Een zwart gat is een natuurkundig speeltuin. Dit is de plek waar je de meest bizarre en fundamentele ideeën en concepten uit de natuurkunde kunt observeren en testen. Tegenwoordig is er echter geen manier om zwarte gaten in actie rechtstreeks te observeren; deze formaties zenden geen licht of röntgenstralen uit, die kunnen worden gedetecteerd door moderne telescopen. Gelukkig hebben natuurkundigen manieren gevonden om de omstandigheden van een zwart gat in het laboratorium te simuleren, en door analogen van zwarte gaten te creëren, beginnen ze de meest verbazingwekkende mysteries van de fysica op te lossen.
Jeff Steinhauer, een onderzoeker bij de afdeling Fysica van het Israel Institute of Technology, trok onlangs de aandacht van de hele natuurkundegemeenschap door aan te kondigen dat hij een analoog van een zwart gat gebruikte om de theorie van Stephen Hawking, die in 1974 naar voren werd gebracht, te bevestigen. Deze theorie stelt dat zwarte gaten elektromagnetische straling uitzenden die bekend staat als Hawking-straling. Hawking suggereerde dat deze straling wordt veroorzaakt door de spontane verschijning van een deeltje-antideeltje-paar aan de waarnemingshorizon, zoals het punt aan de rand van een zwart gat wordt genoemd, waarboven niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen. Volgens de theorie van Hawking, wanneer een van de deeltjes de waarnemingshorizon passeert en wordt gevangen door een zwart gat, wordt de andere de ruimte in gegooid. Steinhower's experiment was de eerste demonstratie van die spontane fluctuaties,die de berekeningen van Hawking bevestigen.
Natuurkundigen waarschuwen dat dit experiment nog steeds het bestaan van Hawking-straling in astronomische zwarte gaten niet bevestigt, aangezien het Steinhauer zwarte gat niet precies is wat we in de ruimte kunnen waarnemen. Fysiek is het nog niet mogelijk om krachtige zwaartekrachtvelden te creëren die zwarte gaten vormen. In plaats daarvan gebruikt de analoog geluid om het vermogen van een zwart gat om lichtgolven te absorberen na te bootsen.
“Deze geluidsgolf is als proberen tegen de stroming van een rivier in te zwemmen. Maar de rivier stroomt sneller dan je zwemt”, zegt Steinhauer. Zijn team koelde de atoomwolk af tot bijna het absolute nulpunt, waardoor het zogenaamde Bose-Einstein-condensaat ontstond. Door gas sneller te laten stromen dan de geluidssnelheid, hebben wetenschappers een systeem gecreëerd dat geluidsgolven niet kunnen verlaten.
Steinhauer publiceerde zijn observaties begin augustus in een artikel in het tijdschrift Nature Physics. Zijn experiment is niet alleen belangrijk omdat hij het mogelijk maakte om Hawking-straling te observeren. Steinhauer beweert dat hij zag hoe de deeltjes die werden uitgezonden door het sonische zwarte gat en de deeltjes erin 'verstrikt raakten'. Dit betekent dat twee deeltjes tegelijkertijd in verschillende fysieke toestanden kunnen zijn, zoals een energieniveau, en dat we, als we de toestand van het ene deeltje kennen, onmiddellijk de toestand van het andere kunnen kennen.
Het concept van een analoog van een zwart gat werd in de jaren tachtig voorgesteld door William Unruh, maar het werd pas in 2009 in laboratoriumomstandigheden gecreëerd. Sindsdien hebben wetenschappers over de hele wereld analogen van een zwart gat gemaakt, en velen van hen proberen Hawking-straling te observeren. Hoewel Steinhauer de eerste onderzoeker was die op dit front succesvol was, helpen analoge systemen natuurkundigen al om de vergelijkingen en principes te testen die al lang op deze theoretische systemen worden toegepast, maar alleen op papier. In feite is de belangrijkste hoop voor analogen van zwart gat dat ze wetenschappers kunnen helpen een van de grootste uitdagingen in de fysica te overwinnen: de zwaartekracht combineren met de principes van de kwantummechanica die ten grondslag liggen aan het gedrag van subatomaire deeltjes, maar nog niet compatibel zijn met wetten. zwaartekracht.
Hoewel de gebruikte methoden heel verschillend zijn, is het principe hetzelfde voor elke analoog van een zwart gat. Elk heeft een punt dat, net als de waarnemingshorizon, niet kan worden doorkruist door een golf die wordt gebruikt in plaats van licht, omdat de vereiste snelheid te hoog is. Hier zijn enkele manieren waarop wetenschappers zwarte gaten in het laboratorium simuleren.
