Czarne dziury to niesłychanie ciekawe zjawisko, w którego zrozumieniu jesteśmy właściwie na samym początku drogi. Z racji tego, że nie jesteśmy w stanie żadnej z nich obserwować w formie umożliwiającej badanie zjawisk zachodzących w ich okolicy, bazujemy na teoriach stworzonych przez największych naukowych geniuszy, takich jak Einstein, Penrose czy Hawking. Naukowcy jednak nie poddają się i wpadli na kilka pomysłów, w jaki sposób w laboratorium stworzyć przy pomocy innych zjawisk falowych symulację czarnej dziury i horyzontu zdarzeń. A wszystko zaczęło się od wodospadu...
Promieniowanie Hawkinga
Jedną z największych zagadek dotyczących czarnych dziur jest to, dlaczego nie zjadły jeszcze całego wszechświata. Ponieważ według założeń pierwszych teorii czarnych dziur nic nie było w stanie uciec zza horyzontu zdarzeń, w takiej sytuacji nie powinno być żadnej granicy rozrostu tych „morderczych” obiektów. Po pewnym czasie musiałoby się to skończyć zapadnięciem się w sobie całego wszechświata, co nie bardzo pasowało Hawkingowi, obliczenia wskazywały, że w takim przypadku takich obiektów powinno być więcej.
Hawking stworzył więc koncepcję, według której każdy obiekt tego typu emituje promieniowanie, dzięki któremu masa czarnej dziury może maleć. Żeby jednak dało się to jakoś uzasadnić, trzeba było zaprząc do pomocy fizykę kwantową. Gdy w wyniku fluktuacji kwantowej pojawiają się nowe pary cząsteczek i antycząsteczek, po chwili radośnie się anihilują. Hawking przewiduje jednak, że jeśli to zjawisko wydarzy się na granicy horyzontu zdarzeń, to element energetycznie dodatni zostaje wypromieniowany, a ujemny trafia do czarnej dziury, pomniejszając jej masę. Hawking zakładał, że dzięki temu czarne dziury mogą wręcz zanikać po pewnym czasie.
Jak to sprawdzić?
Pies pogrzebany jest oczywiście w tym, jak zweryfikować tę teorię, nie mając dostępu do żadnej czarnej dziury, i co gorsza (a może na szczęście?), nie mając żadnych widoków na bliższe spotkanie z jakąkolwiek w przewidywalnej przyszłości. Naukowcem, który wpadł na pomysł zastąpienia fal grawitacyjnych czymś podobnym z natury, co mamy jednak pod ręką, był kanadyjski fizyk William Unruh, który zaproponował wodę i rozchodzący się w niej dźwięk.
Opisał sytuację krzyczącej ryby (tak, wiem), która leci w dół wodospadu spadającego od pewnego momentu z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku. To miejsce symulowałoby horyzont zdarzeń „porywający” dźwięk w głąb „dźwiękowej czarnej dziury”. Naukowiec rozwinął ten żartobliwy przykład w swojej pracy, dowodząc, że pomiędzy oba zjawiska zachodzą prawie tak samo. Stąd taki konstrukt nazywa się też czasem „analogiczną czarną dziurą”.
W kolejnych latach zbudowano kilka eksperymentalnych basenów doświadczalnych, w których symulowano na kilka sposobów to zjawisko. Praktyczne doświadczenia potwierdziły, że zachowywanie wody było analogiczne do przewidywanej zasady „działania” czarnych dziur, potwierdzało się też zjawisko opisane przez Hawkinga.
Woda to za mało
Kolejne eksperymenty poszły jeszcze dalej i naukowcy, a konkretnie Jeff Steinhauer wraz ze swoim zespołem przeprowadził eksperyment z kondensatem Bosego-Einsteina opartym na atomach rubidu. Mówiąc krótko, puścił przepływ schłodzonych poniżej temperatury krytycznej atomów rubidu, które dzięki temu miały praktycznie jednakowy pęd. Następnie „ostrzelał” gaz laserem, tworząc sztuczny horyzont zdarzeń po przyśpieszeniu części cząsteczek do prędkości naddźwiękowych.
Głównym celem poszukiwań były tworzące się w kondensacie kwantowe fale dźwiękowe (analogia do materii i antymaterii), normalnie ulegające szybkiej anihilacji. Po 97000 powtórzeń tego eksperymentu naukowcom udało się zaobserwować zjawiska potwierdzające istnienie promieniowania Hawkinga i udowodnić, że jest stałe i niezmienne w czasie.
Jest tylko jeden problem
Z całym tym przeciekawym doświadczeniem jest tylko jeden, za to iście schroedingerowski problem. Z racji tego, że z czarnymi dziurami i fizyką kwantową błądzimy niejako po omacku, to co wydaje nam się analogią do zachowania czarnych dziur i ich okolicy, może okazać się oceną powierzchowną.
Mamy więc potwierdzenie teorii, która może się okazać całkowicie błędna, ponieważ oceniamy zjawisko tak, jak przed wiekami Georg E. Stahl proces spalania ze swoją teorią flogistonu. Teoria Hawkinga jest więc cały czas teorią prawdziwie kwantową, będąc jednocześnie potwierdzoną, jak i całkowicie błędną. ;)
