Melnā caurums ir fizikas rotaļu laukums. Šī ir vieta, kur novērot un pārbaudīt visdīvainākās un fundamentālākās idejas un koncepcijas no fizikas jomas. Tomēr šodien nav iespējas tieši novērot melnos caurumus darbībā; šie veidojumi neizstaro gaismu vai rentgenstarus, ko var noteikt ar moderniem teleskopiem. Par laimi, fiziķi laboratorijā ir atraduši veidus, kā simulēt melnā cauruma apstākļus, un, izveidojot melno caurumu analogus, viņi sāk atrisināt visbrīnišķīgākos fizikas noslēpumus.
Izraēlas Tehnoloģiju institūta Fizikas katedras pētnieks Džefs Šteinhauers nesen piesaistīja visas fizikas kopienas uzmanību, paziņojot, ka viņš izmanto melnās cauruma analogu, lai apstiprinātu Stīvena Hokinga 1974. gada teoriju. Šī teorija apgalvo, ka melnie caurumi izstaro elektromagnētisko starojumu, kas pazīstams kā Hokinga starojums. Hokings izteica pieņēmumu, ka šo starojumu izraisa daļiņu un pret daļiņu pāra spontāns parādīšanās notikumu horizonta vietā, jo tiek dēvēts punkts melnās cauruma malā, aiz kura nekas, pat ne gaisma, nevar izkļūt. Saskaņā ar Hokinga teoriju, kad viena no daļiņām šķērso notikumu horizontu un to notver melnā caurums, otra tiek izmesta kosmosā. Šteinhauera eksperiments bija pirmais šo spontāno svārstību demonstrējums,kas apstiprina Hokinga aprēķinus.
Fiziķi brīdina, ka šis eksperiments joprojām neapstiprina Hokinga starojuma esamību astronomiskajos melnajos caurumos, jo Šteinhauera melnais caurums nav precīzi tas, ko mēs varam novērot kosmosā. Fiziski vēl nav iespējams izveidot spēcīgus gravitācijas laukus, kas veido melnos caurumus. Tā vietā analogais izmanto skaņu, lai atdarinātu melnā cauruma spēju absorbēt gaismas viļņus.
“Šis skaņas vilnis ir tāds pats kā mēģinājums peldēt pret upes straumi. Bet upe tek straujāk nekā tu peldi,”saka Šteinhauers. Viņa komanda atomu mākoni atdzisa līdz gandrīz absolūtai nullei, izveidojot tā saukto Bose-Einšteina kondensātu. Liekot gāzei plūst ātrāk par skaņas ātrumu, zinātnieki ir izveidojuši sistēmu, no kuras skaņas viļņi nevar aiziet.
Šteinhauers augusta sākumā publicēja savus novērojumus rakstā žurnālā Nature Physics. Viņa eksperiments ir svarīgs ne tikai tāpēc, ka viņš ļāva novērot Hokingas starojumu. Šteinhauers apgalvo, ka viņš vēroja skaņas melnā cauruma izstarotās daļiņas un tajā esošās daļiņas "sapinās". Tas nozīmē, ka divas daļiņas vienlaikus var būt vairākos fiziskos stāvokļos, piemēram, enerģijas līmenī, un ka, zinot vienas daļiņas stāvokli, mēs uzreiz varam uzzināt otras stāvokli.
Melnā cauruma analoga koncepciju 1980. gados ierosināja Viljams Unruhs, taču laboratorijā tas tika izveidots tikai 2009. gadā. Kopš tā laika zinātnieki visā pasaulē veido melnā cauruma analogus, un daudzi no viņiem mēģina novērot Hokingas starojumu. Lai arī Šteinhauers bija pirmais pētnieks, kurš guva panākumus šajā frontē, analogās sistēmas jau palīdz fiziķiem pārbaudīt vienādojumus un principus, kas ilgi tika piemēroti šīm teorētiskajām sistēmām, taču tikai uz papīra. Faktiski galvenā cerība uz melnā cauruma analogiem ir tā, ka tie var palīdzēt zinātniekiem pārvarēt vienu no lielākajiem fizikas izaicinājumiem: apvienot gravitāciju ar kvantu mehānikas principiem, kas ir subatomisko daļiņu uzvedības pamatā, bet vēl nav saderīgi ar likumiem. smagums.
Lai gan izmantotās metodes ir ļoti atšķirīgas, princips ir vienāds katram melnā cauruma analogam. Katram no tiem ir punkts, kuru, tāpat kā notikuma horizontu, nevar šķērsot neviens gaismas vietā izmantots vilnis, jo nepieciešamais ātrums ir pārāk liels. Šeit ir daži no veidiem, kā zinātnieki laboratorijā simulē melnos caurumus.
