Hranice vytvorené v kondenzáte fungovali ako horizont udalostí. Predtým, ako sa pozrieme na ďalšie podrobnosti, urobme krok späť a zvážime, čo sa Steinhauer a ďalší snažia replikovať.
Recept na výrobu Hawkingovho žiarenia začína čiernou dierou. Čierna diera akejkoľvek veľkosti urobí. Hawkingova teória tvrdí, že menšie čierne diery budú rýchlejšie vyžarovať ako väčšie a ak nebude do nich padať hmota - narastanie, budú sa „odparovať“ oveľa rýchlejšie. Obrovské čierne diery môžu trvať dlhšie ako miliónnásobok súčasného veku vesmíru, aby sa odparili pomocou Hawkingovho žiarenia. Rovnako ako pneumatika s pomalým únikom, väčšina čiernych dier by vás dostala k najbližšej opravovni.
Takže máte čiernu dieru. Má horizont udalostí. Tento horizont je známy aj ako Schwarzchildov polomer; kontrola svetla alebo látky do horizontu udalostí sa nikdy nemôže pozrieť. Alebo to bolo akceptované porozumenie, až kým ho neobvinila teória Dr. Hawkinga. A mimo horizont udalostí je obyčajný priestor s niekoľkými nástrahami; zvážte to s pridaním niektorých korenín. Na horizonte udalosti je gravitačná sila z čiernej diery taká extrémna, že indukuje a zväčšuje kvantové efekty.
Celý priestor - v nás a okolo nás až do konca vesmíru obsahuje kvantové vákuum. Všade v kvantovom vákuu vesmíru sa objavujú a miznú páry virtuálnych častíc; okamžite sa navzájom zničiť v extrémne krátkych časových mierkach. S extrémnymi podmienkami na horizonte udalostí sa zhmotňujú páry virtuálnych častíc a anti-častíc, ako napríklad elektrón a pozitrón. Tie, ktoré sa javia dostatočne blízko horizontu udalostí, môžu mať jednu alebo druhú virtuálnu časticu prepnutú gravitáciou čiernych dier a ponechať iba jednu časticu, ktorá je teraz voľná na pridanie k žiareniu vyžarovanému z čiernej diery; žiarenie, ktoré ako celok je to, čo môžu astronómovia použiť na detekciu prítomnosti čiernej diery, ale nie na priame pozorovanie. Je to zrušenie párovania virtuálnych častíc čiernou dierou v horizonte udalostí, ktorý spôsobuje Hawkingove žiarenie, ktoré samo osebe predstavuje čistú stratu hmoty z čiernej diery.
Prečo teda astronómovia vo vesmíre nehľadajú Hawkingove žiarenie? Problém je v tom, že žiarenie je veľmi slabé a je ohromené žiarením produkovaným mnohými inými fyzikálnymi procesmi obklopujúcimi čiernu dieru s akrečným diskom. Žiarenie je utopené zborom energetických procesov. Najbližšou možnosťou je teda replikovať Hawkingove žiarenie pomocou analógu. Kým Hawkingove žiarenie je v porovnaní s hmotou a energiou čiernej diery slabé, žiarenie má v podstate celý čas vo vesmíre, aby sa zbavilo rodičovského tela.
To je miesto, kde zbližovanie rastúceho porozumenia čiernych dier viedlo k kľúčovej práci Dr. Hawkinga. Teoretici vrátane Hawkingu si uvedomili, že napriek kvantovej a gravitačnej teórii, ktorá je potrebná na opísanie čiernej diery, sa čierne diery správajú aj ako čierne telá. Riadia sa termodynamikou a sú otrokmi entropie. Produkciu Hawkingovho žiarenia možno charakterizovať ako termodynamický proces a to nás vedie späť k experimentátorom. Na replikáciu emisií tohto typu žiarenia by sa mohli použiť ďalšie termodynamické procesy.
Použitím Bose-Einsteinovho kondenzátu v nádobe Steinhauer nasmeroval laserové lúče do jemného kondenzátu, aby vytvoril horizont udalostí. Jeho experiment ďalej vytvára zvukové vlny, ktoré sa zachytia medzi dvoma hranicami, ktoré určujú horizont udalostí. Steinhauer zistil, že zvukové vlny v jeho horizonte analógových udalostí boli zosilnené, ako sa to stane so svetlom v spoločnej laserovej dutine, ale tiež, ako to predpovedá teória čiernych dier Dr. Hawkinga. Svetlo uniká z lasera prítomného v horizonte analogickej udalosti. Steinhauer vysvetľuje, že toto unikajúce svetlo predstavuje dlho hľadané Hawkingove žiarenie.
Publikácia tejto práce v kategórii Príroda bola predmetom značného vzájomného preskúmania, ktoré však samo osebe nepotvrdzuje jeho zistenia. Steinhauerova práca teraz vydrží ešte väčšiu kontrolu. Iní sa pokúsia duplikovať jeho prácu. Jeho laboratórne usporiadanie je analógové a je potrebné overiť, že to, čo pozoruje, skutočne predstavuje Hawkingove žiarenie.
Referencie:
„Pozorovanie samovzmnožujúceho sa Hawkingovho žiarenia v analógovom laseri s čiernymi dierami“, Nature Physics, 12. októbra 2014
„Hawking Radiation from Ultrashort Laser Pulse Filaments“, F. Belgiorno a kol., Phys. List, september 2010
„Výbuchy čiernych dier?“, S. W. Hawking a kol., Náture, 1. marca 1974
„Kvantová mechanika čiernych dier“, S. Hawking, Scientific American, január 1977
