Istraživanje koje je vodio Univerzitet u Amsterdamu pokazalo je da se neuhvatljivo zračenje koje dolazi iz crnih rupa može proučavati oponašanjem u laboratoriji.
Crne rupe su najekstremniji objekti u univerzumu, pakovanje toliko mase u tako malo prostora da ništa — čak ni svetlost — ne može da pobegne od njihove gravitacione sile kada se dovoljno približi.
Razumevanje crnih rupa je ključno za otkrivanje najosnovnijih zakona koji upravljaju kosmosom, jer one predstavljaju granice dve najbolje proverene teorije fizike: teorije opšte relativnosti, koja opisuje gravitaciju kao rezultat (velikih) krivljenja prostor-vremena od strane masivnih objekata, i teorija kvantne mehanike, koja opisuje fiziku na najmanjim skalama dužine. Da bismo u potpunosti opisali crne rupe, morali bismo da spojimo ove dve teorije zajedno i formiramo teoriju kvantne gravitacije.
Zrači crne rupe
Da bismo postigli ovaj cilj, možda bismo želeli da pogledamo šta uspeva da pobegne iz crnih rupa, a ne šta se proguta. Horizont događaja je nematerijalna granica oko svake crne rupe, iza koje se ne može izaći. Međutim, Stiven Hoking je čuveno otkrio da svaka crna rupa mora da emituje malu količinu toplotnog zračenja zbog malih kvantnih fluktuacija oko svog horizonta.
Nažalost, ovo zračenje nikada nije direktno otkriveno. Predviđa se da je količina Hokingovog zračenja koja dolazi iz svake crne rupe toliko mala da je nemoguće otkriti (sa trenutnom tehnologijom) među zračenjem koje dolazi iz svih drugih kosmičkih objekata.
Alternativno, da li bismo mogli da proučavamo mehanizam koji leži u osnovi pojave Hokingovog zračenja upravo ovde na Zemlji? To je ono što su istraživači sa Univerziteta u Amsterdamu i IFV Dresden krenuli da istraže. A odgovor je uzbudljivo „da“.
Crne rupe u laboratoriji
„Želeli smo da upotrebimo moćne alate fizike kondenzovane materije da ispitamo nedostižnu fiziku ovih neverovatnih objekata: crnih rupa“, kaže autorka Lotte Mertens.
Da bi to uradili, istraživači su proučavali model zasnovan na jednodimenzionalnom lancu atoma, u kojem elektroni mogu da „skakuću“ sa jednog atomskog mesta na drugo. Iskrivljenje prostor-vremena zbog prisustva crne rupe oponaša se podešavanjem koliko lako elektroni mogu skakati između svake lokacije.
Sa pravom varijacijom verovatnoće skakanja duž lanca, elektron koji se kreće sa jednog kraja lanca na drugi će se ponašati tačno kao komad materije koji se približava horizontu crne rupe. I, analogno Hokingovom zračenju, modelni sistem ima merljive toplotne pobude u prisustvu sintetičkog horizonta.
Učenje po analogiji
Uprkos nedostatku stvarne gravitacije u modelskom sistemu, s obzirom na ovaj sintetički horizont daje važan uvid u fiziku crnih rupa. Na primer, činjenica da je simulirano Hokingovo zračenje toplotno (što znači da sistem izgleda da ima fiksnu temperaturu) samo za određeni izbor prostorne varijacije verovatnoće skakanja, sugeriše da stvarno Hokingovo zračenje može biti samo toplotno u određenim situacijama .
Pored toga, Hokingovo zračenje se javlja samo kada modelski sistem započne bez ikakvih prostornih varijacija verovatnoća skakanja, oponašajući ravno prostor-vreme bez ikakvog horizonta, pre nego što se promeni u onaj koji sadrži sintetičku crnu rupu. Pojava Hokingovog zračenja stoga zahteva promenu u iskrivljenju prostor-vremena, ili promenu u načinu na koji posmatrač koji traži zračenje doživljava ovo iskrivljenje.
Konačno, Hokingovo zračenje zahteva da neki deo lanca postoji izvan sintetičkog horizonta. To znači da je postojanje toplotnog zračenja zamršeno povezano sa kvantno-mehaničkim svojstvom preplitanja između objekata sa obe strane horizonta.
Pošto je model tako jednostavan, može se primeniti u nizu eksperimentalnih podešavanja. Ovo može uključivati podesive elektronske sisteme, spin lance, ultrahladne atome ili optičke eksperimente. Dovođenje crnih rupa u laboratoriju može nas dovesti korak bliže razumevanju interakcije između gravitacije i kvantne mehanike, i na našem putu ka teoriji kvantne gravitacije.
