Lubang hitam adalah taman permainan fizik. Ini adalah tempat di mana anda dapat memerhatikan dan menguji idea dan konsep yang paling pelik dan asas dari bidang fizik. Walau bagaimanapun, hari ini tidak ada cara untuk melihat secara langsung lubang hitam dalam tindakan; formasi ini tidak memancarkan cahaya atau sinar-X, yang dapat dikesan oleh teleskop moden. Nasib baik, ahli fizik telah menemui cara untuk mensimulasikan keadaan lubang hitam di makmal, dan dengan membuat analog lubang hitam, mereka mula menyelesaikan misteri fizik yang paling menakjubkan.
Jeff Steinhauer, seorang penyelidik di Jabatan Fizik di Institut Teknologi Israel, baru-baru ini menarik perhatian seluruh komuniti fizik dengan mengumumkan bahawa dia menggunakan analog lubang hitam untuk mengesahkan teori Stephen Hawking tahun 1974. Teori ini menyatakan bahawa lubang hitam memancarkan sinaran elektromagnetik yang dikenali sebagai radiasi Hawking. Hawking mencadangkan bahawa sinaran ini disebabkan oleh kemunculan spontan pasangan partikel-antipartikel di cakrawala peristiwa, kerana titik di tepi lubang hitam disebut, di luar mana tidak ada, bahkan cahaya, yang dapat melarikan diri. Menurut teori Hawking, apabila salah satu zarah melintasi cakrawala peristiwa dan ditangkap oleh lubang hitam, yang lain dilemparkan ke angkasa. Eksperimen Steinhower adalah demonstrasi pertama dari turun naik spontan tersebut,yang mengesahkan pengiraan Hawking.
Ahli fizik memberi amaran bahawa eksperimen ini masih tidak mengesahkan adanya radiasi Hawking di lubang hitam astronomi, kerana lubang hitam Steinhower tidak tepat seperti yang dapat kita perhatikan di angkasa. Secara fizikal, masih belum mungkin untuk mewujudkan medan graviti yang kuat yang membentuk lubang hitam. Sebaliknya, analognya menggunakan suara untuk meniru kemampuan lubang hitam untuk menyerap gelombang cahaya.
Gelombang suara ini seperti mencoba berenang melawan arus sungai. Tetapi sungai mengalir lebih cepat daripada yang anda berenang,”kata Steinhauer. Pasukannya menyejukkan awan atom hingga hampir sifar mutlak, mewujudkan kondensat yang disebut Bose-Einstein. Dengan membuat aliran gas lebih cepat daripada kecepatan suara, para saintis telah membuat sistem yang tidak dapat ditinggalkan oleh gelombang suara.
Steinhauer menerbitkan pemerhatiannya pada awal bulan Ogos dalam sebuah artikel dalam jurnal Nature Physics. Eksperimennya penting bukan sahaja kerana ia memungkinkan untuk memerhatikan radiasi Hawking. Steinhauer mendakwa dia menyaksikan zarah-zarah yang dikeluarkan oleh lubang hitam sonik dan zarah-zarah di dalamnya "terjerat." Ini bermaksud bahawa dua zarah pada masa yang sama dapat berada dalam beberapa keadaan fizikal, seperti tahap tenaga, dan bahawa dengan mengetahui keadaan satu zarah, kita dapat segera mengetahui keadaan yang lain.
Konsep analog lubang hitam dicadangkan pada tahun 1980-an oleh William Unruh, tetapi ia tidak diciptakan dalam keadaan makmal sehingga tahun 2009. Sejak itu, saintis di seluruh dunia telah membuat analog lubang hitam, dan banyak dari mereka berusaha untuk memerhatikan radiasi Hawking. Walaupun Steinhauer adalah penyelidik pertama yang berjaya dalam hal ini, sistem analog sudah membantu ahli fizik menguji persamaan dan prinsip yang telah lama diterapkan pada sistem teori ini, tetapi hanya di atas kertas. Sebenarnya, harapan utama untuk analog lubang hitam adalah bahawa mereka dapat membantu para saintis mengatasi salah satu cabaran terbesar dalam fizik: untuk menggabungkan graviti dengan prinsip mekanik kuantum yang mendasari tingkah laku zarah subatom, tetapi belum sesuai dengan undang-undang. graviti.
Walaupun kaedah yang digunakan sangat berbeza, prinsipnya sama untuk setiap analog lubang hitam. Masing-masing mempunyai titik, yang, seperti cakrawala peristiwa, tidak dapat dilintasi oleh gelombang yang digunakan sebagai pengganti cahaya, kerana kecepatan yang diperlukan terlalu tinggi. Berikut adalah beberapa cara saintis mensimulasikan lubang hitam di makmal.
