Zwarte gaten zijn gebieden in de ruimte-tijd met enorme hoeveelheden zwaartekracht. Wetenschappers dachten oorspronkelijk dat niets aan de grenzen van deze massieve objecten kon ontsnappen, inclusief licht.

De precieze aard van zwarte gaten is in twijfel getrokken sinds de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein de mogelijkheid van hun bestaan ​​deed ontstaan. Een van de meest bekende bevindingen was de voorspelling van de Engelse natuurkundige Stephen Hawking dat sommige deeltjes daadwerkelijk worden uitgestoten aan de rand van een zwart gat.

Natuurkundigen hebben ook de werking van stofzuigers onderzocht. In het begin van de jaren zeventig, terwijl Hawking beschreef hoe licht kan ontsnappen aan de aantrekkingskracht van een zwart gat, De Canadese natuurkundige William Unruh stelde voor dat een snel genoeg versnelde fotodetector licht in een vacuüm zou kunnen "zien".

Nieuw onderzoek van Dartmouth bevordert deze theorieën door een manier te beschrijven om licht te produceren en te detecteren waarvan eerder werd gedacht dat het niet waarneembaar was.

"In alledaagse zin de bevindingen lijken verrassend te suggereren dat het mogelijk is om licht te produceren uit het lege vacuüm, " zegt Miles Blencowe, de Eleanor en A. Kelvin Smith Distinguished Professor in Physics en senior onderzoeker van de studie. "Wij hebben, in essentie, produceerde iets uit niets; de gedachte daaraan is gewoon heel cool."

In de klassieke natuurkunde het vacuüm wordt gezien als de afwezigheid van materie, licht, en energie. In de kwantumfysica, het vacuüm is niet zo leeg, maar gevuld met fotonen die in en uit het bestaan ​​fluctueren. Echter, dergelijk licht is vrijwel niet te meten.

Nu de wetenschap al aantoont dat waarneming van licht in een vacuüm mogelijk is, het team ging op zoek naar een praktische manier om de fotonen te detecteren.

De theorie, gepubliceerd in Communicatiefysica , voorspelt dat op stikstof gebaseerde onvolkomenheden in een snel versnellend diamantmembraan de detectie kunnen maken.

In het voorgestelde experiment een synthetische diamant ter grootte van een postzegel die de op stikstof gebaseerde lichtdetectoren bevat, wordt opgehangen in een supergekoelde metalen doos die een vacuüm creëert. het membraan, die zich gedraagt ​​als een vastgebonden trampoline, met enorme snelheden wordt versneld.

"De beweging van de diamant produceert fotonen, " zegt Hui Wang, Guarini '21, een postdoctoraal onderzoeker die als afstudeerstudent de theoretische paper schreef. "In essentie, het enige wat je hoeft te doen is iets krachtig genoeg te schudden om verstrengelde fotonen te produceren."

De studie, die werd gesteund door de National Science Foundation, is de eerste die onderzoek doet met behulp van meerdere fotondetectoren - de diamantdefecten - om de versnelling te versterken en de detectiegevoeligheid te vergroten. Door de diamant te laten oscilleren, kan het experiment ook plaatsvinden in een controleerbare ruimte met intense versnellingen.

"De fotonen die door de diamant worden gedetecteerd, worden in paren geproduceerd, " zegt Hui. "Deze productie van gepaarde, verstrengelde fotonen is het bewijs dat de fotonen in een vacuüm worden geproduceerd en niet uit een andere bron."

Het gedetecteerde licht bestaat in microgolffrequentie, dus niet zichtbaar voor het menselijk oog, maar Blencowe en Wang hopen dat het werk bijdraagt ​​aan het begrip van fysieke krachten die bijdragen aan de samenleving zoals ander theoretisch onderzoek dat heeft gedaan. Vooral, het werk kan helpen experimenteel licht te werpen op de voorspelling van Hawking voor het uitstralen van zwarte gaten door de lens van Einsteins onderzoek.

"Een deel van de verantwoordelijkheid en het plezier om theoretici zoals wij te zijn, is om ideeën naar buiten te brengen, " zegt Blencowe. "We proberen aan te tonen dat het haalbaar is om dit experiment te doen, om iets te testen dat tot nu toe buitengewoon moeilijk was."