O echipă de fizicieni a creat o gaură neagră din lumină și a pus la încercare una dintre cele mai misterioase teorii ale celebrului fizician Stephen Hawking

Adaugă ca sursă preferată pe Google

Rezultatul le oferă cercetătorilor o perspectivă rară și directă asupra radiației Hawking, emisia termică extrem de slabă despre care Stephen Hawking a prezis că ar trebui să se scurgă din găurile negre. De asemenea, acesta oferă primul indiciu despre acea forță subtilă care ar putea, în principiu, să determine o gaură neagră reală să se evapore treptat, a declarat echipa de cercetare într-un nou studiu.

Folosind un experiment de laborator realizat cu ajutorul fibrelor optice, echipa internațională a detectat atât radiația, cât și mult căutata „reacție de retur”, adică procesul prin care radiația transferă energie înapoi și modifică obiectul care a generat-o.

Antonescu, scos iar la atac: ”Bolojan este un demagog rudimentar, face mişto de noi”

Băsescu, nervos: ”Spuneţi că Bolojan este vinovat? Sau toate televiziunile strigă că Bolojan este de vină? Bolojan a venit premier într-o situaţie de criză pe care au provocat-o PNL şi PSD”

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 ale fizicii 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, trei 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, iar nimeni nu a reușit să le concilieze pe deplin. Tocmai această combinație face ca radiația Hawking să fie atât de dificil 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 reprezintă limita la care acel curent, adică spațiul însuși în viața reală, începe să se deplaseze mai repede decât poate călători orice altceva. Pentru a-l recrea, echipa avea nevoie de un material care să pară că se deplasează cu viteza luminii.

Soluția aleasă a fost una elegantă: utilizarea luminii pentru a crea „materialul”. „În optică avem nevoie de un material care să pară că se mișcă cu viteza luminii”, a explicat Leonhardt. „Pentru aceasta folosim lumina însăși, deoarece, în optica neliniară, lumina se comportă asemenea unui material.”

În practică, cercetătorii au transmis un impuls intens și ultrascurt de „pompare” într-o fibră subțire din cristal fotonic, un fir de sticlă traversat de un model de canale minuscule de aer pe întreaga sa lungime, ceea ce le permite cercetătorilor să controleze cu precizie modul în care lumina se propagă prin aceasta.

Pe măsură ce se deplasa, impulsul a modificat ușor modul în care sticla refracta lumina, generând o „denivelare” în mișcare care se deplasa odată cu acesta. Ulterior, un al doilea impuls, mult mai slab, denumit „sondă”, s-a ciocnit de acest front aflat în mișcare. În punctul în care sonda nu a mai putut ține pasul, s-a format un orizont artificial, dând astfel naștere analogului unei găuri 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 importantă precum 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, adică printr-un lanț de etape separate, în care lumina este convertită mai întâi într-o formă intermediară, apoi într-o altă formă, fiecare etapă 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, posibil, 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 mecanismul prin care aceasta pierde masă și, pe parcursul unor perioade de timp inimaginabil de lungi, se evaporă complet, proces descris de Hawking în lucrarea sa de referință din 1974.

Niciun experiment nu a reușit vreodată să surprindă această reacție de recul. În acest caz, echipa a reușit să observe direct fenomenul. Generarea radiației a determinat modificarea unei mici fracțiuni din lumina propriu-zisă a impulsului de pompare, deplasând-o către o culoare ușor diferită și lăsând în spectru un model asimetric, cu valoare revelatoare.

Această asimetrie, absentă în experimentele anterioare, reprezintă amprenta reacției inverse sau a reculului, fiind analogă situației în care gaura neagră plătește în tăcere costul energetic al propriei sale străluciri.

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 aceasta a luat naștere, calculele ajung într-un teritoriu în care niciun fizician nu poate oferi garanții: scara Planck, dimensiunea extrem de mică la care se consideră că spațiul și timpul își pierd sensul familiar, iar legile fizicii cunoscute își pierd valabilitatea. 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, cercetătorii au folosit lumină laser obișnuită, care reproduce spectrul radiației Hawking, dar nu și cele mai profunde particularități cuantice ale acesteia.

În continuare, echipa intenționează să „treacă la nivel cuantic”, a declarat Leonhardt. „Vom explora modul în care putem pătrunde în regimul cuantic și observa caracteristici cuantice, precum încurcătura, acea legătură misterioasă care ar trebui să unească fiecare particulă Hawking de partenerul său pierdut.”