Ein Schwarzes Loch ist ein Physikspielplatz. Hier können Sie die bizarrsten und grundlegendsten Ideen und Konzepte aus dem Bereich der Physik beobachten und testen. Heute gibt es jedoch keine Möglichkeit, Schwarze Löcher in Aktion direkt zu beobachten. Diese Formationen emittieren kein Licht oder Röntgenstrahlen, die von modernen Teleskopen erfasst werden können. Glücklicherweise haben Physiker Wege gefunden, um die Bedingungen eines Schwarzen Lochs im Labor zu simulieren, und indem sie Analoga von Schwarzen Löchern erstellen, beginnen sie, die erstaunlichsten Rätsel der Physik zu lösen.
Jeff Steinhauer, ein Forscher am Department of Physics des Israel Institute of Technology, erregte kürzlich die Aufmerksamkeit der gesamten Physikgemeinschaft, als er bekannt gab, dass er ein Schwarzes Loch-Analogon zur Validierung von Stephen Hawkings Theorie von 1974 verwendete. Diese Theorie besagt, dass Schwarze Löcher elektromagnetische Strahlung emittieren, die als Hawking-Strahlung bekannt ist. Hawking vermutete, dass diese Strahlung durch das spontane Auftreten eines Teilchen-Antiteilchen-Paares am Ereignishorizont verursacht wird, da der Punkt am Rand eines Schwarzen Lochs genannt wird, hinter dem nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Nach Hawkings Theorie wird das andere Teilchen in den Weltraum geworfen, wenn eines der Teilchen den Ereignishorizont überschreitet und von einem Schwarzen Loch erfasst wird. Steinhowers Experiment war die erste Demonstration dieser spontanen Schwankungen.die Hawkings Berechnungen bestätigen.
Physiker warnen davor, dass dieses Experiment die Existenz von Hawking-Strahlung in astronomischen Schwarzen Löchern immer noch nicht bestätigt, da das Steinhauer-Schwarze Loch nicht genau das ist, was wir im Weltraum beobachten können. Physikalisch ist es noch nicht möglich, starke Gravitationsfelder zu erzeugen, die Schwarze Löcher bilden. Stattdessen verwendet das Analogon Schall, um die Fähigkeit eines Schwarzen Lochs nachzuahmen, Lichtwellen zu absorbieren.
„Diese Schallwelle ist wie der Versuch, gegen die Strömung eines Flusses zu schwimmen. Aber der Fluss fließt schneller als Sie schwimmen “, sagt Steinhauer. Sein Team kühlte die Atomwolke auf nahezu Null ab und erzeugte das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat. Indem Wissenschaftler Gas schneller als mit Schallgeschwindigkeit fließen lassen, haben sie ein System geschaffen, das Schallwellen nicht verlassen können.
Steinhauer veröffentlichte seine Beobachtungen Anfang August in einem Artikel in der Zeitschrift Nature Physics. Sein Experiment ist nicht nur wichtig, weil er es ermöglichte, Hawking-Strahlung zu beobachten. Steinhauer behauptet, er habe beobachtet, wie die vom Schallschwarzen Loch emittierten Partikel und die darin enthaltenen Partikel "sich verwickeln". Dies bedeutet, dass sich zwei Teilchen gleichzeitig in mehreren physikalischen Zuständen befinden können, z. B. auf einem Energieniveau, und dass wir den Zustand des einen Teilchens kennen und sofort den Zustand des anderen Teilchens kennen.
Das Konzept eines Analogons eines Schwarzen Lochs wurde in den 1980er Jahren von William Unruh vorgeschlagen, aber erst 2009 unter Laborbedingungen erstellt. Seitdem haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt Analoga eines Schwarzen Lochs hergestellt, und viele von ihnen versuchen, Hawking-Strahlung zu beobachten. Obwohl Steinhauer der erste Forscher war, der auf diesem Gebiet erfolgreich war, helfen analoge Systeme Physikern bereits dabei, die Gleichungen und Prinzipien zu testen, die seit langem auf diese theoretischen Systeme angewendet werden, jedoch nur auf Papier. Tatsächlich besteht die Haupthoffnung für Schwarzlochanaloga darin, dass sie Wissenschaftlern helfen können, eine der größten Herausforderungen in der Physik zu bewältigen: die Schwerkraft mit den Prinzipien der Quantenmechanik zu kombinieren, die dem Verhalten subatomarer Teilchen zugrunde liegen, aber noch nicht mit Gesetzen vereinbar sind. Schwere.
Obwohl die verwendeten Methoden sehr unterschiedlich sind, ist das Prinzip für jedes Analogon eines Schwarzen Lochs das gleiche. Jeder hat einen Punkt, der wie der Ereignishorizont von keiner Welle anstelle von Licht gekreuzt werden kann, da die erforderliche Geschwindigkeit zu hoch ist. Hier sind einige Möglichkeiten, wie Wissenschaftler Schwarze Löcher im Labor simulieren.
