Sztuczna czarna dziura zaczęła świecić. Nie w kosmosie, a w laboratorium

Sam Albert Einstein był przekonany, że czarne dziury, choć wynikają ze stworzonej przez niego ogólnej teorii względności, najprawdopodobniej nie istnieją. Odkąd jednak naukowcy zaczęli odkrywać te fascynujące obiekty niemal w każdym kierunku w przestrzeni kosmicznej, fascynują one zarówno specjalistów, jak i laików. Część ich uroku skrywa się w tym, że duża część wiedzy o nich pozostanie na zawsze przed nami ukryta, za horyzontem zdarzeń. Nic zatem dziwnego, że badacze od lat starają się o nich dowiedzieć tyle, ile tylko się da.
Czy w końcu uda się połączyć ogólną teorię względności z fizyką kwantową?

Czy w końcu uda się połączyć ogólną teorię względności z fizyką kwantową?

Idealnie byłoby stworzyć własną kontrolowaną czarną dziurę w laboratorium. Niestety jak na razie jest to poza naszym zasięgiem. Nie zmienia to jednak faktu, że zawsze można stworzyć swoisty analog, odpowiednik czarnej dziury.

Wykorzystując strumień, łańcuch pojedynczych atomów do symulowania horyzontu zdarzeń wyznaczającego granicę czarnej dziury, zespół fizyków był w stanie zaobserwować swoisty odpowiednik promieniowania Hawkinga, czyli cząstek wynikających z fluktuacji kwantowych na samej granicy czarnej dziury. O ile przez wiele lat uważano, że czarne dziury pochłaniają wszystko, co wpadnie za horyzont zdarzeń, badania prowadzone przez fizyka Stephena Hawkinga wykazały, że czarne dziury emitują promieniowanie, które w skali kosmologicznej prowadzi do wyparowania czarnej dziury.

Czytaj także: Czarna dziura sieje spustoszenie w naszej galaktyce. Skala zniszczeń jest gigantyczna

Naukowcy przekonują, że zrozumienie promieniowania Hawkinga będzie w stanie połączyć obowiązujące obecnie dwie teorie opisujące rzeczywistość, w której istniejemy, czyli ogólną teorię względności opisującą wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń oraz mechanikę kwantową, która opisuje wszechświat w skali cząstek subatomowych. Obie teorie są od dekad weryfikowane na wszelkie możliwe sposoby i obie dają prawidłowe wyniki. Mimo to naukowcy nie są w stanie połączyć obu teorii w jedną opisującą wszechświat w każdej skali.

Jak może pomóc czarna dziura?

Czarne dziury to najgęstsze obiekty we wszechświecie. Zbliżając się do takiego, niezwykle kompaktowego obiektu możemy przekroczyć niewidoczną granicę, zwaną horyzontem zdarzeń, zza której wyrwanie się na zewnątrz będzie wymagało osiągnięcia prędkości wyższej od prędkości światła. Z uwagi na fakt, że nic, nawet światło, nie jest w stanie osiągnąć prędkości wyższej od prędkości światła, każdy obiekt, czy każda cząstka, która przekroczy horyzont zdarzeń, już na zawsze pozostanie we wnętrzu czarnej dziury. Tutaj jednak do życia wchodzi teoretyczne promieniowanie Hawkinga, które miałoby wynikać z kwantowych fluktuacji przy samym horyzoncie zdarzeń. Problem w tym, że jak na razie nie posiadamy żadnych instrumentów, które byłyby w stanie zarejestrować to niezwykle słabe promieniowanie i wyłuskać je z szumu przestrzeni kosmicznej. Możliwe nawet, że nigdy nie będziemy w stanie go dostrzec.

Czytaj także: Czarna dziura ponad 30 mld razy masywniejsza od Słońca. To nowy rozdział w historii astronomii

W ramach swoich badań, naukowcy z Uniwersytetu w Amsterdamie stworzyli jednowymiarowy łańcuch atomów, wzdłuż którego mogły przeskakiwać elektrony. W ten sposób powstał swoisty laboratoryjny odpowiednik horyzontu zdarzeń. Modyfikując następnie tempo przeskakiwania elektronów z atomu na atom, badacze byli w stanie eliminować niektóre ich właściwości.

Pomiary wykonane podczas tych manipulacji doprowadziły do wzrostu temperatury układu. Co ważne, ów wzrost temperatury zgadzał się z modelami termicznego promieniowania Hawkinga w otoczeniu czarnej dziury. Autorzy opracowania wskazują, że istnienie promieniowania Hawkinga musi wynikać z splątania kwantowego cząstek znajdujących się na horyzoncie zdarzeń.

Warto tutaj zauważyć, że od tego eksperymentu do stworzenia teorii wszystkiego łączącej ogólną teorię względności z mechaniką kwantową jeszcze bardzo daleka droga. Nie zmienia to jednak faktu, że taki model może przysłużyć się do badania procesów prowadzących do emisji promieniowania Hawkinga bez konieczności tworzenia samej czarnej dziury. A to już jest znaczne ułatwienie.