Laboratorijski simulirana crna rupa je počela svijetliti – ali zašto?

Koristeći lanac atoma raspoređenih jedan za drugim za simulaciju događajnog obzora crne rupe, tim fizičara je zabilježio pojavu onoga što nazivamo Hawkingovo zračenje – čestice koje nastaju iz poremećaja u kvantnim fluktuacijama izazvanih prekidom prostorvremena od strane crne rupe. Ističu da bi ovo otkriće moglo pomoći u rješavanju tenzija između dviju trenutno nespojivih teorijskih okvira za opisivanje svemira: opće teorije relativnosti, koja ponašanje gravitacije opisuje kao kontinuirano polje poznato kao prostorvrijeme, i kvantne mehanike, koja ponašanje diskretnih čestica opisuje koristeći matematiku vjerojatnosti. Za stvaranje ujedinjene teorije kvantne gravitacije, koja bi se mogla primijeniti univerzalno, ove dvije nespojive teorije trebaju naći način kako koegzistirati.

Crne rupe

Crne rupe su u ovom kontekstu posebno zanimljive – one su možda najneobičniji i najekstremniji objekti u svemiru. Ti masivni objekti su toliko izuzetno gusti da, unutar određene udaljenosti od centra mase crne rupe, nijedna brzina u svemiru nije dostatna za bijeg, čak ni brzina svjetlosti. Ta udaljenost, koja se mijenja ovisno o masi crne rupe, poznata je kao događajni obzor. Jednom kada objekt pređe taj prag, možemo samo nagađati što se događa, jer ništa se ne vraća s informacijama o sudbini tog objekta. No, Stephen Hawking je 1974. godine predložio da prekidi u kvantnim fluktuacijama uzrokovani događajnim obzorom dovode do zračenja vrlo sličnog termičkom zračenju. Ako Hawkingovo zračenje postoji, to je još uvijek preslabo da bismo ga mogli detektirati. Možda ga nikada nećemo uspjeti razlikovati od šuma statike svemira. No, svojstva tog zračenja možemo istražiti stvaranjem analoga crnih rupa u laboratorijskim uvjetima.

Ovaj pristup je već primijenjen, no u studenom 2022. godine, tim predvođen Lotte Mertens s Sveučilišta u Amsterdamu u Nizozemskoj uveo je inovativnu metodu. Koristili su jednodimenzionalni niz atoma kao putanju kojom su elektroni “preskakali” s jedne na drugu poziciju. Podešavanjem lakoće ovih skokova, fizičari su uspjeli eliminirati određena svojstva, stvarajući na taj način vrstu umjetnog događajnog obzora koji je utjecao na valovitu prirodu elektrona. Promatran je porast temperature koji odgovara teorijskim predviđanjima za sustav analogan crnoj rupi, što su istaknuli istraživači, ali zabilježeno je samo kada je dio lanca prešao događajni obzor. Ovo sugerira da bi međusobna povezanost čestica na rubovima događajnog obzora mogla biti ključna u stvaranju Hawkingovog zračenja.

Simulirano Hawkingovo zračenje

Simulirano Hawkingovo zračenje pokazalo se termalnim samo unutar određenog raspona amplitude skokova i tijekom simulacija koje su simulirale “ravno” prostorvrijeme. Ovi rezultati upućuju na mogućnost da Hawkingovo zračenje postaje termičko samo pod specifičnim uvjetima i kada dođe do izmjene u zakrivljenosti prostorvremena uslijed gravitacijskih učinaka. Implikacije ovih otkrića za teoriju kvantne gravitacije još uvijek nisu jasne, no model pruža metodu za istraživanje kako se Hawkingovo zračenje može manifestirati u okruženjima oslobođenim od dinamike nastanka crnih rupa. Zbog svoje jednostavnosti, ovaj metodološki pristup moguće je primijeniti u različitim eksperimentalnim okruženjima, ističu istraživači. “Ovo otvara nove mogućnosti za istraživanje osnovnih kvantnomehaničkih aspekata u interakciji s gravitacijom i zakrivljenim prostorvremenima u različitim kondenzirano-materijalnim postavkama,” zaključili su autori studije. Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Research.