Un buco nero è un campo da gioco della fisica. Questo è il luogo per osservare e testare le idee e i concetti più bizzarri e fondamentali del campo della fisica. Tuttavia, oggi non c'è modo di osservare direttamente i buchi neri in azione; queste formazioni non emettono luce o raggi X, che possono essere rilevati dai moderni telescopi. Fortunatamente, i fisici hanno trovato il modo di simulare le condizioni di un buco nero in un laboratorio e, creando analoghi dei buchi neri, stanno iniziando a risolvere i misteri più sorprendenti della fisica.
Jeff Steinhauer, ricercatore del Dipartimento di Fisica dell'Israel Institute of Technology, ha recentemente attirato l'attenzione dell'intera comunità di fisici annunciando che stava usando un analogo di un buco nero per convalidare la teoria di Stephen Hawking del 1974. Questa teoria afferma che i buchi neri emettono radiazioni elettromagnetiche note come radiazioni di Hawking. Hawking ha suggerito che questa radiazione sia causata dalla comparsa spontanea di una coppia particella-antiparticella all'orizzonte degli eventi, come viene chiamato il punto al bordo di un buco nero, oltre il quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Secondo la teoria di Hawking, quando una delle particelle attraversa l'orizzonte degli eventi e viene catturata da un buco nero, l'altra viene lanciata nello spazio. L'esperimento di Steinhower fu la prima dimostrazione di quelle fluttuazioni spontanee,che confermano i calcoli di Hawking.
I fisici avvertono che questo esperimento non conferma ancora l'esistenza della radiazione di Hawking nei buchi neri astronomici, poiché il buco nero di Steinhauer non è esattamente ciò che possiamo osservare nello spazio. Fisicamente, non è ancora possibile creare potenti campi gravitazionali che formino buchi neri. Invece, l'analogo utilizza il suono per imitare la capacità di un buco nero di assorbire le onde luminose.
“Questa onda sonora è come cercare di nuotare contro la corrente di un fiume. Ma il fiume scorre più velocemente di quanto tu nuoti , dice Steinhauer. Il suo team ha raffreddato la nuvola di atomi quasi allo zero assoluto, creando il cosiddetto condensato di Bose-Einstein. Facendo fluire il gas più velocemente della velocità del suono, gli scienziati hanno creato un sistema che le onde sonore non possono lasciare.
Steinhauer ha pubblicato le sue osservazioni all'inizio di agosto in un articolo sulla rivista Nature Physics. Il suo esperimento è importante non solo perché ha permesso di osservare la radiazione di Hawking. Steinhauer afferma di aver visto le particelle emesse dal buco nero sonico e le particelle al suo interno "rimanere impigliate". Ciò significa che due particelle contemporaneamente possono trovarsi in diversi stati fisici, come un livello di energia, e che conoscendo lo stato di una particella, possiamo immediatamente conoscere lo stato dell'altra.
Il concetto di analogo di un buco nero è stato proposto negli anni '80 da William Unruh, ma non è stato creato in condizioni di laboratorio fino al 2009. Da allora, gli scienziati di tutto il mondo hanno creato analoghi del buco nero e molti di loro stanno cercando di osservare la radiazione di Hawking. Sebbene Steinhauer sia stato il primo ricercatore ad avere successo su questo fronte, i sistemi analogici stanno già aiutando i fisici a testare le equazioni ei principi a lungo applicati a questi sistemi teorici, ma solo sulla carta. In effetti, la principale speranza per gli analoghi dei buchi neri è che possano aiutare gli scienziati a superare una delle più grandi sfide della fisica: combinare la gravità con i principi della meccanica quantistica che sono alla base del comportamento delle particelle subatomiche, ma non sono ancora compatibili con le leggi. gravità.
Sebbene i metodi utilizzati siano molto diversi, il principio è lo stesso per ogni analogo di un buco nero. Ognuno ha un punto, che, come l'orizzonte degli eventi, non può essere attraversato da nessuna onda usata al posto della luce, perché la velocità richiesta è troppo alta. Ecco alcuni dei modi in cui gli scienziati simulano i buchi neri in laboratorio.
