Fizičari sa Sveučilišta Kalifornije u Santa Barbari (UCSB) zatvorili su val ultrahladnih atoma između dvaju „zrcala” od laserske svjetlosti i jedno od njih pomicali u ritmu od oko 95 titraja u sekundi. Raspršeni oblak atoma u nekoliko se ciklusa skupio u uzak paket koji uvijek završava na istoj putanji. Matematički opis tog gibanja ima dvije posebne točke koje odgovaraju horizontima crne i bijele rupe. Pokus je laboratorijski analog: u njemu nema ni goleme mase ni gravitacije koja bi zakrivljavala prostor-vrijeme.
Pokus je vodio David Weld s UCSB-a, a s teorijskim fizičarom Ivarom Martinom iz Nacionalnog laboratorija Argonne tim je u časopisu Physical Review Letters opisao kako se takav horizont može izvesti bez gravitacije.
Problem koji pravo zrcalo ne može riješiti
Dva zrcala okrenuta jedno prema drugome tvore optičku šupljinu, u kojoj se svjetlost neprestano odbija s jedne strane na drugu. Takve šupljine nalaze se u laserima, atomskim satovima i mnogim preciznim senzorima. Teorija predviđa da se svjetlost u šupljini ponaša neobično ako se jedno zrcalo giba dovoljno brzo i u pravom ritmu: umjesto da ostane ravnomjerno raspoređena, energija se sabija u kratke i sve jače impulse.
Ivar Martin je 2019. pokazao da se svjetlost u takvoj šupljini, ako je promatramo jednom u svakom ciklusu titranja zrcala, giba kao da putuje kroz zakrivljeno prostor-vrijeme. U tom opisu pojavljuju se dvije posebne točke. Od jedne se svjetlost udaljava i po matematičkim svojstvima odgovara horizontu događaja crne rupe, granici iza koje ništa ne može pobjeći. Prema drugoj se svjetlost skuplja, a ona odgovara horizontu bijele rupe, hipotetskog objekta u koji ništa ne može ući.
Sa svjetlošću to dosad nije izvedeno. Zrcalo bi se moralo gibati brzinom koja je primjetan dio brzine svjetlosti. Prema autorima, za šupljinu laboratorijskih dimenzija to bi značilo cikluse reda nanosekunde i ubrzanja reda milijun puta veća od Zemljine sile teže.
Atomi umjesto svjetlosti
Weldov tim zato je zamijenio uloge. Između zrcala nije odbijao svjetlost nego atome, a zrcala je napravio od svjetlosti.
Oko 200.000 atoma litija-7 ohladili su gotovo do apsolutne nule i dobili Bose-Einsteinov kondenzat. U tom stanju cijeli se oblak ponaša kao jedan zajednički val materije. Magnetskim poljem istraživači su međusobno djelovanje atoma sveli na nulu, kako bi se val gibao što jednostavnije.
Atome su zatim prenijeli u optičku rešetku, pravilan raspored svjetlosnih udolina nastao preklapanjem laserskih zraka, i doveli ih u energetsko stanje u kojem se val materije giba gotovo stalnom brzinom, slično svjetlosti. Ta efektivna „brzina svjetlosti” za atome iznosila je manje od jednog metra u sekundi.
Ulogu zrcala preuzele su dvije tanke plohe zelene laserske svjetlosti, međusobno udaljene 680,7 mikrometara, nešto manje od 0,7 milimetara. Jednu su plohu pomicali akusto-optičkim deflektorom, uređajem koji zvučnim valovima u kristalu skreće lasersku zraku. Zrcalo od svjetlosti nema masu, pa se može pomicati bez ograničenja koja vrijede za prava zrcala.
Rezonantna frekvencija te šupljine iznosila je oko 95 herca. Kada su je pobudili na 95,5 herca, pomično zrcalo gibalo se brzinom većom od jedan posto efektivne brzine valova.
Paketi su se skupljali na istoj putanji
Dok je zrcalo mirovalo, val atoma ispunjavao je cijelu šupljinu i ništa se neobično nije događalo. Kada se zrcalo počelo pomicati, oblak se u nekoliko ciklusa skupio u jedan uzak paket. Paketi pokrenuti s različitih mjesta udaljavali su se od iste nestabilne putanje i završavali na istoj stabilnoj, kako predviđa teorija.
Pri dvostruko većoj frekvenciji, 191 herc, nastala su dva odvojena paketa, svaki na svojoj putanji. Zatim su istraživači naglo pomaknuli ritam titranja zrcala za pola ciklusa. Stabilna i nestabilna točka zamijenile su uloge, a paket se vratio na početnu putanju. Autori to opisuju kao obrat vremena u stroboskopskoj slici, onoj koju dobivamo kada sustav snimamo jednom u svakom ciklusu.
Atomi su pokazali i ponašanje koje teorija za svjetlost ne predviđa, primjerice dodatne putanje na kojima su se skupljali. Autori to pripisuju tome što brzina atomskih valova nije savršeno stalna kao brzina svjetlosti u vakuumu. Dio atoma pritom se gubi prelaskom u viša energetska stanja rešetke.
Gdje analogija prestaje
Analog dijeli matematičku strukturu s horizontom, ali ne i fiziku crne rupe. Nema urušene mase ni singularnosti, a sustav je praktički jednodimenzionalan. Autori u dodatnim materijalima navode i da sinusno titranje zrcala koje su koristili ne odgovara nijednom standardnom modelu iz opće teorije relativnosti. Pokus nije mjerio ni Hawkingovo zračenje, slab kvantni sjaj koji bi prema teoriji trebale emitirati crne rupe.
Rezultat je vrijedan jer je predviđanje iz 2019. dobilo laboratorijsku izvedbu, i to u režimu vrlo snažnog pobuđivanja do kojeg optičke šupljine zasad ne mogu doći.
Od horizonta do optičkih signala
Autori vide i praktičniju primjenu. Ista dinamika mogla bi se ostvariti u elektrooptičkim materijalima, kojima se svojstva mijenjaju pod utjecajem električnog polja, i poslužiti za stvaranje impulsa i sažimanje signala.
„Dinamika koju opažamo, zajedno s mogućnošću da je ostvarimo u čvrstom stanju, upućuje na nove načine sažimanja i raširivanja optičkih signala”, rekao je Weld za APS-ov časopis Physics.
Sljedeće je pitanje može li isti postav pokazati i kvantne pojave povezane s horizontima. Autori kao moguće smjerove navode dinamički Casimirov efekt, u kojem parovi pobuđenja nastaju iz vakuuma, i Unruhovo zračenje. Nijedno od toga u ovom pokusu nije izmjereno.
Kako izgleda pravi horizont, objašnjavamo u tekstu Što je crna rupa i zašto iz nje ne može pobjeći ni svjetlost.
