Forskere har gjort en betydelig opdagelse inden for Hawking-strålingsfysik ved at bygge et miniature sort hul fra lys, direkte i et laboratorium. Denne innovation giver mulighed for en ny måde at udforske komplekse teoretiske fænomener på.
Forskere har formået at observere den mest genkendelige glød af et sort hul fra en tråd af optisk fiber. For første gang bemærkede de, hvordan dette lys reagerede inde i det simulerede sorte hul, der genererede det.
Dette fremskridt giver et unikt og direkte perspektiv på Hawking-stråling, en subtil termisk emission, som Stephen Hawking havde forudsagt ville undslippe fra sorte huller. Undersøgelsen giver den første indikation af den lille impuls, der i teorien kunne få et rigtigt sort hul til langsomt at fordampe, rapporterer holdet.
Under et bænkeksperiment med optiske fibre opdagede det internationale hold af videnskabsmænd ikke kun strålingen, men også dens længe søgte “omvendte reaktion”. Denne reaktion viser, hvordan stråling returnerer energi og ændrer den genstand, der stammede fra den.
Ifølge undersøgelsen, offentliggjort den 1. juli i tidsskriftet Nature, opførte lyset sig præcis, som Hawking havde forudsagt. Det præsenterede gløden fra en varm krop med en temperatur og et spektrum, der gradvist faldt mod højere frekvenser, selv under forhold, hvor den traditionelle beskrivelse af sorte huller generelt ikke gælder.
Hvor fysikkens store teorier mødes
Hawking-stråling er et emne af stor interesse, da det ligger i skæringspunktet mellem de mest virkningsfulde teorier i moderne fysik.
Ulf Leonhardt, en fysiker ved Weizmann Institute of Science i Israel og medforfatter af forskningen, forklarede via e-mail, at Jacob Bekenstein forudsagde entropien og temperaturen af sorte huller, mens Hawking beregnede termisk stråling. Han fremhævede, at Hawking-Bekenstein-stråling forener kvantefysik, generel relativitetsteori og termodynamik, områder, der typisk præsenterer inkompatibiliteter.
Denne kollision mellem teorier er dyb: den generelle relativitetsteori beskriver rum-tid som kontinuerlig og flydende, mens kvantemekanikken adresserer et univers af uforudsigelige og diskrete spring. Den dag i dag har en fuldstændig forsoning mellem de to været en udfordring.
Det er denne komplekse forening, der gør studiet af Hawking-stråling vanskeligt. Astronomer har aldrig observeret denne stråling i rigtige sorte huller og vil sandsynligvis aldrig, da deres glød er for svag til at blive opdaget på afstand. Af denne grund bruger fysikere laboratorieerstatninger, der adlyder de samme ligninger, og skaber analoger af sorte huller med vand, ultrakolde atomer og i dette tilfælde lys.
Hvordan et sort hul blev skabt ud fra lys
Nøglen til enhver sort hul-analogi er et bevægeligt medium. Leonhardt illustrerede konceptet: “Forestil dig en svømmer i havet med en strøm, der er stærkere, end han kan svømme i. Han bliver revet med. Det er det, der sker ud over begivenhedshorisonten, og derfor kan intet normalt undslippe et sort hul.”
Begivenhedshorisonten for et sort hul repræsenterer det punkt, hvor strømmen i det virkelige univers, selve rummet, accelererer til en hastighed, som intet kan overgå. For at replikere denne tilstand havde holdet brug for et materiale, der simulerede bevægelse med lysets hastighed. Løsningen, der blev fundet, var genial: at bruge selve lyset til at udgøre “materialet”.
“I optik har vi brug for et materiale, der ser ud til at bevæge sig med lysets hastighed,” sagde Leonhardt. “For at gøre dette bruger vi selve lyset i ikke-lineær optik, lys opfører sig som et materiale.”
