Forskere har frigivet en skelsættende opdagelse om Hawking-strålingens fysik ved at skabe et sort hul i miniatureformat fra lys i et kontrolleret miljø. Forskningen, der blev offentliggjort den 1. juli i tidsskriftet Nature, giver et hidtil uset indblik i et af de mest spændende fænomener i universet.
For første gang har fysikere udvundet et sort huls mest berømte emission fra en fiberoptisk glødetråd og direkte observeret, hvordan dette lys reagerede i det simulerede sorte hul, der opstod det.
Undersøgelsen giver forskere en sjælden og direkte forståelse af Hawking-stråling – den svage termiske frigivelse, som Stephen Hawking forudsagde skulle komme fra sorte huller. Desuden giver opdagelsen en første indikation af minimumsimpulsen, der teoretisk kunne få et rigtigt sort hul til gradvist at fordampe, som beskrevet af holdet i det nye papir.
De opnåede data viste, at lyset opførte sig nøjagtigt, som Hawking forudsagde: som gløden fra en opvarmet krop, med en defineret temperatur og et spektrum, der gradvist dæmpes mod højere frekvenser. Dette skete selv under forhold, hvor den traditionelle beskrivelse af et sort hul, som findes i lærebøger, ville blive betragtet som utilstrækkelig.
Konvergens af store fysikteorier i eksperiment
Hawking-stråling er kendt for at være i skæringspunktet mellem de mest grandiose forestillinger om moderne fysik.
Jacob Bekenstein forudså, at sorte huller har entropi og temperatur, og Stephen Hawking beregnede senere den termiske stråling, de ville udsende, som forklaret af Ulf Leonhardt, en fysiker ved Weizmann Institute of Science i Israel og medforfatter af undersøgelsen. Leonhardt fremhævede, at i Hawking-Bekenstein stråling, kvantefysik, generel relativitetsteori og termodynamik smelter sammen – områder, der under normale forhold ofte er i modstrid.
Denne konflikt er dyb, da den generelle relativitetsteori beskriver rum og tid som flydende og kontinuerlige entiteter, mens kvantemekanikken skildrer et univers af diskontinuerlige og uforudsigelige spring. Til dato har ingen teori formået fuldt ud at forene disse to perspektiver.
Denne komplekse interaktion er netop det, der gør det så udfordrende at studere Hawking-stråling. Astronomer har aldrig direkte observeret Hawking-stråling fra et rigtigt sort hul, og det vil de sandsynligvis aldrig gøre, da dens glød er for svag til at blive opdaget i kosmisk afstand. Af denne grund bruger fysikere laboratorieanaloger, der følger de samme ligninger, og skaber simuleringer af sorte huller fra vand i bevægelse, ultrakolde atomer og, som i denne undersøgelse, lys.
Hvordan man laver et simuleret sort hul ved hjælp af lys
Det grundlæggende princip bag enhver sort hul-analogi ligger i et bevægeligt medium. Som eksemplificeret af Leonhardt, “forestil dig en svømmer i havet med en strøm stærkere end han kan svømme; han vil blive fejet væk. Det er præcis, hvad der sker ud over begivenhedshorisonten, og det er af denne grund, at intet kan undslippe et sort hul.”
Begivenhedshorisonten for et sort hul er point of no return, hvor selve rummet bevæger sig hurtigere, end noget kan rejse. For at replikere denne tilstand havde holdet brug for et materiale, der simulerede forskydning med lysets hastighed. Løsningen var genial: at bruge selve lyset til at skabe dette “materiale”.
I optiske applikationer er et materiale, der ser ud til at bevæge sig med lysets hastighed, vigtigt. Leonhardt forklarede, at for at nå dette mål bruges lys i sig selv, da det i ikke-lineær optik opfører sig på samme måde som et materiale.
