Oamenii de știință au făcut o descoperire revoluționară privind fizica radiației lui Hawking, creând în laborator o gaură neagră miniaturală din lumină, scrie Live Science. Fizicienii au reușit să obțină cea mai faimoasă strălucire a unei găuri negre dintr-un fir de fibră optică și, pentru prima dată, au observat cum acea lumină reacționează asupra găurii negre simulate care a produs-o.
Rezultatul le oferă cercetătorilor o privire rară și directă asupra radiației Hawking — emisia termică slabă despre care Stephen Hawking a prezis că ar trebui să se scurgă din găurile negre — și oferă un prim indiciu despre acea mică forță care ar putea, în principiu, să facă o gaură neagră reală să se evaporeze încet, a declarat echipa de cercetare într-un nou studiu.
Lucrând cu un experiment de laborator realizat cu fibre optice, echipa internațională a detectat atât radiația, cât și „reacția de retur” mult căutată — modul în care radiația returnează energie și remodelează obiectul care a creat-o.
Conform noului studiu, publicat pe 1 iulie în revista „Nature”, lumina s-a comportat exact așa cum a prezis Hawking: ca strălucirea unui obiect cald, cu o temperatură definită și un spectru care se estompează treptat spre frecvențe mai înalte. Aceasta s-a întâmplat chiar și într-un regim în care descrierea obișnuită din manualele de specialitate a unei găuri negre ar trebui să nu mai fie valabilă.
Acolo unde trei mari teorii se întâlnesc
Radiația Hawking este renumită deoarece se află la intersecția dintre cele mai importante concepte ale fizicii.
„Jacob Bekenstein a prezis că găurile negre au o entropie și o temperatură, iar Hawking a calculat radiația termică a găurii negre”, a declarat pentru Live Science, prin e-mail, Ulf Leonhardt, coautor al studiului și fizician la Institutul Weizmann de Știință din Israel. „În radiația Hawking-Bekenstein, fizica cuantică, relativitatea generală și termodinamica se întâlnesc — discipline care, de obicei, se află în conflict unele cu altele.”
Conflictul este profund: relativitatea generală descrie spațiul și timpul ca fiind uniforme și continue, în timp ce mecanica cuantică descrie o lume a salturilor discrete și imprevizibile — și nimeni nu a reușit să le concilieze pe deplin pe cele două.
Tocmai această combinație face ca radiația Hawking să fie atât de greu de studiat. Astronomii nu au observat niciodată radiația Hawking provenind de la o gaură neagră reală și probabil că nu o vor face niciodată; strălucirea este mult prea slabă pentru a putea fi detectată în cosmos. Așadar, fizicienii au apelat la modele de laborator care respectă aceleași ecuații, construind analogii ale găurilor negre din apă în mișcare, atomi ultra-reci și, așa cum se întâmplă în acest studiu, lumină.
Construirea unei găuri negre din lumină
Secretul din spatele oricărui analog al unei găuri negre este un mediu în mișcare. „Imaginați-vă un înotător în mare, cu un curent mai rapid decât viteza cu care poate înota”, a explicat Leonhardt. „El este luat de curent. Asta se întâmplă dincolo de orizontul [evenimentului], și de aceea, în mod normal, nimic nu poate scăpa din gaura neagră.”
Orizontul evenimentului unei găuri negre este limita la care acel curent — spațiul însuși, în viața reală — începe să se miște mai repede decât poate călători orice. Pentru a-l recrea, echipa avea nevoie de un material care să pară că se deplasează cu viteza luminii. Soluția lor a fost elegantă: să folosească lumina pentru a crea „materialul”.
„În optică avem nevoie de un material care să pară că se mișcă cu viteza luminii”, a spus Leonhardt. „Pentru aceasta folosim lumina însăși — în optica neliniară, lumina se comportă ca un material.”
În practică, cercetătorii au emis un impuls intens și ultrascurt de „pompare” într-o fibră subțire de cristal fotonic — un fir de sticlă străbătut de un model de canale minuscule de aer pe toată lungimea sa, ceea ce le permite cercetătorilor să regleze cu precizie modul în care lumina se deplasează prin ea. Pe măsură ce se deplasa, impulsul a modificat ușor modul în care sticla refracta lumina, creând un „denivelament” în mișcare care se deplasa odată cu acesta. Un al doilea impuls, mult mai slab, denumit „sondă”, s-a ciocnit apoi de acest front în mișcare. În locul în care sonda nu a mai putut ține pasul, s-a format un orizont artificial — și astfel a luat naștere analogul găurii negre.