Werbevideo:
Glas
Im Jahr 2010 sorgte eine Gruppe von Physikern der Universität Mailand für Furore in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und behauptete, sie hätten Hawking-Strahlung von einem Schwarzloch-Analogon beobachtet, das mit Hochleistungslaserpulsen gegen Quarzglas erzeugt wurde. Obwohl die Behauptung der Wissenschaftler in Frage gestellt wurde (der Physiker William Unruh sagte, dass die Strahlung, die sie bemerkten, viel intensiver ist als die berechnete Hawking-Strahlung und in die falsche Richtung geht), ist das von ihnen erstellte Analogon immer noch eine sehr interessante Methode zur Modellierung des Ereignishorizonts.
Diese Methode funktioniert wie folgt. Der erste Impuls, der auf das Quarzglas ausgeübt wird, ist stark genug, um den Brechungsindex (die Geschwindigkeit, mit der Licht in die Substanz eintritt) im Glas zu ändern. Wenn der zweite Impuls aufgrund der Änderung des Brechungsindex auf das Glas trifft, verlangsamt er sich bis zum völligen Stillstand und erzeugt einen "Horizont", über den kein Licht mehr eindringen kann. Diese Art von System ist das Gegenteil eines Schwarzen Lochs, aus dem kein Licht entweichen kann, und wurde daher als "Weißes Loch" bezeichnet. Aber wie Stephen Hawking sagt, sind weiße und schwarze Löcher im Grunde dasselbe, was bedeutet, dass sie dieselben Quanteneigenschaften aufweisen müssen.
Eine andere Forschungsgruppe aus dem Jahr 2008 hat gezeigt, dass mit Glasfasern auf ähnliche Weise ein weißes Loch erzeugt werden kann. In weiteren Experimenten wird daran gearbeitet, mit Diamant, der durch Laserstrahlung weniger zerstört wird als Silizium, denselben Ereignishorizont zu schaffen.
Polaritonen
Ein Team unter der Leitung von Hai Son Nguyen demonstrierte 2015, dass mit Polaritonen ein schwarzes Schallloch erzeugt werden kann - ein seltsamer Materiezustand, der als Quasiteilchen bezeichnet wird. Es entsteht, wenn Photonen mit elementaren Anregungen des Mediums interagieren. Nguyens Gruppe erzeugte Polaritonen, indem sie einen Hochleistungslaser auf einen mikroskopisch kleinen Hohlraum aus Galliumarsenid fokussierte, der ein guter Halbleiter ist. Darin haben Wissenschaftler absichtlich eine kleine Kerbe geschaffen, die den Hohlraum an einer Stelle erweitert. Als der Laserstrahl auf diese Mikrokavität traf, wurden Polaritonen emittiert, die in Form einer Kerbe zum Defekt stürmten. Sobald jedoch der Fluss dieser angeregten Teilchen den Defekt erreichte, änderte sich seine Geschwindigkeit. Die Teilchen begannen sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit zu bewegen, was darauf hinwies, dass es einen Horizont gab.darüber hinaus kann der Ton nicht gehen.
Mit dieser Methode hat das Team von Nguyen noch keine Hawking-Strahlung aufgezeichnet. Wissenschaftler schlagen jedoch vor, dass es im Verlauf weiterer Experimente möglich sein wird, Schwingungen zu erkennen, die durch Partikel verursacht werden, die das Feld verlassen, indem Änderungen in der Dichte ihrer Umgebung gemessen werden. Andere Experimentatoren schlagen vor, Polaritonen zu einem Bose-Einstein-Kondensat abzukühlen, das dann zur Simulation der Bildung von Wurmlöchern verwendet werden kann.
Wasser
Beobachten Sie beim Duschen, wie das Wasser den Abfluss hinunterwirbelt. Sie werden überrascht sein zu wissen, dass Sie so etwas wie ein Schwarzes Loch betrachten. In einem Labor an der Universität von Nottingham simuliert PhD Silke Weinfurtner Schwarze Löcher in einem Badezimmer, indem sie einen rechteckigen 2.000-Liter-Tank mit einem abgeschrägten Trichter in der Mitte nennt. Wasser wird von oben und unten in den Tank geleitet, was ihm einen Drehimpuls verleiht, der einen Whirlpool im Trichter erzeugt. In diesem wässrigen Analogon ersetzt Licht kleine Wellen auf der Wasseroberfläche. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie werfen einen Stein in diesen Strom und beobachten, wie die Wellen im Kreis von ihm ausstrahlen. Je näher diese Wellen dem Whirlpool kommen, desto schwieriger ist es für sie, sich in die entgegengesetzte Richtung auszubreiten. Irgendwann hören diese Wellen auf, sich ganz auszubreiten.und dieser Punkt kann als Analogon zum Ereignishorizont angesehen werden. Ein solches Analogon ist besonders nützlich, wenn seltsame physikalische Phänomene simuliert werden, die um rotierende Schwarze Löcher herum auftreten. Weinfurtner untersucht derzeit dieses Problem.
Sie betont, dass dies kein Schwarzes Loch im Quantensinn ist; Dieses Analogon erscheint bei Raumtemperatur und es können nur klassische Manifestationen der Mechanik beobachtet werden. "Es ist ein schmutziges System", sagt der Forscher. "Aber wir können es manipulieren, um zu zeigen, dass es resistent gegen Veränderungen ist." Wir wollen sicherstellen, dass die gleichen Phänomene in astrophysikalischen Systemen auftreten."
