Laboratoryjne badania analogonu horyzontu czarnej dziury

    Dział:Technologie   Temat:  Nauka         

Monachijska,międzynarodowa konferencja poświęcona problemom metodologii i filozofii fizyki,która odbyła się w ostatnim miesiącu 2015 roku, pobudziła laboratoria fizyki światowej, do intensyfikacji badań nad problemem teorii nietestowalnych empirycznie.

Głównym rodzajem badań w tym zakresie, staje się metoda wykonywania eksperymentów z analogonami zjawisk i procesów fizycznych niemożliwych do bezpośrednich obserwacji, lub bezpośredniego badania emirycznego.

Przykładem takiego procesu fizycznego może być promieniowanie czarnych dziur (BH-nierotujące,nienaładowane elektrycznie),którego teorię powstawania przedstawił S.W.Hawking [1] .Czarna dziura (BH) to obiekt teoretycznie przewidziany przez ogólną teorię względności,zmieniający lokalnie czasoprzestrzeń.

BH wytwarza wokół siebie sferyczną nieciągłość/rozdarcie przestrzeni , zwaną/e horyzontem zdarzeń.Topologia tej hiper-powierzchni zamykającej BH, ma dziwną własność w odniesieniu do materialnych obiektów i zdarzeń fizycznych :Przepuszcza je do wnętrza BH, a nie wypuszcza żadnego obiektu i zdarzenia fizycznego z wnętrza BH, do zewnętrznej przestrzeni, ponad horyzontem zdarzeń.

Z kwantowej teorii pola wynika,że próżnia przestrzeni nieustannie wytwarza pary wirtualnych cząstek (materii i antymaterii), które powstają i równie szybko ginąprzy spotaniu ze sobą.

Jednak z pracy matematycznej Hawkinga wynika ,ze w przypadku pojawienia się przy horyzoncie splątanej kwantowo pary cząstka-antycząsta,tylko jedna wpada(ta o ujemnej energii) do BH pod horyzont zdarzeń,a druga (o dodatniej energii)ucieka od BH i te uciekające cząstki tworzą promieniowanie termiczne BH (" parowanie BH"),które zabiera ze sobą część energii/masy BH ,powodując - po czasie zaleznym od masy BH - jej zniknięcie.

Mamy więc obiekt( BH ) i proces fizyczny (promieniowanie Hawkinga ) ,których teoria fizyczna jest-w zasadzie - nietestowalna empirycznie. Jeżeli więc uda się nam zbudować laboratoryjny analogon horyzontu zdarzeń BH, to możliwe że pojawi się analogon promieniowania Hawkinga i wtedy będzie możliwe zbadanie pomiarowe jego działania,oraz opracowanie teorii wyjaśniającej wyniki pomiarów i udowodnienie, że formalizm analogonu jest tożsamy z formalizmem Hawkinga teorii promieniowania czarnej dziury.

Zrobił to zespół fizyków- doświadczalników ze słynnego Israel Institute of Technology(Technion) w Haifie ,pod kierunkiem prof.Jeffa Steinhauera,w toku żmudnych prób technicznych od roku 2016 [2],a raport z ostatnich wyników [3] jest sensacją w świecie specjalistów - fizyków eksperymentalnych.

Eksperyment Steinhauera nosi nazwę: "sonic analogue quantum Hawking radiation" lub "sonic analogue black hole",czyli po polsku : "dżwiękowy analogon promieniowania Hawkinga",lub "dżwiękowy analogon czarnej dziury".

Eksperyment polega na utworzeniu splątanej kwantowo pary fononów (kwantów fali dźwiękowej ) wewnątrz płynnego kondensatu Bosego-Einsteina składającego się z atomów rubidu 87.Płyn porusza się w rurze ,a w pewnym miejscu,za pomocą akcji laserowej jest przyspieszony do prędkości większej od prędkości fononów w tym środowisku.

Powierzchnia graniczna,od której to następuje, jest dla fononów analogonem horyzontu zdarzeń.Jeden z fononów,który znalazł sie w obszarze prędkości naddźwiękowej, nie może wrócić do drugiego,który -w obszarze prędkości płynu mniejszej od jego prędkości - ucieka, tworząc analogon promieniowania Hawkinga.

Eksperyment w powyższym opisie wygląda na dziecinnie łatwy,gdy w rzeczywistości sama technika wytwarzania splątanych kwantowo fononów i doskonalenie jej niezawodności, zajęło zespołowi blisko dwa lata czasu.Rdzeniem sukcesu w tym esperymencie, jest uzyskanie termicznego charakteru dźwiękowego analogonu promieniowania Hawkinga i tym samym uwiarygodnienie matematycznego formalizmu zastosowanego przez niego, do procesu parowania czarnych dziur.

Korelacja trzech teorii fizyki : mechaniki kwantowej, termodynamiki i ogólnej teorii względności , znalazła uwiarygodnienie w nowym typie eksperymentów z analogonami obiektów i zjawisk fizycznych. .Metodologia fizyki stoi przed wyzwaniem: jaka jest wartość poznawcza metody analogonów rzeczywistosci bezpośrednio niedostępnej ?

To pytanie było rozważane w Monachium [4], a dzisiaj jest już na stałe przedmiotem analiz[5]. I  nie jest zaskoczeniem ,że  metoda  eksperymentów z   analogonami  niedostepnej  rzeczywistości   jest  rrozwijana  w  Izraelu..Tam  bowiem   jest światowy  front  badań  nowej   fizyki  ( obok Chin),a  nie w  USA,jak było  dotychczas,to  jest  w  drugiej  połowie  XXwieku.

 Literatura

[1] S.W. Hawking. Black hole explosions?. „Nature”. 248, s. 30-31,01.03. 1974

[2] Jeff Steinhauer. Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole, Nature Physics, 2016, DOI: 10.1038/nphys3863

[3]J.Steinhauer,J.R.de Nova and all, Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole, Nature, vol. 569, p.688–691, 2019

[4] K.Thebault,What Can We Learn From Analogue Experiments?Phjlosophy Science,Archive,17.10.2016

[5]K.Crowther,N.Linnemann,C.Wutrich,What we cannot learn from analogue experiments, arXiv:1811.03859v2 ,29.03.2019