Dr. Stephen Hawking leverede en foruroligende teori i 1974, der hævdede, at sorte huller fordamper. Nu 40 år senere har en forsker annonceret oprettelsen af en simulering af Hawking-stråling i et laboratorium.
Muligheden for et sort hul kom fra Einsteins teori om generel relativitet. Karl Schwarzchild i 1916 var den første, der indså muligheden for en tyngdekraftig singularitet med en grænse, der omgiver den, hvor lys eller stof, der kommer ind, ikke kan undslippe.
Denne måned beskriver Jeff Steinhauer fra Technion - Israel Institute of Technology i sit papir, "Observation af selvforstærkende Hawking-stråling i en analog sort hul-laser" i tidsskriftet Nature, hvordan han skabte en analog begivenhedshorisont ved hjælp af et stof afkølet til næsten absolut nul og ved hjælp af lasere var det muligt at registrere emissionen af Hawking-stråling. Kunne dette være det første gyldige bevis på eksistensen af Hawking-stråling og følgelig forsegle skjebnen til alle sorte huller?
Dette er ikke det første forsøg på at skabe en Hawking-strålingsanalog i et laboratorium. I 2010 blev der oprettet en analog fra en blok af glas, en laser, spejle og en kølet detektor (Phys. Rev. Letter, september 2010); ingen røg ledsagede spejle. Den ultrakorte puls med intens laserlys, der passerede gennem glasset, inducerede en brydningsindeksforstyrrelse (RIP), der fungerede som en begivenhedshorisont. Der blev set lys, der udsendte fra RIP. Ikke desto mindre er resultaterne af F. Belgiorno et al. forbliver kontroversiel. Flere eksperimenter var stadig berettiget.
Det seneste forsøg på at replikere Hawking-stråling fra Steinhauer tager en mere højteknologisk tilgang. Han skaber et Bose-Einstein-kondensat, en eksotisk stoftilstand ved meget tæt på nul temperatur. Grænser oprettet i kondensatet fungerede som en hændelseshorisont. Lad os dog tage et skridt tilbage og overveje, hvad Steinhauer og andre prøver at gentage, inden vi går nærmere ind på.
Opskriften på at fremstille Hawking-stråling begynder med et sort hul. Enhver sort sort hul vil gøre. Hawkings teori siger, at mindre sorte huller hurtigere vil udstråle end større, og i mangel af, at stof falder ned i dem - akkretion, vil "fordampe" meget hurtigere. Kæmpe sorte huller kan tage længere end en million gange universets nuværende tidsalder at fordampe ved hjælp af Hawking-stråling. Som et dæk med en langsom lækage, vil de fleste sorte huller bringe dig til den nærmeste reparationsstation.
Så du har et sort hul. Det har en begivenhedshorisont. Denne horisont er også kendt som Schwarzchild radius; lys eller stof, der tjekker begivenhedshorisonten, kan aldrig tjekke ud. Ellers var dette den accepterede forståelse, indtil Dr. Hawkings teori støttede den. Og uden for begivenhedshorisonten er almindeligt rum med nogle advarsler; overveje det med nogle krydderier tilføjet. I begivenhedshorisonten er tyngdekraften fra det sorte hul så ekstrem, at den inducerer og forstørrer kvanteeffekter.
Hele rummet - inden i os og omkring os til universets ender inkluderer et kvantevakuum. Overalt i rumets kvantevakuum vises virtuelle partikelpar og forsvinder; omgående udslette hinanden på ekstremt korte tidsskalaer. Med de ekstreme forhold ved begivenhedshorisonten materialiseres virtuelle partikler og antipartikelpar, såsom en elektron og positron. De, der vises tæt nok på en begivenhedshorisont, kan have den ene eller den anden virtuelle partikel, der er zappet op af tyngdekraften af sorte huller, hvilket kun efterlader en partikel, som følgelig nu er fri til at tilføje den stråling, der udspringer omkring det sorte hul; den stråling, som astronomer som helhed kan bruge til at detektere tilstedeværelsen af et sort hul, men ikke direkte observere det. Det er Ophævelse af parring af virtuelle partikler ved det sorte hul i dets begivenhedshorisont, der forårsager Hawking-stråling, der i sig selv repræsenterer et nettotab af masse fra det sorte hul.
Så hvorfor søger ikke astronomer bare i rummet efter Hawking-stråling? Problemet er, at strålingen er meget svag og overvældes af stråling produceret af mange andre fysiske processer, der omgiver det sorte hul med en akkretionsskive. Strålingen druknes af koret i energiske processer. Så den mest umiddelbare mulighed er at gentage Hawking-stråling ved hjælp af en analog. Mens Hawking-stråling er svag i sammenligning med massen og energien i et sort hul, har strålingen i det væsentlige hele tiden i universet til at spånes væk ved sit forældrekrop.
Det er her konvergensen af den voksende forståelse af sorte huller førte til Dr. Hawkings sædarbejde. Teoretikere, herunder Hawking, indså, at til trods for den kvante- og tyngdekraori, der er nødvendig for at beskrive et sort hul, opfører sorte huller sig også som sorte kroppe. De styres af termodynamik og er slaver til entropi. Produktionen af Hawking-stråling kan karakteriseres som en termodynamisk proces, og det er dette, der fører os tilbage til eksperimenterne. Andre termodynamiske processer kunne bruges til at gentage emissionen af denne type stråling.
Ved hjælp af Bose-Einstein kondensat i et fartøj dirigerede Steinhauer laserstråler ind i det delikate kondensat for at skabe en begivenhedshorisont. Desuden skaber hans eksperiment lydbølger, der bliver fanget mellem to grænser, der definerer begivenhedshorisonten. Steinhauer fandt, at lydbølgerne ved hans analoge hændelseshorisont blev forstærket, som sker for lys i et fælles laserhulrum, men også som forudsagt af Dr. Hawkings teori om sorte huller. Lys slipper ud fra laseren, der er til stede i den analoge begivenhedshorisont. Steinhauer forklarer, at dette undslipende lys repræsenterer den længe efterspurgte Hawking-stråling.
Offentliggørelse af dette arbejde i Nature gennemgik en betydelig peer review for at blive accepteret, men det alene validerer ikke hans fund. Steinhauer's arbejde vil nu kunne modstå endnu større kontrol. Andre vil forsøge at duplikere hans arbejde. Hans laboratorieopsætning er en analog, og det skal stadig verificeres, at det, han observerer, virkelig repræsenterer Hawking-stråling.
Referencer:
“Observation af selvforstærkende Hawking-stråling i en analog laser med sort hul”, Nature Physics, 12. oktober 2014
“Hawking-stråling fra Ultrashort-laserpulsfilamenter”, F. Belgiorno, et al., Phys. Brev, september 2010
”Eksplosioner i sort hul?”, S. W. Hawking, et al., Nature, 1. marts 1974
“Kvantemekanikken i sorte huller”, S. Hawking, Scientific American, januar 1977