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Bicchiere
Nel 2010, un gruppo di fisici dell'Università degli Studi di Milano ha fatto colpo nella comunità scientifica, sostenendo di aver osservato la radiazione di Hawking da un analogo del buco nero, che è stato creato utilizzando potenti impulsi laser puntati sul vetro di silice. Sebbene l'affermazione degli scienziati sia stata messa in dubbio (il fisico William Unruh ha detto che la radiazione che hanno notato è molto più intensa della radiazione di Hawking calcolata e che sta andando nella direzione sbagliata), l'analogo che hanno creato è ancora un metodo molto interessante per modellare l'orizzonte degli eventi.
Questo metodo funziona come segue. Il primo impulso diretto al vetro di quarzo è abbastanza forte da modificare l'indice di rifrazione (la velocità con cui la luce entra nella sostanza) all'interno del vetro. Quando il secondo impulso colpisce il vetro, a causa della variazione dell'indice di rifrazione, rallenta fino all'arresto, creando un "orizzonte" oltre il quale la luce non può penetrare. Questo tipo di sistema è l'opposto di un buco nero, dal quale la luce non può sfuggire, e quindi è stato chiamato "buco bianco". Ma come dice Stephen Hawking, i buchi bianchi e neri sono fondamentalmente la stessa cosa, il che significa che devono mostrare le stesse proprietà quantistiche.
Un altro gruppo di ricerca nel 2008 ha dimostrato che un buco bianco potrebbe essere creato in modo simile utilizzando le fibre ottiche. Ulteriori esperimenti stanno lavorando per creare lo stesso orizzonte degli eventi usando il diamante, che è meno distrutto dalla radiazione laser rispetto al silicio.
Polaritons
Il team guidato da Hai Son Nguyen ha dimostrato nel 2015 che un buco nero sonoro può essere creato usando i polaritoni, uno strano stato della materia chiamato quasiparticella. Si forma quando i fotoni interagiscono con le eccitazioni elementari del mezzo. Il gruppo di Nguyen ha creato polaritoni focalizzando un laser ad alta potenza su una cavità microscopica di arseniuro di gallio, che è un buon semiconduttore. Al suo interno, gli scienziati hanno creato deliberatamente una piccola tacca che ha espanso la cavità in un punto. Quando il raggio laser ha colpito questa microcavità, ha avuto luogo l'emissione di polaritoni, che si sono precipitati al difetto sotto forma di una tacca. Ma non appena il flusso di queste particelle eccitate ha raggiunto il difetto, la sua velocità è cambiata. Le particelle iniziarono a muoversi più velocemente della velocità del suono, indicando che c'era un orizzonte,oltre il quale il suono non può andare.
Utilizzando questo metodo, il team di Nguyen non ha ancora rilevato la radiazione di Hawking, ma gli scienziati ritengono che nel corso di ulteriori esperimenti sarà possibile rilevare le oscillazioni causate dalle particelle che lasciano il campo misurando i cambiamenti nella densità del loro ambiente. Altri sperimentatori suggeriscono di raffreddare i polaritoni in un condensato di Bose-Einstein, che può quindi essere utilizzato per simulare la formazione di wormhole.
acqua
Guarda l'acqua che vortica nello scarico mentre fai la doccia. Sarai sorpreso di sapere che stai guardando qualcosa come un buco nero. In un laboratorio dell'Università di Nottingham, la dottoressa Silke Weinfurtner simula i buchi neri in una vasca da bagno, come chiama un serbatoio rettangolare da 2.000 litri con un imbuto smussato al centro. L'acqua viene immessa nel serbatoio dall'alto e dal basso, il che gli conferisce un momento angolare, che crea un vortice nell'imbuto. In questo analogo acquoso, la luce sostituisce le piccole increspature sulla superficie dell'acqua. Immagina, ad esempio, di lanciare una pietra in questo flusso e di guardare le onde che si irradiano da esso in cerchio. Più queste onde si avvicinano al vortice, più è difficile per loro propagarsi nella direzione opposta da esso. Ad un certo punto, queste onde smettono di diffondersi del tutto,e questo punto può essere considerato un analogo dell'orizzonte degli eventi. Un simile analogo è particolarmente utile per simulare strani fenomeni fisici che si verificano intorno ai buchi neri rotanti. Weinfurtner sta attualmente esaminando questo problema.
Sottolinea che questo non è un buco nero in senso quantistico; questo analogo appare a temperatura ambiente e si possono osservare solo le manifestazioni classiche della meccanica. "È un sistema sporco", dice il ricercatore, "ma possiamo manipolarlo per dimostrare che è resiliente al cambiamento. Vogliamo assicurarci che gli stessi fenomeni si verifichino nei sistemi astrofisici ".