I praksis lancerede forskerne en intens og ekstremt kortvarig “pumpende” puls ind i en tynd fotonisk krystalfiber. Denne fiber er en glasfilament, der har små luftkanaler langs sin længde, hvilket tillader præcis justering af den måde, lyset forplanter sig på. Efterhånden som pulsen udviklede sig, ændrede den subtilt glassets brydning og skabte et bevægeligt “fartbump”. En anden, meget svagere “probing”-impuls kolliderede derefter med denne bevægende front. På det punkt, hvor sonden ikke længere kunne følge med, dannede der sig en kunstig horisont, hvilket gav anledning til sort hul-analogen.
Fanger glans og dens modstand
Den vigtigste opdagelse fandt sted i det ultraviolette område. Teorien antyder, at Hawking-stråling genereres i par: en partikel formår at undslippe, mens dens partner, der bærer “negativ” energi, repræsenterer det spejlbillede, der ville blive absorberet af et rigtigt sort hul. I den fiber, der blev brugt i eksperimentet, manifesterede denne partnerpartikel sig som ultraviolet lys.
Leonhardt detaljerede: “Vi talte fotoner i den ultraviolette farve, der svarer til Hawkings partnere ud over horisonten. De har en bølgelængde omkring 233 nanometer. Det var vores signal.”
Lige så afgørende som at observere gløden var forståelsen af dens produktionsmekanisme. I årevis troede man, at fiberen akkumulerede Hawking-stråling gennem en kaskade af trin, hvor lyset blev omdannet til flere mellemformer, før strålingen opstod. Holdet fandt dog ud af, at en enkelt direkte interaktion udfører processen, hvor pumpe- og sonderingsimpulserne producerer Hawking-parret i et enkelt, rent trin. Denne forenklede model kan ifølge forskerne anvendes på andre analoger og endda på ægte sorte huller.
Da energi ikke dukker op ud af ingenting, må emissionen af Hawking-stråling nødvendigvis påvirke kilden, der stammede den. I et rigtigt sort hul manifesterer denne påvirkning sig som tab af masse og, på ufattelige tidsskalaer, dens endelige fuldstændige fordampning – fænomenet beskrevet af Hawking i hans indflydelsesrige papir fra 1974. Intet eksperiment havde endnu formået at registrere dette tilbagetog.
I dette eksperiment var holdet i stand til at observere en sådan effekt. Produktionen af stråling ændrede en lille del af pumpepulsens eget lys til en lidt anden farve, hvilket resulterede i et afslørende, asymmetrisk mønster i spektret. Denne asymmetri, fraværende i tidligere undersøgelser, er karakteristisk for den omvendte reaktion eller rekyl, som repræsenterer den sorte hul-analog, der energisk betaler for sin egen lysstyrke.
Vejen til et nyt kvanteeksperiment
Resultatet adresserer også et af de mest indviklede dilemmaer i det sorte huls fysik: det trans-plankiske problem. Ved at spore oprindelsen af Hawking-stråling går beregningen ind i et område, hvor ingen fysiker kan være sikker – Planck-skalaen, en uendelig lille dimension, hvor rum og tid menes at miste deres konventionelle betydning, og alle kendte fysiklove ophører med at gælde. Med andre ord ser Hawkings forudsigelse ud til at hvile på et grundlag, der måske ikke eksisterer.
“Ethvert lys, der bevæger sig væk fra horisonten, spreder sig enormt,” sagde Leonhardt. “Så det må komme fra bølger, der er mindre end den mindste skala i naturen, hvor fysikken er ukendt. Ville dette stadig producere Hawking-stråling? Det var spørgsmålet, og vi besvarede det i vores eksperiment.” Bemærkelsesværdigt nok forblev lysstyrken perfekt termisk selv i dette ekstreme regime.
Holdets næste trin er allerede defineret. Hidtil har de brugt almindeligt laserlys, som kan replikere spektret af Hawking-stråling, men ikke dets dybere kvantekompleksiteter. Nu er planen at “træde ind i kvanteverdenen”, ifølge Leonhardt. “Vi vil undersøge, hvordan vi kan nå kvanteregimet og se på funktioner som sammenfiltring” – den mystiske forbindelse, der skulle forbinde hver undslippende Hawking-partikel med dens mistede partner.