Cum au observat cercetătorii fenomenul
Rezultatul a fost observat în spectrul ultraviolet. Conform teoriei, radiația Hawking se formează în perechi: unul dintre parteneri scapă, în timp ce celălalt, purtând energie „negativă”, este imaginea oglindită care ar cădea într-o gaură neagră reală. În fibră, acel partener s-a manifestat sub formă de lumină ultravioletă.
„Am numărat fotoni în spectrul ultraviolet care corespund partenerilor radiației Hawking aflați dincolo de orizontul evenimentului”, a explicat Leonhardt. „Acestea au o lungime de undă de aproximativ 233 de nanometri. Acesta a fost semnalul nostru.”
La fel de important ca observarea strălucirii a fost înțelegerea modului în care aceasta a fost generată. Timp de ani de zile, cercetătorii au presupus că fibra genera radiația Hawking printr-o cascadă — un lanț de etape separate în care lumina este convertită mai întâi într-o formă intermediară, apoi într-o alta, fiecare alimentând-o pe următoarea, înainte ca radiația să apară în cele din urmă. Echipa a descoperit că, de fapt, o singură interacțiune directă îndeplinește această sarcină, lumina de pompare și cea de sondă producând perechea Hawking într-o singură etapă clară. Este o imagine mult mai simplă, despre care cercetătorii au afirmat că s-ar putea aplica și altor analogii și, poate, chiar găurilor negre reale.
Deoarece energia trebuie să provină de undeva, generarea radiației Hawking ar trebui să provoace o reacție de recul asupra sursei care a creat-o. În cazul unei găuri negre reale, această reacție de recul reprezintă modul în care aceasta pierde masă și, pe parcursul unor perioade de timp inimaginabile, se evaporă complet — procesul descris de Hawking în lucrarea sa de referință din 1974. Niciun experiment nu a reușit vreodată să surprindă acea reacție de recul.
Aici, echipa a observat acest fenomen. Generarea radiației a determinat schimbarea unei mici fracțiuni din lumina propriu-zisă a impulsului de pompare către o culoare ușor diferită, lăsând în spectru un model asimetric revelator. Această asimetrie, absentă în experimentele anterioare, este amprenta reacției inverse, sau reculului — analogul găurii negre plătind în tăcere prețul energetic pentru propria sa strălucire.
Calea către un experiment cuantic
Rezultatul se referă, de asemenea, la una dintre cele mai spinoase enigme din fizica găurilor negre: problema trans-Planckiană. Dacă urmărim radiația lui Hawking până la locul în care a luat naștere, calculul ajunge într-un teritoriu pentru care niciun fizician nu poate garanta — scara Planck, dimensiunea infinit de mică la care se consideră că spațiul și timpul își pierd sensul familiar, iar toată fizica cunoscută cedează. Cu alte cuvinte, predicția lui Hawking pare să se bazeze pe un fundament care s-ar putea să nu existe.
„Orice lumină care se îndepărtează de orizontul evenimentului este întinsă enorm”, a spus Leonhardt. „Așadar, trebuie să provină din unde mai mici decât cea mai mică scară din natură, unde fizica este necunoscută. Ar mai da asta naștere la radiația lui Hawking? Aceasta era întrebarea, iar noi am răspuns la ea în experimentul nostru.” În mod remarcabil, strălucirea a rămas perfect termică chiar și în acest regim extrem.
Următorul pas al echipei este unul concret. Până acum, au folosit lumină laser obișnuită, care reproduce spectrul radiației Hawking, dar nu și cele mai profunde ciudățenii cuantice ale acesteia. În continuare, echipa intenționează să „treacă la nivel cuantic”, a spus Leonhardt. „Vom explora cum să intrăm în regimul cuantic și să observăm caracteristici cuantice precum încurcătura” — legătura fantomatică care ar trebui să unească fiecare particulă Hawking care se îndepărtează de partenerul său pierdut.
Editor : Ana Petrescu
About the Author