I praksis udsendte forskerne en intens, ultrakort “pumpende” puls ind i en fotonisk krystalfiber – en glasfilament, der har små luftkanaler langs sin længde. Denne funktion giver mulighed for præcis justering af, hvordan lyset forplanter sig. Efterhånden som pulsen udviklede sig, ændrede den subtilt glassets brydning, hvilket genererede en slags bevægelig barriere, der bevægede sig med høj hastighed. Så kolliderede en anden “sonderende” puls, meget svagere, med denne bevægende front. På det punkt, hvor sonderingsimpulsen ikke længere kunne følge med, dannedes en kunstig horisont, hvilket gav anledning til analogen til et sort hul.
Observation af emission og dens indflydelse på det sorte hul
Den afgørende afsløring fandt sted i det ultraviolette område. Teorien taler for, at Hawking-stråling genereres i par: den ene partikel formår at undslippe, mens den anden, som bærer “negativ” energi, er dens refleksion og ville blive slugt af et rigtigt sort hul. I fibereksperimentet manifesterede denne partner sig som ultraviolet lys.
Leonhardt detaljerede, at der blev talt fotoner i det ultraviolette område, der svarede til Hawkings partnere ud over horisonten. Han rapporterede, at de havde en bølgelængde på omkring 233 nanometer, og det var det detekterede signal.
At forstå, hvordan gløden blev produceret, var lige så afgørende som at observere den. I mange år har forskere spekuleret i, at fiberen genererede sin Hawking-stråling gennem en kaskadeproces, der involverede flere trin af lyskonvertering, før strålingen dukkede op. Holdet fandt dog ud af, at en enkelt direkte interaktion er ansvarlig for processen, hvor pumpe- og sonderingsimpulserne producerer Hawking-parret i ét rent trin. Dette er en væsentligt enklere model, som forskerne siger, kan udvides til andre analogier og i sidste ende til rigtige sorte huller.
Da energien skal komme et sted fra, bør emissionen af Hawking-stråling påvirke kilden, der genererede den. For et ægte sort hul manifesterer denne indflydelse sig i tabet af masse og, på ufattelige tidsskalaer, dets fuldstændige fordampning – en proces, som Hawking beskrev i sit skelsættende papir fra 1974. Til dato har intet eksperiment været i stand til at registrere dette tilbagetog.
I dette eksperiment var holdet i stand til at observere en sådan effekt. Produktionen af stråling fik en lille del af lyset fra pumpens puls til at skifte til en lidt anden farve, hvilket efterlod et tydeligt asymmetrisk mønster i spektret. Denne asymmetri, som ikke er blevet set i tidligere undersøgelser, er kendetegnende for den omvendte reaktion eller rekyl – analogen til det sorte hul, der subtilt “betaler” de energiske omkostninger for sin egen lysstyrke.
Næste trin for kvante sorte huls fysik
Forskningsresultatet adresserer også en af de mest indviklede gåder i sorte huls fysik: det trans-plankiske problem. Ved at spore Hawking-stråling til dens oprindelse går beregningerne ind i et område, som ingen fysiker kan garantere – Planck-skalaen, den uendelige dimension, hvor rum og tid menes at miste deres konventionelle betydning, og al kendt fysik ophører med at eksistere. Med andre ord hviler Hawkings forudsigelse tilsyneladende på et grundlag, der kan være rystende.
Leonhardt forklarede, at ethvert lys, der bevæger sig væk fra horisonten, spredes intenst. Derfor skal den stamme fra bølger, der er mindre end den mindste skala i naturen, hvor fysikken er ukendt. Spørgsmålet var, om dette stadig ville producere Hawking-stråling, og holdet besvarede det spørgsmål i eksperimentet. Bemærkelsesværdigt beholdt gløden sine termiske egenskaber selv i dette ekstreme regime.
Holdets næste mål er konkret. Indtil nu har de brugt konventionelt laserlys, som gengiver spektret af Hawking-stråling, men ikke dets dybere kvantekompleksiteter. Det næste skridt er at “træde ind i kvanteverdenen,” sagde Leonhardt. De planlægger at undersøge, hvordan man kan nå kvanteregimet og observere fænomener som sammenfiltring – den gådefulde forbindelse, der skulle forbinde hver undslippende Hawking-partikel med sin mistede partner.
