Egy üvegszál belsejében, ultrarövid fényimpulzusok segítségével hozták létre a fekete lyuk eseményhorizontjának optikai megfelelőjét fizikusok. A laboratóriumi modell nem valódi, gravitációs fekete lyuk, mégis lehetővé tette, hogy megfigyeljék a Stephen Hawking által megjósolt sugárzás analógját és annak visszahatását a jelenséget létrehozó fényre.
A nemzetközi kutatócsoport egy fotonikus kristályszálban észlelte a stimulált Hawking-sugárzás jelét, majd azt is kimutatta, miként ad le energiát az azt előidéző optikai rendszer. Ez a visszahatás felelne azért, hogy egy valódi fekete lyuk rendkívül hosszú idő alatt tömeget veszítsen, végül pedig elpárologjon.
A július 1-jén a Nature folyóiratban megjelent tanulmány szerint a fény termikus sugárzáshoz hasonlóan viselkedett: meghatározott hőmérsékletű spektrumot alkotott, amely a magasabb frekvenciák felé fokozatosan elhalványult. A mintázat olyan szélsőséges körülmények között is megmaradt, ahol a fekete lyukakról alkotott hagyományos fizikai leírás már nem alkalmazható egyszerűen.
Három nagy fizikai elmélet találkozik a Hawking-sugárzásban
A Hawking-sugárzás különleges helyet foglal el a fizikában, mivel egyszerre kapcsolódik a kvantummechanikához, az általános relativitáselmélethez és a termodinamikához.
A Live Science-nek nyilatkozó Ulf Leonhardt, a tanulmány társszerzője és az izraeli Weizmann Tudományos Intézet fizikusa így foglalta össze a kapcsolatot:
Jacob Bekenstein megjósolta, hogy a fekete lyukaknak van entrópiájuk és hőmérsékletük, Hawking pedig kiszámította a fekete lyuk termikus sugárzását – mondta a kutató. „A Hawking–Bekenstein-sugárzásban a kvantumfizika, az általános relativitáselmélet és a termodinamika találkozik – olyan tudományágak, amelyek általában egymással ellentétben állnak.”
Az általános relativitáselmélet folytonos, egyenletes téridőt ír le, míg a kvantummechanika kiszámíthatatlan, diszkrét változásokkal dolgozik. A két rendszer teljes összeegyeztetése máig a modern fizika egyik legnagyobb megoldatlan feladata.
A valódi fekete lyukak Hawking-sugárzása annyira gyenge, hogy a csillagászok eddig nem tudták közvetlenül észlelni. A kutatók ezért olyan laboratóriumi modelleket építenek, amelyek ugyanazokat a matematikai összefüggéseket követik. Korábban mozgó vízzel és ultrahideg atomokkal is létrehoztak hasonló rendszereket, ebben a kísérletben pedig maga a fény töltötte be a mozgó közeg szerepét.
Így született meg a mesterséges eseményhorizont
A fekete lyuk optikai analógiájának megértéséhez Ulf Leonhardt egy erős tengeri áramlat példáját használta.
„Képzeljünk el egy úszót a tengerben, ahol az áramlás gyorsabb, mint az úszás sebessége” – magyarázta. „Az áramlás magával ragadja. Ez történik az [esemény]horizontján túl, és ezért normális esetben semmi sem tud kiszabadulni a fekete lyukból.”
Egy valódi fekete lyuknál az eseményhorizont azt a határt jelöli, amelyen belül a téridő olyan módon görbül, hogy még a fény sem juthat ki. A laboratóriumban ehhez olyan közeget kellett létrehozni, amely a rajta áthaladó fény számára rendkívül gyorsan mozgónak látszik.
„Az optikában olyan anyagra van szükségünk, amely úgy tűnik, mintha fénysebességgel mozogna” – mondta Leonhardt. „Ehhez magát a fényt használjuk – a nemlineáris optikában a fény úgy viselkedik, mint egy anyag.”
A kutatók egy intenzív, ultrarövid pumpáló impulzust vezettek be egy vékony fotonikus kristályszálba. Az üvegszál teljes hosszán apró légcsatornák futottak végig, így pontosan szabályozni lehetett a fény terjedését.
