Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Doświadczenia laboratoryjne poszerzają naszą wiedzę na temat promieniowania Hawkinga

Promieniowanie emitowane przez czarne dziury oraz cząstki powstające w stale rozszerzającym się wszechświecie to fundamenty naszej obecnej wiedzy o kwantowej naturze czasoprzestrzeni. Jednakże fakt występowania tych zjawisk na granicy zasięgu astrofizyków sprawia, że są one słabo poznane. Rozwiązaniem tego problemu mogą być sztuczne czarne dziury wytworzone na potrzeby projektu FDTOQG, który przyczynił się do dokładniejszego poznania promieniowania Hawkinga.

Przemysł kosmiczny

Z uogólnionej postaci drugiej zasady termodynamiki wynika, że czarna dziura posiada własną entropię, tak jak każdy inny obiekt o określonej temperaturze. Oznacza to, że czarna dziura powinna emitować promieniowanie cieplne i zachowywać się zgodnie z prawem opisującym promieniowanie ciała doskonale czarnego, jak tego wymaga termodynamika. „Wydaje się to być sprzeczne z klasyczną teorią czarnych dziur, według której z takich obiektów nic nie jest w stanie się wydostać”, mówi dr Antonin Coutant, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie” i główny badacz projektu, „ale w latach 70. Stephen Hawking odkrył, że zgodnie z teorią kwantową czarne dziury powinny emitować promieniowanie i że to promieniowanie to zachowuje się zgodnie z prawem typowym dla gorącego ciała”. Chociaż podstawy teoretyczne są dobrze zdefiniowane, promieniowanie czarnych dziur pozostaje słabo zbadane, co wyjaśnia dr Silke Weinfurtner, pracownik naukowy Uniwersytetu w Nottingham: „Z jednej strony rozwijamy zasady godzące ze sobą ogólną teorię względności i fizykę kwantową, z drugiej zaś posiadamy bardzo mało danych obserwacyjnych, ponieważ temperatura Hawkinga jest tak niska, że jej oddziaływanie – na co wskazują wszystkie współczesne badania czarnych dziur – jest niemal niezauważalne. Im mniejsza czarna dziura, tym wyższa jej temperatura, niestety jednak czarne dziury znajdujące się w obszarze znanego Wszechświata są ogromne”. W tym miejscu na scenę wkraczają analogiczne modele grawitacji. Korzystając z tego innowacyjnego podejścia, udało się wykazać, że promieniowanie Hawkinga, superradiacja i kosmologiczna produkcja cząstek to procesy uniwersalne, które – mimo iż są zbyt słabe, by dostrzec je w układach astrofizycznych – można zaobserwować w wielu innych układach, takich jak płyny, nadciecze czy układy optyczne. „Analogiczne modele grawitacji dają obecnie największe szanse zaobserwowania tych efektów w eksperymentach laboratoryjnych”, mówi dr Coutant. „Ta analogia nie jest doskonała, ale fakt, iż procesy te są obecne w szerokiej grupie układów, dowodzi ich odporności na zmiany zależne od układu. Przykładowo, gdyby czasoprzestrzeń była z zasady dyskretna, musielibyśmy się zastanowić, czy promieniowanie Hawkinga będzie bazować na tej dyskretności. W układach analogicznych istnieje pewna podstawowa dyskretność (np. przepływ płynu to ruch poszczególnych molekuł wody), a mimo to występuje w nich również efekt Hawkinga”, mówi dr Weinfurtner. Odporność procesu superradiacji przekroczyła wszelkie oczekiwania badaczy, wymagając jedynie obiektu wirującego z wystarczająco dużą prędkością i jednocześnie zdolnego do pochłonięcia niewielkiej ilości energii A ponieważ czarne dziury bez wątpienia wirują i pochłaniają materię znajdującą się w ich otoczeniu, dr Weinfurtner jest pewna, że opisany wyżej mechanizm może doprowadzić do spowolnienia ich prędkości obrotowej. Jednak ekstrapolowanie tej hipotezy na obiekty astrofizyczne nie jest tak proste, jak się wydaje. Istnieje pewna analogia między użytymi w projekcie teoretycznymi modelami opisującymi wpływ niewielkich fluktuacji na czarne dziury, jednak nie dowodzą one, że rzeczywista czarna dziura wykazuje te same efekty. „Możemy testować naszą hipotezę teoretyczną, ale nie w przypadku, kiedy hipoteza ta musi opisywać rzeczywistość. Mimo to nasze badania z pewnością pozwoliły lepiej zrozumieć zjawiska promieniowania Hawkinga i superradiacji (nazywanej również procesem Penrose’a), jak również trudności związane z wykrywaniem ich nawet w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym”, podsumowuje dr Weinfurtner. Obecnie, po zakończeniu projektu FDTOQG (From fluid dynamics to quantum gravity), zespół chce sprawdzić, jak na jego odkrycia zareaguje społeczność naukowa. Planuje także przeprowadzić kolejne doświadczenia w zakresie detekcji superradiacji z wykorzystaniem innych układów.

Słowa kluczowe

FDTOQG, czarna dziura, promieniowanie Hawkinga, termodynamika, ogólna teoria względności, entropia, fizyka kwantowa, superradiacja

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania