Fysikere har formået at gengive den bedst kendte glød fra et sort hul i laboratoriet ved hjælp af en optisk fiber. For første gang observerede de lys, der reagerede på det simulerede sorte hul, der gav anledning til det.
Det videnskabelige fund giver forskere en unik mulighed for direkte at observere Hawking-stråling, den subtile termiske emission, som Stephen Hawking teoretiserede lækker fra sorte huller. Denne undersøgelse giver det første fingerpeg om den lille kraft, der hypotetisk kunne forårsage den langsomme fordampning af et rigtigt sort hul, som hævdet af holdet.
I et bænkeksperiment, der involverede optiske fibre, identificerede det internationale hold af forskere både strålingen og den længe søgte “omvendte reaktion”. Dette fænomen refererer til den måde, hvorpå strålingsenergi tilbageføres og omformer det objekt, der genererede den.
Som beskrevet detaljeret i den nye undersøgelse, udgivet 1. juli i tidsskriftet Nature, udviste lyset den nøjagtige adfærd, som Hawking forudsagde. Det manifesterede sig som gløden fra et opvarmet objekt med en defineret temperatur og et spektrum, der gradvist aftager mod højere frekvenser. Dette mønster blev observeret selv i et scenarie, hvor den konventionelle beskrivelse af et sort hul, der findes i lærebøger, burde være ugyldig.
Mødet mellem tre store teorier om fysik i et enkelt eksperiment
Hawking-stråling er bredt anerkendt for sin unikke position i skæringspunktet mellem de største forestillinger om moderne fysik.
“Jacob Bekenstein forudsagde, at sorte huller har entropi og temperatur, og Hawking beregnede deres termiske stråling,” forklarede Ulf Leonhardt, fysiker ved Weizmann Institute of Science, i Israel, og medforfatter af undersøgelsen. “I Hawking-Bekenstein kommer stråling, kvantefysik, generel relativitetsteori og termodynamik sammen, emner, der normalt er modstridende.”
Denne konflikt mellem teorierne er væsentlig: den generelle relativitetsteori beskriver rum-tid som noget kontinuerligt og flydende, mens kvantemekanikken skildrer et univers af diskrete og uforudsigelige spring. Til dato har ingen formået fuldstændig at forene begge synspunkter.
Kombinationen af disse teorier er netop det, der gør det så udfordrende at studere Hawking-stråling. Astronomer har aldrig opdaget denne stråling i et rigtigt sort hul og vil sandsynligvis aldrig gøre det, da dens glød er for svag til at kunne ses over hele kosmos. Af denne grund tyr fysikere til laboratoriesimuleringer, der følger de samme ligninger, og bygger analoger af sorte huller med elementer som bevægende vand, ultrakolde atomer og i dette tilfælde lys.
Hvordan videnskabsmænd byggede et sort hul ved kun at bruge lys
Hemmeligheden bag hver sort hul-analog ligger i et bevægeligt medium. “Forestil dig en svømmer i havet med en strøm, der er hurtigere end hans svømmekapacitet,” forklarede Leonhardt. “Det bliver slæbt. Det er det, der sker ud over begivenhedshorisonten, og derfor kan intet under normale forhold undslippe et sort hul.”
Et sort huls begivenhedshorisont markerer grænsen, hvor “strømmen”, som faktisk er selve rummet, begynder at bevæge sig hurtigere end noget kan rejse. For at replikere dette fænomen 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 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 fungerer lys som et materiale.”
I praksis dirigerede forskerne en intens, ultrakort “pumpende” puls ind i en tynd fotonisk krystalfiber. Denne fiber er en glødetråd af glas sammenvævet med små luftkanaler langs dens længde, hvilket tillader finjustering af lysets bevægelse. Efterhånden som pulsen skred frem, ændrede den lidt måden, glasset bøjede lyset på, hvilket genererede en slags “fartbump”, der bevægede sig sammen med det. Så stødte en anden, meget svagere “sonde”-puls på 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.
Lysstyrkedetektion og dens feedbackreaktion
Det mest signifikante resultat optrådte i det ultraviolette område. Ifølge teorien genereres Hawking-stråling i par: en af ”partnerpartiklerne” undslipper, mens den anden, der bærer “negativ” energi, er det spejlbillede, der ville falde ind i et autentisk sort hul. I fiberen blev denne partner identificeret som ultraviolet lys.
“Vi tæller fotoner i det ultraviolette lys, der svarer til Hawkings partnere ud over horisonten,” forklarede Leonhardt. “De har en bølgelængde på cirka 233 nanometer. Det var vores signal.”
Lige så afgørende som at observere gløden var at forstå dens oprindelse. I årevis antog forskere, at fiberen genererede sin Hawking-stråling gennem en kaskade af forskellige trin, hvor lyset sekventielt blev omdannet til forskellige mellemformer før den endelige stråling. Holdet fandt dog ud af, at en enkelt, direkte interaktion gør arbejdet, hvor pumpe- og sondelyset producerer Hawking-parret i et enkelt trin. Dette er en meget mere forenklet fremstilling, som ifølge forskerne kan anvendes på andre analoger og endda på rigtige sorte huller.
Da energi ikke dukker op ud af ingenting, udøver produktionen af Hawking-stråling uundgåeligt et lille “tryk” på kilden, der skabte den. I et rigtigt sort hul er dette “tryk” den måde, det mister masse på og over ufattelige tidsskalaer fuldstændigt fordamper – en proces, som Hawking beskrev i sit banebrydende papir fra 1974. Indtil da havde intet eksperiment været i stand til at fange denne rekyl.
I denne undersøgelse var holdet i stand til at observere dette fænomen. Genereringen af stråling flyttede en lille del af lyset fra pumpens puls til en lidt anden farve, hvilket resulterede i et tydeligt asymmetrisk mønster i spektret. Denne asymmetri, fraværende i tidligere eksperimenter, er “fingeraftrykket” af den omvendte reaktion eller rekyl – et bevis på, at den sorte hul-analog tavst “betalte” de energimæssige omkostninger ved sin egen lysstyrke.
Næste skridt mod et kvanteeksperiment
Forskningsresultatet adresserer også en af de mest komplekse 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 attestere på Planck-skalaen, en uendelig lille dimension, hvor rum og tid menes at miste deres velkendte betydninger, og alle kendte fysiske love falder fra hinanden. Med andre ord ser Hawkings forudsigelse ud til at være baseret på et grundlag, som teoretisk set måske ikke eksisterer.
“Ethvert lys, der undslipper horisonten, strækkes 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 generere Hawking-stråling? Det var spørgsmålet, og vi besvarede det i vores eksperiment.” Bemærkelsesværdigt forblev lysstyrken perfekt termisk selv under dette ekstreme regime.
Holdets næste skridt er helt klart. Hidtil har de brugt almindeligt laserlys, som gengiver spektret af Hawking-stråling, men ikke dets dybere kvantekompleksiteter. Den næste fase er ifølge Leonhardt “at blive kvante”. “Vi vil undersøge, hvordan vi kommer ind i kvanteregimet og ser på funktioner som sammenfiltring,” sagde han med henvisning til den mystiske forbindelse, der formodes at forene hver undvigende Hawking-partikel med sin mistede partner.