A nagy energiájú impulzus haladás közben kis mértékben megváltoztatta az üveg fénytörési tulajdonságait. Ezzel egy mozgó optikai front jött létre, amely együtt haladt az impulzussal. Ezután egy második, jóval gyengébb szondaimpulzust küldtek a rendszerbe. Ott, ahol a szonda már nem tudott lépést tartani a mozgó fronttal, kialakult a mesterséges eseményhorizont.
Ultraibolya fény árulta el a Hawking-sugárzás analógját
Az elméleti leírás szerint a Hawking-sugárzás részecskepárok formájában keletkezik. A pár egyik tagja eltávolodik a fekete lyuktól, míg a negatív energiát hordozó társa az eseményhorizonton túlra kerül. Az optikai szálban ez a partner ultraibolya fényként jelent meg.
„Megszámoltuk az ultraibolya spektrumban azokat a fotonokat, amelyek a Hawking-sugárzásnak az eseményhorizonton túli társait jelentik” – ismertette Leonhardt. „Ezek hullámhossza körülbelül 233 nanométer. Ez volt a jelünk.”
A mérés nemcsak a sugárzás jelenlétét tette láthatóvá, hanem a keletkezési folyamatáról alkotott korábbi képet is módosította. A fizikusok sokáig úgy gondolták, hogy az optikai szál több, egymást követő átalakuláson keresztül hozza létre a Hawking-sugárzás megfelelőjét.
A kísérlet eredményei ehelyett egyetlen közvetlen kölcsönhatásra utaltak. A pumpáló impulzus és a szondafény egy lépésben hozta létre a részecskepár optikai megfelelőjét. A kutatók szerint ez az egyszerűbb folyamat más analóg rendszerekben, sőt akár a valódi gravitációs térben is szerepet kaphat.
Először vált mérhetővé a sugárzás visszahatása
A kibocsátott sugárzás energiájának valamilyen forrásból kell származnia. Egy valódi fekete lyuknál ez azt jelenti, hogy az objektum fokozatosan veszít a tömegéből. Stephen Hawking 1974-ben megjelent tanulmánya alapján ez a folyamat elképzelhetetlenül hosszú idő alatt a fekete lyuk teljes elpárolgásához vezethet.
Ezt a visszahatást korábbi laboratóriumi kísérletekben nem sikerült közvetlenül kimutatni. Az új optikai rendszerben a Hawking-sugárzás analógjának létrejöttekor a pumpáló fény kis része kissé más színűvé vált. A változás jellegzetes, aszimmetrikus nyomot hagyott a spektrumban.
Ez az aszimmetria mutatta meg, hogy a sugárzás energiát vont el az azt létrehozó impulzustól. Az optikai fekete lyuk analógja így mérhető energetikai árat fizetett saját sugárzásáért.
A kísérlet a transz-Planck-problémát is érintette
A Hawking-sugárzás eredetének visszakövetése egy ponton a Planck-skálához vezet. Ezen a rendkívül kis mérettartományon a tér és az idő ismert fogalmai elveszíthetik megszokott jelentésüket, a jelenleg alkalmazott fizikai elméletek pedig már nem adnak megbízható leírást.
„Bármely, az eseményhorizonttól távolodó fény hatalmas mértékben megnyúlik” – mondta Leonhardt. „Tehát olyan hullámokból kell származnia, amelyek kisebbek a természet legkisebb skálájánál, ahol a fizika ismeretlen. Ez még mindig eredményezné a Hawking-sugárzást? Ez volt a kérdés, és mi a kísérletünkkel megválaszoltuk.”
A laboratóriumi analógban a sugárzás spektruma ezek között a szélsőséges feltételek között is termikus maradt. A kutatócsoport eddig hagyományos lézerfényt alkalmazott, amellyel a Hawking-sugárzás spektrális tulajdonságait tudta reprodukálni, a jelenség teljes kvantumtermészete még nem vált megfigyelhetővé.
A következő kísérletekben a csapat „át kíván lépni a kvantumszintre”.
„Felfedezzük, hogyan léphetünk be a kvantumállapotba, és hogyan figyelhetjük meg a kvantumjellegzetességeket, például az összefonódást” – mondta Ulf Leonhardt.
