Test af Hawking-stråling i laboratorieanaloger af sorte hul

Forskere ved Weizmann Institute of Science og Cinvestav udførte for nylig en undersøgelse, der testede teorien om Hawking-stråling på laboratorieanaloger af sorte huller. I deres eksperimenter, de brugte lysimpulser i ikke-lineær fiberoptik til at etablere kunstige begivenhedshorisonter.

Tilbage i 1974, Den berømte fysiker Stephen Hawking forbløffede fysikverdenen med sin teori om Hawking-stråling, som antydede, at i stedet for at være sort, sorte huller bør lyse lidt på grund af kvanteeffekter nær det sorte huls begivenhedshorisont. Ifølge Hawkings teori, det stærke gravitationsfelt omkring et sort hul kan påvirke produktionen af ​​matchende par af partikler og anti-partikler.

Skulle disse partikler skabes lige uden for begivenhedshorisonten, det positive medlem af dette par af partikler kunne undslippe, resulterer i en observeret termisk stråling, der udsendes fra det sorte hul. Denne stråling, som senere blev kaldt Hawking-stråling, ville derfor bestå af fotoner, neutrinoer og andre subatomare partikler. Teorien om Hawking-stråling var blandt de første til at kombinere begreber fra kvantemekanikken med Albert Einsteins teori om generel relativitet.

"Jeg lærte Generel Relativitet i 1997 ved at holde et kursus, ikke ved at tage et kursus, "Ulf Leonhardt, en af ​​de forskere, der udførte den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org . "Dette var en ret stressende oplevelse, hvor jeg kun var et par uger foran eleverne, men jeg lærte virkelig General Relativity at kende og blev forelsket i den. passende, dette skete også i Ulm, Einsteins fødested. Siden da, Jeg har ledt efter forbindelser mellem mit forskningsfelt, kvanteoptik og generel relativitet. Mit hovedmål er at afmystificere generel relativitet. Hvis, som jeg og andre har vist, almindelige optiske materialer som glas fungerer som buede rum, så bliver det buede rum-tid af generel relativitet noget håndgribeligt, uden at miste sin charme."

I samarbejde med hans første ph.d. studerende Paul Piwnicki, Leonhardt sammensatte nogle indledende ideer til, hvordan man skaber optiske sorte huller, som udkom i 1999 og 2000. I 2004 han opnåede endelig en metode, der faktisk virkede, som er den, der blev brugt i hans nylige undersøgelse.

"Forestille, som i Einsteins gedanken-eksperimenter, lys jager efter endnu en lysimpuls, Leonhardt forklarede. "Antag, at alt lys bevæger sig inde i en optisk fiber. I glasfiberen, pulsen ændrer hastigheden af ​​lyset, der jager det lidt, sådan at lyset ikke kan overhale pulsen. Den oplever en hvid-huls horisont; et sted den ikke kan komme ind. Forsiden af ​​pulsen virker som det stik modsatte:en sort-huls horisont, et sted lyset ikke kan forlade. Dette er ideen i en nøddeskal."

Leonhardt og hans kolleger offentliggjorde og demonstrerede denne idé i 2008. Efterfølgende de forsøgte at bruge det til at demonstrere Hawking-stråling.

Hawking-stråling er aldrig blevet observeret direkte i rummet, da dette ikke er muligt på nuværende tidspunkt. Imidlertid, det kan påvises i laboratoriemiljøer, for eksempel, ved brug af Bose-Einstein-kondensater, vandbølger, polaritoner eller lys. I fortiden, flere forskere forsøgte at teste Hawking-stråling i laboratoriet ved hjælp af disse teknikker, alligevel var de fleste af deres studier, faktisk, problematiske og er derfor blevet bestridt.

For eksempel, nogle tidligere fund opnået med intense lysimpulser i optiske medier viste sig at være uforenelige med teorien. I stedet for at observere Hawking-stråling lavet af horisonter, som forfatterne selv fandt ud af senere, de havde, faktisk, observeret horisontløs stråling skabt af deres lysimpulser, da de oversteg lysets fasehastighed for andre frekvenser. Andre undersøgelser, der forsøgte at observere Hawking-stråling på vandbølger og i Bose-Einstein-kondensater, viste sig også at være problematiske.

Diskussion af resultaterne af disse undersøgelser med Fysik verden , Leonhardt skrev, "Jeg beundrer meget heroismen hos de mennesker, der gør dem, og deres tekniske færdigheder og ekspertise, men dette er et vanskeligt emne." Han skrev også:"Horizoner er perfekte fælder; det er nemt at blive fanget bag dem uden at bemærke det, og det gælder horisontforskning, såvel. Vi lærer og bliver eksperter efter den klassiske definition:En ekspert er en, der har begået alle mulige fejl (og lært af dem)."

Som bevist af tidligere indsats, at observere Hawking-stråling i laboratoriet er en meget udfordrende opgave. Studiet udført af Leonhardt og hans kolleger kan være den første gyldige demonstration af Hawking-stråling i optik.

"Sorte huller er omgivet af deres begivenhedshorisonter, Leonhardt forklarede. "Horizonten markerer grænsen, hvor lyset ikke længere kan undslippe. Hawking forudsagde, at der i horisonten skabes lyskvanter - fotoner. En foton dukker op uden for horisonten og er i stand til at slippe væk, mens dens partner dukker op på indersiden og falder ned i det sorte hul. Ifølge kvantemekanikken, partikler er forbundet med bølger. Fotonen på ydersiden tilhører en bølge, der oscillerer med positiv frekvens, bølgen af ​​dens partner på indersiden svinger med en negativ frekvens."

I deres undersøgelse, Leonhardt og hans kolleger lavede lys ud af positive og negative frekvenser. Deres lys med positiv frekvens var infrarødt, mens den negative frekvens var ultraviolet. Forskerne opdagede dem begge og sammenlignede dem derefter med Hawkings teori.

Den lille smule ultraviolet lys, som det lykkedes dem at detektere ved hjælp af følsomt udstyr, er det første klare tegn på stimuleret Hawking-stråling i optik. Denne stråling omtales som 'stimuleret', fordi den stimuleres af sondelyset, som forskerne sendte ind for at jage pulserne.

"Vores vigtigste opdagelse, måske, er, at sorte huller ikke er noget ud over det sædvanlige, men at de ligner meget, hvad lysimpulser gør ved almindeligt lys i fibre, " sagde Leonhardt. "Det er ikke let at demonstrere subtile kvantefænomener som Hawking-stråling. Det tager ekstremt korte pulser, ekstraordinære fibre, følsomt udstyr og sidst men ikke mindst, dedikerede elevers hårde arbejde. Men selv Hawking-stråling er noget, man faktisk kan forstå."

Studiet udført af Leonhardt og hans kolleger er et vigtigt bidrag til fysikområdet, da det giver den første laboratoriedemonstration af Hawking-stråling i optik. Forskerne fandt også, at analogien til begivenhedshorisonter var bemærkelsesværdig robust, på trods af at skubbe optikken til det yderste, hvilket øgede deres tillid til gyldigheden af ​​deres teorier.

"Vi skal nu forbedre vores opsætning for at blive klar til den næste store udfordring:observation af spontan Hawking-stråling, " sagde Leonhardt. "I dette tilfælde, strålingen stimuleres ikke længere, undtagen ved de uundgåelige udsving i kvantevakuumet. Vores næste mål er trin, der forbedrer apparatet og tester forskellige aspekter af stimuleret Hawking-stråling, før du går hele vejen til spontan Hawking-stråling."

© 2019 Science X Network