Д-р Стивън Хокинг представи тревожна теория през 1974 г., която твърди, че черните дупки се изпаряват. Сега, 40 години по-късно, изследовател обяви създаването на симулация на радиация на Хокинг в лабораторни условия.
Възможността за черна дупка идва от теорията на Айнщайн за обща относителност. Карл Шварцшилд през 1916 г. е първият, който осъзнава възможността за гравитационна сингулярност с граница, заобикаляща я, при която светлината или материята не могат да избягат.
Този месец Джеф Щайнхауер от Технион - Израелския технологичен институт описва в своя документ „Наблюдение на самоусилващото се лъчение на Хокинг в аналогов лазер с черни дупки“ в списанието Nature, как той създава аналогов хоризонт на събитията, използвайки вещество охладена до почти абсолютна нула и с помощта на лазери успя да открие излъчването на радиацията на Хокинг. Може ли това да е първото валидно доказателство за съществуването на радиация на Хокинг и следователно да запечата съдбата на всички черни дупки?
Това не е първият опит за създаване на аналог на радиация на Хокинг в лаборатория. През 2010 г. е създаден аналог от стъклен блок, лазер, огледала и детектор за охлаждане (Phys. Rev. Letter, Sept 2010); никакъв дим не придружаваше огледалата. Свръх късият импулс на интензивна лазерна светлина, преминаващ през стъклото, индуцира пречупване на индекс на пречупване (RIP), който функционира като хоризонт на събитията. Виждаше се светлина, излъчвана от ПРП. Независимо от това, резултатите от F. Belgiorno et al. остават спорни. Все още бяха оправдани още експерименти.
Последният опит за възпроизвеждане на радиация на Хокинг от Щайнхауер използва по-високотехнологичен подход. Той създава кондензат Бозе-Айнщайн, екзотично състояние на материята при много близка абсолютна нулева температура. Границите, създадени в кондензата, функционират като хоризонт на събитията. Въпреки това, преди да навлезем в допълнителни подробности, нека направим крачка назад и да разгледаме какво Щайнхауер и други се опитват да репликират.
Рецептата за приготвянето на радиация на Хокинг започва с черна дупка. Всяка размер черна дупка ще направи. Теорията на Хокинг гласи, че по-бързите черни дупки ще се излъчват по-бързо от по-големите и при липса на материя, попадаща в тях - натрупване, „ще се изпарят“ много по-бързо. Гигантските черни дупки могат да отнемат повече от милион пъти повече от сегашната епоха на Вселената, за да се изпарят чрез лъчение на Хокинг. Подобно на гума с бавен теч, повечето черни дупки биха ви отвели до най-близката ремонтна станция.
Значи имате черна дупка. Той има хоризонт на събитията. Този хоризонт е известен още като радиусът на Шварцшилд; проверка на светлина или материя в хоризонта на събитията никога не може да се провери. Или така беше възприетото разбиране, докато теорията на д-р Хокинг не я поддържа. А извън хоризонта на събитието е обикновеното пространство с някои предупреждения; помислете за това с добавени подправки. В хоризонта на събитията силата на гравитацията от черната дупка е толкова екстремна, че предизвиква и увеличава квантовите ефекти.
Цялото пространство - вътре в нас и около нас до краищата на Вселената включва квантов вакуум. Навсякъде в квантовия вакуум в космоса виртуалните двойки частици се появяват и изчезват; незабавно унищожаване взаимно на изключително кратки времеви мащаби. С екстремните условия в хоризонта на събитията се виртуализират виртуални двойки частици и анти-частици, като например електрон и позитрон. Тези, които се появяват достатъчно близо до хоризонта на събитията, могат да имат една или друга виртуална частица, затворена от гравитацията на черните дупки, оставяйки само една частица, която следователно е свободна да добави към излъчването, излъчващо се около черната дупка; радиацията, която като цяло е това, което астрономите могат да използват, за да открият наличието на черна дупка, но не и да я наблюдават директно. Това е unpairing на виртуални частици от черната дупка в хоризонта на събитията, който причинява излъчването на Хокинг, което само по себе си представлява нетна загуба на маса от черната дупка.
Така че защо астрономите не търсят в космоса радиация на Хокинг? Проблемът е, че радиацията е много слаба и е затрупана от радиация, произведена от много други физически процеси, заобикалящи черната дупка с акреционен диск. Радиацията се заглушава от припева на енергийните процеси. Така че най-непосредствената възможност е да се възпроизведе радиацията на Хокинг с помощта на аналог. Докато радиацията на Хокинг е слаба в сравнение с масата и енергията на черна дупка, радиацията по същество през цялото време във Вселената се откъсва от родителското си тяло.
Именно тук сближаването на нарастващото разбиране за черните дупки доведе до семинарната работа на д-р Хокинг. Теоретици, включително Хокинг, разбраха, че въпреки квантовата и гравитационната теория, която е необходима за описание на черна дупка, черните дупки също се държат като черни тела. Те се управляват от термодинамиката и са роби на ентропията. Производството на радиация на Хокинг може да се характеризира като термодинамичен процес и това ни връща към експерименталистите. Други термодинамични процеси могат да бъдат използвани за възпроизвеждане на излъчването на този вид радиация.
Използвайки кондензат Bose-Ainstein в съд, Steinhauer насочва лазерни лъчи към деликатния кондензат, за да създаде хоризонт на събитията. Освен това, експериментът му създава звукови вълни, които стават в капан между две граници, които определят хоризонта на събитията. Щайнхауер откри, че звуковите вълни на неговия аналогов хоризонт на събитията са усилени, както се случва със светлината в обща лазерна кухина, но също така, както е предсказано от теорията на черните дупки на д-р Хокинг. Светлината избягва от лазера, присъстващ на хоризонта на аналоговото събитие. Щайнхауер обяснява, че тази избягваща светлина представлява дълго търсената радиация на Хокинг.
Публикуването на това произведение в Nature премина през значителен партньорски преглед, но само това не потвърждава неговите открития. Работата на Щайнхауер вече ще издържи на още по-голям контрол. Други ще се опитат да дублират работата му. Неговата лабораторна настройка е аналог и остава да се провери дали това, което той наблюдава, наистина представлява радиация на Хокинг.
Препратки:
„Наблюдение на самоусилващото се хокингско лъчение в аналогов лазер с черни дупки“, Nature Physics, 12 октомври 2014 г.
„Излъчване на Хокинг от ултракоротките лазерни импулсни нишки“, F. Belgiorno и др., Phys. Писмо, септември 2010 г.
„Експлозии в черна дупка?“, С. У. Хокинг и др., Природа, 01 март 1974 г.
„Квантовата механика на черните дупки“, С. Хокинг, Научен американец, януари 1977 г.
