Nowa fizyka czarnych dziur i jej eksperymentalna podstawa

Dział: Technologie, Temat: Nauka

Czarne dziury w astrofizyce teoretycznej wywołują, u większości tych,którzy tę dyscyplinę uprawiają zawodowo- prawdziwy kolaps intelektualny.Kto nieopacznie raz zainteresował się hipotetycznymi obiektami(ich istnienie wynika formalnie z pewnych rozwiązań równań pola  ogólnej teorii względności  Einsteina, które  to  rozwiązania  uzyskał Schwarzschild [1]) , ten nigdy z tej tematyki się nie wygrzebie.

Z drugiej strony, ten sam fakt jest całkiem sympatyczny : hipotezą bowiem czarnych dziur, można wyjaśnić wiele nowoodkrywanych zjawisk, przy odrobinie wysiłku nad wyposażeniem tych hipotetycznych obiektów w odpowiednie parametry i własnosci fizyczne.

Chociaż więc nikt czarnej dziury bezpośrednio nie widział, ani nie sfotografował, to jednak autentyczni fizycy (czyli ci, którzy fizykę pojmują , jako stawianie pytań przyrodzie , a nie sobie samemu ) nieustannie próbują eksperymentalnie zbadać ów wszędobylski obiekt astronomiczny.

Od kilku lat (dokładnie od roku 2009) poszukuje się dowodu eksperymentalnego na teoretycznie przewidziane zjawisko kwantowomechanicznej emisji promieniowania przez czarną dziurę ( zob.literatura [1]str.302). Gdy wykryjemy to zjawisko, zwane żargonowo "efektem Hawkinga",to czarne dziury staną się faktem obserwacyjnym. A  na  czym  ten   efekt  polega ?

 Skrótowo pisząc, zastosowanie mechaniki kwantowej do pól elektromagnetycznych w poblizu horyzontu zdarzenień czarnej dziury musi powodować emisję promieniowania(fotonów) o bardzo nikłym natężeniu: czarne dziury powinny więc świecić!

Jest to skutek oddziaływania kwantowych fluktuacji pola elektromagnetycznego

(dE*d t =h/2pi)   -  zasada  nieokresloności  Heisenberga  dla  energiii czasu  trwania zjawiska

z horyzontem zdarzeń czarnej dziury.Jednak nie posiadamy detektorów do wykrycia tak słabego promieniowania w czasoprzestrzeni wszechświata.

I w tym miejscu przychodzi z pomocą geniusz Chandry (S.Chandrasekhar-fizyk hinduski,noblista,1910-1995),który w ostatnich latach swojego życia dokonał odkrycia nowej fizyki ruchu falowego,a a w niej zasadę : w zderzeniach nieliniowych fal relatywistycznych mogą się pojawiać osobliwości i horyzonty zdarzeń.

Nowa fizyka nieliniowych fal (zwłaszcza dynamika frontów fal uderzeniowych ) , w ostatnich 20 latach podlega intensywnym badaniom- z pominięciem odkrycia Chandry, bo to przecież Hindus-które potwierdzają zmianę geometrii czasoprzestrzeni. No a jak mamy w laboratorium horyzont zdarzeń , to przecież zawsze występuje pole grawitacyjne lub ExH i łatwo sprawdzić doświadczalnie : czy istnieje efekt promieniowania Hawkinga.

Tym samym napiszę wyraźnie: przeprowadzane są już eksperymenty laoboratoryjne naśladujące czarne dziury, które pojawiają się w falach świetlnych,akustycznych,lub nawet mechanicznych jakimi są fale wodne!

W laboratoryjnych analogonach czarnych dziur ,występują różne rodzaje horyzontów i otwiera się możliwość badań wielu innych parametrów czarnych dziur dlatego, że matematyczny ich opis, jest formalnie równoważny równaniom ogólnej teorii względności,która przecież zawiera w sobie teorię czarnych dziur.To geniusz Chandry odkrył zupełnie inną fizykę czarnych dziur(zob.pozycja [2] literatury)i wytyczył szlak, po którym podążają fizycy-eksperymentalni ,by zamienić(w tymmiejscu) astronomię z science fiction , na - science.

Już w 2010 roku [3] ukazało się sprawozdanie z eksperymentu nad analogonem efektu Hawkinga. Eksperymentalnie za pomocą ultrakrótkich laserowych promieni impulsowych, pobudzono kwantową próżnię i spowodowano emisję promieniowania Hawkinga.Niestety,próby powtórzeni eksperymentu były nieudane w kilku innych laboratoriach.

Słynny relatywista George Unruh(University of British Columbia w Vancouver w Kanadzie),w tym samym czasie , zweryfikował laboratoryjnie analogon matematyczny(wykryty przez niego teoretycznie w 1981) między propagacją pól w ogólnej relatywistycznej czasoprzestrzeni i rozchodzeniem się długich fal ultraszybkich, w płytkiej wodzie, przy napotkaniu przeszkody opływowej.Unruh uzyskał odpowiednik (analogon) pobudzonej emisji promieniowania przez białą dziurę [4].

Eksperyment G.Unruha został pozytywnie powtórzony w 2015 roku[5] przez zespół Florenta Michela (Laboratoire de Physique Théorique, CNRS UMR 8627, Université Paris-Sud 11, 91405 Orsay Cedex, Francja).

Na koniec, 9 stycznia 2019 roku ukazał się raport [6] z Weizmann Institute of Science ( Rehovot 7610001, Israel), gdzie grupa prof.Jonathana Drori, do przetestowania laboratoryjnego analogonu czarnych dziur. użyła laserowych impulsów świetlnych w nieliniowych światłowodach, aby stworzyć sztuczne horyzonty zdarzeń.Analogon ten został nazwany "optyczną czarną dziurą "

Każdy impuls generuje poruszające się zaburzenie współczynnika załamania poprzez efekt Kerra. Światło sondy rejestruje to jako horyzont zdarzeń, i jednocześnie stymuluje promieniowanie Hawkinga, które występuje w reżimie ekstremalnych nieliniowych światłowodów.

Literatura

[1]B.F.Schutz,Wstęp do ogólnej teorii względności, PWN, Warszawa,1995,str.285

[2] S.Chandrasekhar,The Mathematical Theory of Black Holes,Oxford,1983

[3] F. Belgiorno, and All,Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments, 23 Sep 2010,arXiv:1009.4634v1 [gr-qc]

[4]G. Unruh, and All,Measurement of stimulated Hawking emission in an analogue system,11 Aug 2010, arXiv:1008.1911v2 [gr-qc]

[5] Florent Michel and All,Wave blocking and partial transmission in subcritical flows over an obstacle ,Phys. Rev. D 91, 024020 , 13 .01 2015,arXiv: 1409.3830v2 [gr-qc]

[6] Jonathan Drori,and All,Observation of Stimulated Hawking Radiation in an Optical Analogue,Phys. Rev. Lett. 122, 010404 ,9 .01. 2019, arXiv: 1808.09244v4 [gr-qc]