Video promosi:
Kaca
Pada tahun 2010, sekumpulan ahli fizik dari University of Milan membuat percikan dalam komuniti saintifik, mendakwa bahawa mereka memerhatikan radiasi Hawking dari analog lubang hitam, yang dibuat menggunakan denyutan laser yang kuat yang bertujuan untuk kaca silika. Walaupun pernyataan para saintis dipersoalkan (ahli fizik William Unruh mengatakan bahawa radiasi yang mereka perhatikan jauh lebih kuat daripada radiasi Hawking yang dihitung, dan bahawa ia menuju ke arah yang salah), analog yang mereka buat masih merupakan kaedah yang sangat menarik untuk memodelkan cakrawala peristiwa.
Kaedah ini berfungsi seperti berikut. Dorongan pertama yang diarahkan pada kaca kuarza cukup kuat untuk mengubah indeks biasan (kadar cahaya memasuki zat) di dalam gelas. Apabila dorongan kedua memukul kaca, kerana perubahan indeks biasan, ia perlahan hingga berhenti sepenuhnya, mewujudkan "cakrawala" di luar yang cahaya tidak dapat menembus. Sistem seperti ini adalah kebalikan dari lubang hitam, dari mana cahaya tidak dapat melarikan diri, dan oleh itu ia disebut "lubang putih". Tetapi seperti yang dikatakan oleh Stephen Hawking, lubang putih dan hitam pada dasarnya adalah perkara yang sama, yang bermaksud mereka mesti menunjukkan sifat kuantum yang sama.
Kumpulan penyelidikan lain pada tahun 2008 menunjukkan bahawa lubang putih dapat dibuat dengan cara yang sama dengan menggunakan serat optik. Dalam eksperimen selanjutnya, kerja sedang dilakukan untuk membuat cakrawala peristiwa yang sama dengan menggunakan berlian, yang kurang dimusnahkan oleh radiasi laser daripada silikon.
Polariton
Pasukan yang diketuai oleh Hai Son Nguyen menunjukkan pada tahun 2015 bahawa lubang hitam sonik dapat dibuat menggunakan polariton - keadaan jirim yang aneh yang disebut quasiparticle. Ia terbentuk apabila foton berinteraksi dengan pengujaan asas media. Kumpulan Nguyen mencipta polariton dengan memfokuskan laser berkuasa tinggi pada rongga mikroskopik gallium arsenide, yang merupakan semikonduktor yang baik. Di dalamnya, para saintis sengaja membuat takik kecil yang meluaskan rongga di satu tempat. Ketika sinar laser memukul mikrokavitas ini, polariton dipancarkan, yang bergegas ke cacat dalam bentuk takik. Tetapi sebaik sahaja aliran zarah-zarah teruja ini mencapai kecacatan, kelajuannya berubah. Zarah-zarah mula bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara, menunjukkan bahawa ada cakrawala,di luar itu suara tidak boleh pergi.
Dengan menggunakan kaedah ini, pasukan Nguyen belum dapat mengesan radiasi Hawking, tetapi para saintis percaya bahawa dalam jangka masa eksperimen lebih jauh, kemungkinan untuk mengesan ayunan yang disebabkan oleh partikel yang keluar dari lapangan dengan mengukur perubahan kepadatan persekitaran mereka. Eksperimen lain mencadangkan polariton penyejuk ke kondensat Bose-Einstein, yang kemudian dapat digunakan untuk mensimulasikan pembentukan lubang cacing.
Air
Perhatikan air mengalir ke bawah saluran air ketika anda mandi. Anda akan terkejut apabila mengetahui bahawa anda melihat sesuatu seperti lubang hitam. Di makmal di University of Nottingham, PhD Silke Weinfurtner mensimulasikan lubang hitam di dalam tab mandi, kerana dia memanggil tangki segiempat tepat 2.000 liter dengan corong serong di tengahnya. Air dimasukkan ke dalam tangki dari atas dan bawah, yang memberikan momentum sudut, yang mewujudkan pusaran air di corong. Dalam analog berair ini, cahaya menggantikan riak kecil di permukaan air. Bayangkan, misalnya, bahawa anda melemparkan batu ke dalam aliran ini dan melihat gelombang memancar darinya dalam bulatan. Semakin dekat gelombang ini ke pusaran air, semakin sukar bagi mereka untuk menyebarkan ke arah yang berlawanan darinya. Pada satu ketika, gelombang ini berhenti menyebar sama sekali,dan titik ini boleh dianggap sebagai analog cakrawala peristiwa. Analog semacam itu sangat berguna ketika mensimulasikan fenomena fizikal pelik yang berlaku di sekitar lubang hitam berputar. Weinfurtner sedang menyiasat masalah ini.
Dia menekankan bahawa ini bukan lubang hitam dalam pengertian kuantum; analog ini muncul pada suhu bilik, dan hanya manifestasi klasik mekanik yang dapat diperhatikan. "Ini sistem yang kotor," kata penyelidik. "Tetapi kita dapat memanipulasinya untuk menunjukkan bahawa ia tahan terhadap perubahan. Kami ingin memastikan bahawa fenomena yang sama berlaku dalam sistem astrofizik."