Reklāmas video:
Stikls
2010. gadā Milānas universitātes fiziķu grupa uzplūda zinātnieku aprindās, apgalvojot, ka viņi novēroja Hokinga starojumu no melnā cauruma analoga, kas tika izveidots, izmantojot jaudīgus lāzera impulsus, kas vērsti uz silīcija dioksīda stiklu. Lai gan zinātnieku apgalvojums tika apšaubīts (fiziķis Viljams Unruhs sacīja, ka viņu pamanītais starojums ir daudz intensīvāks nekā aprēķinātais Hokingas starojums un ka tas iet nepareizā virzienā), viņu izveidotais analogs joprojām ir ļoti interesanta metode notikumu horizonta modelēšanai.
Šī metode darbojas šādi. Pirmais impulss, kas vērsts uz kvarca stiklu, ir pietiekami spēcīgs, lai mainītu refrakcijas indeksu (ātrumu, kādā gaisma nonāk vielā) stikla iekšpusē. Kad otrais impulss ietriecas stiklā, tas refrakcijas indeksa izmaiņu dēļ palēninās līdz pilnīgai apstāšanās brīdim, radot "horizontu", aiz kura gaisma nevar iekļūt. Šāda veida sistēma ir pretēja melnajam caurumam, no kura gaisma nevar izkļūt, un tāpēc to sauca par "balto caurumu". Bet, kā saka Stīvens Hokings, baltie un melnie caurumi būtībā ir viens un tas pats, kas nozīmē, ka tiem jābūt tādām pašām kvantu īpašībām.
Cita pētījumu grupa 2008. gadā parādīja, ka balto caurumu varētu izveidot līdzīgā veidā, izmantojot optisko šķiedru. Turpmākajos eksperimentos tiek strādāts pie tā paša notikumu horizonta izveidošanas, izmantojot dimantu, kuru lāzera starojums mazāk iznīcina nekā silīciju.
Polaritons
Hai Son Nguyen vadītā komanda 2015. gadā parādīja, ka, izmantojot polaritonus, var izveidot skaņas melno caurumu - dīvainu matērijas stāvokli, ko sauc par kvazdaļiņu. Tas veidojas, kad fotoni mijiedarbojas ar barotnes elementāriem ierosinājumiem. Nguyen grupa izveidoja polaritonus, fokusējot lielas jaudas lāzeru uz gallija arsenīda mikroskopisko dobumu, kas ir labs pusvadītājs. Tās iekšpusē zinātnieki apzināti izveidoja nelielu iegriezumu, kas vienā vietā paplašināja dobumu. Kad lāzera stars sasniedza šo mikrokavitāciju, tika izstaroti polaritoni, kas iegriezuma formā piestiprinājās pie defekta. Bet tiklīdz šo uzbudināto daļiņu plūsma sasniedza defektu, tā ātrums mainījās. Daļiņas sāka kustēties ātrāk nekā skaņas ātrums, norādot, ka ir horizonts,aiz kuras skaņa nevar tikt.
Izmantojot šo metodi, Nguyen komanda vēl nav atklājusi Hokinga starojumu, taču zinātnieki uzskata, ka turpmāko eksperimentu laikā būs iespējams noteikt svārstības, ko izraisa daļiņas, kas atstāj lauku, izmērot izmaiņas viņu vides blīvumā. Citi eksperimentētāji ierosina atdzesēt polaritonus Bose-Einšteina kondensātam, ko pēc tam var izmantot, lai simulētu tārpu urbumu veidošanos.
Ūdens
Skatieties, kā ūdens dušā virpuļo pa kanalizāciju. Jūs būsiet pārsteigts, uzzinot, ka skatāties uz kaut ko līdzīgu melnajam caurumam. Notingemas universitātes laboratorijā Dr Silke Weinfurtner simulē melnos caurumus vannā, jo viņa sauc par 2000 litru taisnstūra tvertni ar slīpu piltuvi centrā. Ūdens tiek ievadīts tvertnē no augšas un apakšas, kas tam dod leņķisko impulsu, kas piltuvē rada virpuļvannu. Šajā ūdens analogā gaisma aizstāj mazus viļņus uz ūdens virsmas. Iedomājieties, piemēram, ka jūs iemetat akmeni šajā straumē un vērojat, kā viļņi no tā izstaro apļos. Jo tuvāk šie viļņi nonāk virpuļvannā, jo grūtāk viņiem izplatīties pretējā virzienā no tā. Kādā brīdī šie viļņi pārstāj izplatīties pavisam,un šo punktu var uzskatīt par notikumu horizonta analogu. Šāds analogs ir īpaši noderīgs, lai simulētu dīvainas fiziskas parādības, kas notiek ap rotējošiem melnajiem caurumiem. Weinfurtner šobrīd izmeklē šo jautājumu.
Viņa uzsver, ka šī nav melnā caurums kvantu izpratnē; šis analogs parādās istabas temperatūrā, un var novērot tikai klasiskas mehānikas izpausmes. "Tā ir netīra sistēma," saka pētnieks. "Bet mēs ar to varam manipulēt, lai parādītu, ka tā ir izturīga pret izmaiņām. Mēs vēlamies pārliecināties, ka tādas pašas parādības notiek arī astrofizikālajās sistēmās."