Promotie video:
Glas
In 2010 maakte een groep natuurkundigen van de Universiteit van Milaan furore in de wetenschappelijke gemeenschap en beweerde dat ze Hawking-straling observeerden van een zwart gat-analoog, die was gemaakt met behulp van krachtige laserpulsen gericht op silicaglas. Hoewel de bewering van de wetenschappers in twijfel werd getrokken (natuurkundige William Unruh zei dat de straling die ze opmerkten veel intenser is dan de berekende Hawking-straling, en dat het de verkeerde kant op gaat), is de analoog die ze hebben gemaakt nog steeds een zeer interessante methode voor het modelleren van de gebeurtenishorizon.
Deze methode werkt als volgt. De eerste impuls die op het kwartsglas wordt uitgeoefend, is sterk genoeg om de brekingsindex (de snelheid waarmee licht de stof binnendringt) in het glas te veranderen. Wanneer de tweede impuls het glas raakt, vertraagt het door de verandering in de brekingsindex tot een volledige stop, waardoor een "horizon" ontstaat waarachter licht niet kan doordringen. Dit soort systeem is het tegenovergestelde van een zwart gat, waaruit licht niet kan ontsnappen, en daarom werd het een "wit gat" genoemd. Maar zoals Stephen Hawking zegt, witte en zwarte gaten zijn in wezen hetzelfde, wat betekent dat ze dezelfde kwantumeigenschappen moeten vertonen.
Een andere onderzoeksgroep toonde in 2008 aan dat op een vergelijkbare manier een wit gat kan worden gemaakt met glasvezel. In verdere experimenten wordt gewerkt aan het creëren van dezelfde waarnemingshorizon met diamant, die minder wordt vernietigd door laserstraling dan silicium.
Polaritonen
Een team onder leiding van Hai Son Nguyen demonstreerde in 2015 dat een sonisch zwart gat kan worden gecreëerd met polaritonen - een vreemde toestand van materie die een quasi-deeltje wordt genoemd. Het wordt gevormd wanneer fotonen interageren met elementaire excitaties van het medium. De groep van Nguyen creëerde polaritonen door een krachtige laser te focussen op een microscopisch kleine holte van galliumarsenide, wat een goede halfgeleider is. Daarbinnen hebben wetenschappers opzettelijk een kleine inkeping gemaakt die de holte op één plek vergroot. Toen de laserstraal deze microholte raakte, werden polaritonen uitgezonden, die in de vorm van een inkeping naar het defect snelden. Maar zodra de flux van deze aangeslagen deeltjes het defect bereikte, veranderde de snelheid ervan. De deeltjes begonnen sneller te bewegen dan de geluidssnelheid, wat aangeeft dat er een horizon was,waarachter het geluid niet kan gaan.
Met behulp van deze methode heeft het team van Nguyen nog geen Hawking-straling gedetecteerd, maar wetenschappers geloven dat het in de loop van verdere experimenten mogelijk zal zijn om oscillaties te detecteren die worden veroorzaakt door deeltjes die het veld verlaten door veranderingen in de dichtheid van hun omgeving te meten. Andere onderzoekers stellen voor om polaritonen af te koelen tot een Bose-Einstein-condensaat, dat vervolgens kan worden gebruikt om de vorming van wormgaten te simuleren.
Water
Kijk hoe het water door de afvoer wervelt terwijl je doucht. Je zult verrast zijn te weten dat je naar zoiets als een zwart gat kijkt. In een laboratorium aan de Universiteit van Nottingham simuleert dr. Silke Weinfurtner zwarte gaten in een badkuip, zoals ze een rechthoekige tank van 2000 liter noemt met een afgeschuinde trechter in het midden. Water wordt van boven en onder in de tank gevoerd, waardoor het een impulsmoment krijgt, waardoor een werveling in de trechter ontstaat. In deze waterige analoog vervangt licht kleine rimpelingen op het wateroppervlak. Stel je bijvoorbeeld voor dat je een steen in deze stroom gooit en de golven in cirkels ziet uitstralen. Hoe dichter deze golven bij de draaikolk komen, hoe moeilijker het voor ze is om zich in de tegenovergestelde richting ervan voort te planten. Op een gegeven moment stoppen deze golven helemaal met verspreiden,en dit punt kan worden beschouwd als een analoog van de waarnemingshorizon. Zo'n analoog is vooral handig bij het simuleren van vreemde fysische verschijnselen die optreden rond roterende zwarte gaten. Weinfurtner onderzoekt momenteel dit probleem.
Ze benadrukt dat dit geen zwart gat in kwantumzin is; deze analoog verschijnt bij kamertemperatuur en alleen klassieke manifestaties van mechanica kunnen worden waargenomen. "Het is een smerig systeem", zegt de onderzoeker, "maar we kunnen het manipuleren om te laten zien dat het veerkrachtig is om te veranderen. We willen ervoor zorgen dat dezelfde verschijnselen zich voordoen in astrofysische systemen."
