Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science en Cinvestav hebben onlangs een studie uitgevoerd om de theorie van Hawking-straling te testen op laboratoriumanalogen van zwarte gaten. In hun experimenten, ze gebruikten lichtpulsen in niet-lineaire glasvezel om kunstmatige gebeurtenishorizons vast te stellen.

In 1974, de beroemde natuurkundige Stephen Hawking verbaasde de natuurkundige wereld met zijn theorie van Hawking-straling, wat suggereerde dat in plaats van zwart te zijn, zwarte gaten zouden licht moeten gloeien als gevolg van kwantumeffecten nabij de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Volgens de theorie van Hawking, het sterke zwaartekrachtveld rond een zwart gat kan de productie van paren van deeltjes en antideeltjes beïnvloeden.

Als deze deeltjes net buiten de waarnemingshorizon ontstaan, het positieve lid van dit paar deeltjes zou kunnen ontsnappen, resulterend in een waargenomen thermische straling die door het zwarte gat wordt uitgezonden. Deze straling, die later Hawking-straling werd genoemd, zou dus uit fotonen bestaan, neutrino's en andere subatomaire deeltjes. De theorie van Hawking-straling was een van de eersten die concepten uit de kwantummechanica combineerde met de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein.

"Ik leerde de algemene relativiteitstheorie in 1997 door een cursus te geven, niet door een cursus te volgen, "Ulf Leonhardt, een van de onderzoekers die de recente studie hebben uitgevoerd, vertelde Phys.org . "Dit was een nogal stressvolle ervaring waarbij ik slechts een paar weken voor was op de studenten, maar ik leerde de algemene relativiteitstheorie echt kennen en werd er verliefd op. passend, dit gebeurde ook in Ulm, Einsteins geboorteplaats. Vanaf dat moment, Ik ben op zoek gegaan naar verbanden tussen mijn onderzoeksgebied, kwantumoptica en algemene relativiteitstheorie. Mijn belangrijkste doel is om de algemene relativiteitstheorie te demystificeren. Indien, zoals ik en anderen hebben laten zien, gewone optische materialen zoals glas werken als gekromde ruimtes, dan wordt de gekromde ruimtetijd van de algemene relativiteitstheorie iets tastbaars, zonder zijn charme te verliezen."

In samenwerking met zijn eerste Ph.D. leerling Paul Piwnicki, Leonhardt bracht enkele eerste ideeën samen over hoe optische zwarte gaten te creëren, die werden gepubliceerd in 1999 en 2000. In 2004, hij bereikte eindelijk een methode die echt werkte, welke is gebruikt in zijn recente studie.

"Stel je voor, zoals in Einsteins gedanken-experimenten, licht jaagt nog een lichtflits na, Leonhardt legde uit. "Stel dat al het licht zich in een optische vezel voortplant. In de glasvezel, de puls verandert de snelheid van het licht dat het een beetje achtervolgt, zodat het licht de puls niet kan inhalen. Het ervaart een horizon met een wit gat; een plaats waar het niet kan komen. De voorkant van de puls werkt precies het tegenovergestelde:een horizon van een zwart gat, een plek die het licht niet kan verlaten. Dit is het idee in een notendop."

Leonhardt en zijn collega's hebben dit idee in 2008 gepubliceerd en gedemonstreerd. ze probeerden het te gebruiken om Hawking-straling aan te tonen.

Hawking-straling is nog nooit rechtstreeks in de ruimte waargenomen, aangezien dit momenteel niet haalbaar is. Echter, het kan worden aangetoond in laboratoriumomgevingen, bijvoorbeeld, met behulp van Bose-Einstein-condensaten, water golven, polaritonen of licht. Vroeger, verschillende onderzoekers probeerden Hawking-straling in het laboratorium te testen met behulp van deze technieken, toch waren de meeste van hun studies, in feite, problematisch en zijn dus betwist.

