Must auk on füüsika mänguväljak. See on koht, kus saate jälgida ja testida füüsika valdkonna kõige kummalisemaid ja fundamentaalsemaid ideid ja kontseptsioone. Kuid tänapäeval ei saa kuidagi jälgida musti auke tegevuses; need koosseisud ei eralda valgust ega röntgenikiirgust, mida tänapäevased teleskoobid tuvastavad. Õnneks on füüsikud leidnud viisid, kuidas laboris musta augu tingimusi simuleerida, ja luues mustade aukude analooge, hakkavad nad lahendama füüsika kõige hämmastavamaid saladusi.
Iisraeli Tehnoloogiainstituudi füüsikaosakonna teadur Jeff Steinhauer äratas hiljuti kogu füüsikakogukonna tähelepanu teatades, et kasutab Stephen Hawkingi 1974. aasta teooria kinnitamiseks musta augu analoogi. See teooria väidab, et mustad augud kiirgavad Hawkingi kiirgusena tuntud elektromagnetkiirgust. Hawking pakkus, et selle kiirguse põhjustab osakeste-osakeste paari spontaanne ilmnemine sündmuste horisondil, kuna nimetatakse musta augu serva olevat punkti, millest kaugemale ei pääse miski, isegi valgus. Hawkingi teooria kohaselt visatakse teine osake sündmushorisondi ületamisel ja musta augu poolt kinni jäädes, kosmosesse. Steinhoweri katse oli nende spontaansete kõikumiste esimene tõestus,mis kinnitavad Hawkingi arvutusi.
Füüsikud hoiatavad, et see katse ei kinnita endiselt Hawkingi kiirguse olemasolu astronoomilistes mustades aukudes, kuna Steinhoweri must auk pole täpselt see, mida me kosmoses võime jälgida. Füüsiliselt pole veel võimalik luua võimsaid gravitatsioonivälju, mis moodustaksid mustad augud. Selle asemel kasutab analoog heli, et jäljendada musta augu võimet neelata valguslaineid.
“See helilaine on nagu püüda ujuda vastu jõevoolu. Kuid jõgi voolab kiiremini kui sa ujud,”ütleb Steinhauer. Tema meeskond jahutas aatomipilve peaaegu absoluutsesse nulli, luues nn Bose-Einsteini kondensaadi. Tehes gaasivoolu kiiremaks kui helikiirus, on teadlased loonud süsteemi, millest helilained ei saa lahkuda.
Steinhauer avaldas oma tähelepanekud augusti alguses ajakirja Nature Physics artiklis. Tema eksperiment on oluline mitte ainult seetõttu, et ta võimaldas jälgida Hawkingi kiirgust. Steinhauer väidab, et ta vaatas, kuidas helilise musta augu eraldatavad osakesed ja selle sees olevad osakesed "takerduvad". See tähendab, et kaks osakest korraga võivad olla mitmes füüsilises olekus, näiteks energiatasemel, ja et teades ühe osakese olekut, võime kohe teada teise oleku.
Musta augu analoogi kontseptsiooni pakkus 1980. aastatel välja William Unruh, kuid see loodi laboritingimustes alles 2009. aastal. Sellest ajast alates on kogu maailma teadlased loonud musta augu analooge ja paljud neist üritavad jälgida Hawkingi kiirgust. Ehkki Steinhauer oli esimene teadlane, kes oli sellel rindel edukas, aitavad analoogsüsteemid juba füüsikutel testida võrreldusi ja põhimõtteid, mida nendes teoreetilistes süsteemides kaua rakendati, kuid ainult paberil. Tegelikult on mustade aukude analoogide peamine lootus see, et need võivad aidata teadlastel ületada füüsika ühe suurima väljakutse: ühendada gravitatsioon kvantmehaanika põhimõtetega, mis on küll subatomiliste osakeste käitumise aluseks, kuid pole veel seadustega kooskõlas. raskusjõud.
Kuigi kasutatud meetodid on väga erinevad, on põhimõte sama musta augu iga analoogi puhul sama. Igal neist on punkt, mida sarnaselt sündmuste horisondile ei saa ületada ükski valguse asemel kasutatav laine, sest vajalik kiirus on liiga suur. Siin on mõned viisid, kuidas teadlased laboris musti auke simuleerivad.
