Forskare vid St. Andrews University, Skottland, hävdar att de har hittat ett sätt att simulera en händelsehorisont för ett svart hål - inte genom en ny kosmisk observationsteknik och inte av en högdriven superdator ... utan i laboratoriet. Med hjälp av lasrar, en längd av optisk fiber och beroende på en del bisarra kvantmekanik, kan en "singularitet" skapas för att förändra en lasers våglängd och syntetisera effekterna av en händelseshorisont. Om detta experiment kan producera en händelseshorisont, kan det teoretiska fenomenet Hawking Radiation testas, vilket kanske ger Stephen Hawking den bästa chansen ännu att vinna Nobelpriset.
Så hur skapar du ett svart hål? I kosmos skapas svarta hål genom att massiva stjärnor kollapsar. Stjärnans massa kollapsar ner till en enda punkt (efter att ha gått slut på bränsle och genomgått en supernova) på grund av de stora gravitationskrafter som verkar på kroppen. Skulle stjärnan överskrida en viss massgräns (dvs Chandrasekhar gräns - ett maximum där massan av en stjärna inte kan stödja sin struktur mot tyngdkraften), den kommer att kollapsa till en diskret punkt (en singularitet). Rymdtid kommer att vara så snevd att all lokal energi (materia och strålning) kommer att falla in i singulariteten. Avståndet från singulariteten vid vilken till och med ljus inte kan undkomma tyngdkraftsdraget är känt som händelsehorisont. Partikelkollisioner med hög energi genom kosmiska strålar som påverkar den övre atmosfären kan ge mikrosvart hål (MBH). Stor Hadron Collider (vid CERN, nära Genève, Schweiz) kan också vara i stånd att producera kollisioner tillräckligt energiska för att skapa MBH: er. Intressant nog, om LHC kan producera MBH: er, kan Stephen Hawkings teori om "Hawking Radiation" bevisas om MBH: er som skapats förångas nästan omedelbart.
Hawking förutspår att svarta hål avger strålning. Denna teori är paradoxal, eftersom ingen strålning kan undkomma ett svart håls händelseshorisont. Hawking teoretiserar emellertid svarta hål på grund av en kvittering i kvantdynamik kan producerar strålning.
Enkelt uttryckt tillåter universum att partiklar kan skapas i ett vakuum och "låna" energi från omgivningen. För att spara energibalansen kan partikeln och dess antipartikel bara leva under en kort tid och återlämna den lånade energin mycket snabbt genom att förintas med varandra. Så länge de dyker in och ut ur existensen inom en kvant tidsgräns, anses de vara ”virtuella partiklar”. Skapande till förintelse har en energinivå på noll.
Emellertid förändras situationen om detta partikelpar genereras vid eller nära en händelsehorisont för ett svart hål. Om ett av det virtuella paret faller in i det svarta hålet, och dess partner kastas bort från händelseshorisonten, kan de inte förstöra. Båda virtuella partiklarna kommer att bli "verkliga", vilket gör att den utströmmande partikeln kan transportera energi och massa bort från det svarta hålet (den instängda partikeln kan anses ha negativ massa och därmed minska det svarta hålets massa). Således förutsäger Hawking-strålning ”förångande” svarta hål, eftersom massan går förlorad till denna kvantknipp vid händelseshorisonten. Hawking förutspår att svarta hål gradvis kommer att förångas och försvinna, plus denna effekt kommer att vara mest framträdande för små svarta hål och MBH.
Så ... tillbaka till vårt St. Andrews laboratorium ...
Prof Ulf Leonhardt hoppas kunna skapa förutsättningarna för en händelsehorisont för svart hål genom att använda laserpulser, möjligen skapa det första direkta experimentet för att testa Hawking-strålning. Leonhardt är en expert på ”kvantkatastrofer”, den punkt där vågfysiken bryts ned och skapar en singularitet. I det senaste ”Cosmology Meets Condensed Matter” -mötet i London tillkännagav Leonhardts team sin metod för att simulera en av nyckelkomponenterna i händelseshorisontmiljön.
Ljus rör sig genom material med olika hastigheter, beroende på deras vågegenskaper. St. Andrews-gruppen använder två laserstrålar, en långsam, en snabb. Först avfyras en långsam förökande puls ned den optiska fibern, följt av en snabbare puls. Den snabbare pulsen borde “komma ikapp” med den långsammare pulsen. När den långsamma pulsen passerar genom mediet ändrar den emellertid fiberns optiska egenskaper, vilket får den snabba pulsen att sakta i dess kölvattnet. Det här är vad som händer med ljuset när det försöker fly från händelseshorisonten - det bromsas ner så mycket att det blir "fångat".
“Vi visar med teoretiska beräkningar att ett sådant system kan undersöka kvanteffekter av horisonter, särskilt Hawking-strålning”. - Från ett kommande papper från St. Andrews-gruppen.
Effekterna som två laserpulser har på varandra för att härma fysiken inom en händelseshorisont låter konstigt, men denna nya studie kan hjälpa oss att förstå om MBH: er genereras i LHC: erna och kan driva Stephen Hawking lite närmare ett förtjänat Nobelpris.
Källa: Telegraph.co.uk