Bijvoorbeeld, sommige eerdere bevindingen verkregen met intense lichtpulsen in optische media bleken niet in overeenstemming met de theorie. In plaats van het observeren van Hawking-straling gemaakt door horizonten, zoals de auteurs zelf later ontdekten, ze hadden, in feite, waargenomen horizonloze straling gecreëerd door hun lichtpulsen, omdat ze de fasesnelheid van het licht voor andere frequenties overschreden. Andere studies die probeerden Hawking-straling op watergolven en in Bose-Einstein-condensaten te observeren, bleken ook problematisch te zijn.

De uitkomsten van deze onderzoeken bespreken met Natuurkunde Wereld , Leonhardt schreef, "Ik heb grote bewondering voor de heldhaftigheid van de mensen die ze doen, en hun technische vaardigheden en expertise, maar dit is een moeilijk onderwerp." Hij schreef ook:"Horizons zijn perfecte vallen; het is gemakkelijk om erachter te komen zonder het te merken, en dit geldt voor horizononderzoek, ook. We leren en worden experts volgens de klassieke definitie:een expert is iemand die alle mogelijke fouten heeft gemaakt (en ervan heeft geleerd)."

Zoals bewezen door eerdere inspanningen, het observeren van Hawking-straling in het laboratorium is een zeer uitdagende taak. De studie van Leonhardt en zijn collega's zou de eerste geldige demonstratie van Hawking-straling in de optica kunnen zijn.

"Zwarte gaten zijn omgeven door hun waarnemingshorizon, ' legde Leonhardt uit. 'De horizon markeert de grens waar het licht niet meer kan ontsnappen. Hawking voorspelde dat aan de horizon lichtquanta - fotonen - worden gecreëerd. Eén foton verschijnt buiten de horizon en kan wegkomen, terwijl zijn partner aan de binnenkant verschijnt en in het zwarte gat valt. Volgens de kwantummechanica, deeltjes worden geassocieerd met golven. Het foton aan de buitenkant behoort tot een golf die oscilleert met een positieve frequentie, de golf van zijn partner aan de binnenkant oscilleert met een negatieve frequentie."

In hun studie hebben Leonhardt en zijn collega's maakten licht van positieve en negatieve frequenties. Hun licht met positieve frequentie was infrarood, terwijl de negatieve frequentie ultraviolet was. De onderzoekers ontdekten ze allebei en vergeleken ze met de theorie van Hawking.

Het kleine beetje ultraviolet licht dat ze met gevoelige apparatuur hebben kunnen detecteren, is het eerste duidelijke teken van gestimuleerde Hawking-straling in de optica. Deze straling wordt 'gestimuleerd' genoemd omdat ze wordt gestimuleerd door het sondelicht dat de onderzoekers naar de pulsen stuurden.

"Onze belangrijkste bevinding, misschien, is dat zwarte gaten niet iets buitengewoons zijn, maar dat ze sterk lijken op wat lichtpulsen doen met gewoon licht in vezels, " zei Leonhardt. "Het aantonen van subtiele kwantumfenomenen zoals Hawking-straling is niet eenvoudig. Het duurt extreem korte pulsen, buitengewone vezels, gevoelige apparatuur en, Tenslotte, het harde werk van toegewijde studenten. Maar zelfs Hawking-straling is iets dat je echt kunt begrijpen."

De studie van Leonhardt en zijn collega's is een belangrijke bijdrage aan de natuurkunde, omdat het de eerste laboratoriumdemonstratie van Hawking-straling in optica biedt. De onderzoekers vonden ook de analogie met gebeurtenishorizons opmerkelijk robuust, ondanks het tot het uiterste duwen van de optica, waardoor hun vertrouwen in de geldigheid van hun theorieën toenam.

"We moeten nu onze opstelling verbeteren om klaar te zijn voor de volgende grote uitdaging:de observatie van spontane Hawking-straling, " zei Leonhardt. "In dit geval, de straling wordt niet meer gestimuleerd, behalve door de onvermijdelijke fluctuaties van het kwantumvacuüm. Onze volgende doelen zijn stappen die het apparaat verbeteren en verschillende aspecten van gestimuleerde Hawking-straling testen, alvorens helemaal naar spontane Hawking-straling te gaan."

© 2019 Wetenschap X Netwerk