Reklaamvideo:
Klaas
2010. aastal tegi grupp Milano ülikooli füüsikuid teadlaskonnas laksu, väites, et nad jälgisid Hawkingi kiirgust musta auku analoogist, mis loodi räniklaasile suunatud võimsate laserimpulsside abil. Kuigi teadlaste väide seati kahtluse alla (füüsik William Unruh ütles, et nende märgatud kiirgus on palju intensiivsem kui arvutatud Hawkingi kiirgus ja see läheb vales suunas), on nende loodud analoog siiski väga huvitav meetod sündmuste horisondi modelleerimiseks.
See meetod töötab järgmiselt. Kvartsklaasile rakendatav esimene impulss on piisavalt tugev, et muuta klaasi sees olevat murdumisnäitajat (kiirust, millega valgus ainesse siseneb). Kui teine impulss klaasi tabab, aeglustub see murdumisnäitaja muutuse tõttu täieliku peatuseni, luues "horisondi", millest kaugemale valgus ei pääse. Selline süsteem on vastupidine mustale augule, kust valgus ei pääse, ja seetõttu nimetati seda "valgeks auguks". Kuid nagu ütleb Stephen Hawking, on valged ja mustad augud põhimõtteliselt sama asi, mis tähendab, et neil peavad olema samad kvantomadused.
Teine uurimisrühm näitas 2008. aastal, et valgusava võiks sarnaselt moodustada ka kiudoptika abil. Edasistes katsetes tehakse tööd sama sündmuste horisondi loomiseks teemandi abil, mida laserkiirgus vähem hävitab kui räni.
Polaritons
Hai Son Nguyeni juhitud meeskond demonstreeris 2015. aastal, et polaritonite abil on võimalik tekitada heliline must auk - kummaline olek, mida nimetatakse kvaosakesteks. See moodustub, kui footonid suhtlevad keskkonna elementaarsete ergastustega. Nguyeni rühm lõi polaritonid, keskendudes suure võimsusega laserile galliumarseniidi mikroskoopilisele õõnsusele, mis on hea pooljuht. Selle sisse lõid teadlased tahtlikult väikese sälgu, mis laiendas õõnsust ühes kohas. Kui laserkiir tabas seda mikrokahjustust, toimus polaritonite emissioon, mis tormis defektini pügala kujul. Kuid niipea, kui nende ergastatud osakeste voog jõudis defektini, muutus selle kiirus. Osakesed hakkasid liikuma kiiremini kui helikiirus, näidates, et seal on silmapiir,millest kaugemale heli ei saa minna.
Seda meetodit kasutades ei ole Nguyeni meeskond veel Hawkingi kiirgust tuvastanud, kuid teadlased usuvad, et edasiste katsete käigus on võimalik tuvastada väljalt lahkuvate osakeste põhjustatud võnkumisi, mõõtes nende keskkonna tiheduse muutusi. Teised katsetajad soovitavad polaritonid jahutada Bose-Einsteini kondensaadiks, mida saab seejärel kasutada ussiaukude moodustumise simuleerimiseks.
Vesi
Vaadake, kuidas dušši all kanalisatsioonis vesi keerleb. Üllatute, kui teate, et vaatate midagi musta augu sarnast. Nottinghami ülikooli laboris simuleerib doktorikraadiga Silke Weinfurtner vannis musti auke, kui ta nimetab 2000-liitrist ristkülikukujulist paaki, mille keskel on kaldus lehter. Vesi juhitakse paaki ülevalt ja alt, mis annab sellele nurga impulsi, mis tekitab lehtrisse pöörise. Selles vesianaloogis asendab valgus veepinnal väikseid lainetusi. Kujutage näiteks ette, et viskate sellesse voolu kivi ja jälgite, kuidas lained kiirgavad sellest ringide kaupa. Mida lähemale need lained mullivannile jõuavad, seda raskem on neil sellest vastassuunas levida. Mingil hetkel lakkavad need lained üldse levimast,ja seda punkti võib pidada sündmuste horisondi analoogiks. Selline analoog on eriti kasulik kummaliste füüsikaliste nähtuste simuleerimiseks, mis tekivad pöörlevate mustade aukude ümber. Weinfurtner uurib praegu seda küsimust.
Ta rõhutab, et see ei ole kvantmõttes must auk; see analoog ilmub toatemperatuuril ja täheldada saab ainult mehaanika klassikalisi ilminguid. "See on räpane süsteem," ütleb teadlane. "Kuid me saame sellega manipuleerida, et näidata, et see on muutustele vastupidav. Tahame veenduda, et astrofüüsikalistes süsteemides esinevad samad nähtused."
