Egy csoport fizikus atomláncot használt egy fekete lyuk eseményhorizontjának a szimulálására, és az általunk Hawking-sugárzásnak nevezett jelenség megfelelőjét figyelte meg – olyan részecskéket tehát, amelyek a fekete lyuk téridő-törése által okozott kvantumingadozások zavaraiból születtek – számol be róla a Science Alert.

A kísérlet távlati célja, hogy segítsen feloldani a feszültséget a Világegyetem leírásának két jelenleg kibékíthetetlen módja között: az egyik az általános relativitáselmélet, amely a gravitáció viselkedését egy folytonos, téridőként ismert mezőként írja le; a másik pedig a kvantummechanika, amely a diszkrét részecskék viselkedését írja le a valószínűség matematikájával. Egy egységesen alkalmazható elmélethez lényegében tehát ezt a két modellt kell egymással összebékíteni. Hasonló célú kísérletekről korábban magunk is írtunk:

Téridőt építenek a kutatók egy laboratóriumban, hogy megfejtsék a kvantumgravitáció rejtélyét A hologram univerzum teóriájából kiindulva a kutatók kvantumösszefonódással próbálják megteremteni a téridő modelljét és megfigyelni a kvantumgravitációt.

Mi a jelentősége a fekete lyukaknak a két modell összeboronálásban? Ezen égitestek a rendkívüli sűrűségük okán egy bizonyos távolságon belül mindent csapdába ejtenek függetlenül a szóban forgó dolog sebességétől, ami akár fénysebesség is lehet. A szóban forgó távolság az adott lyuk tömegétől függ, és eseményhorizontnak nevezzük. Azt jelenleg nem tudjuk pontosan, hogy mi történik, ha egy objektum bekerül az eseményhorizontba, mivel onnan semmi sem távozhat értelemszerűen – vagy legalábbis majdnem semmi. Itt jön képbe ugyanis a Stephen Hawking által felvetett Hawking sugárzás:

„Hawking érvelése szerint az üres tér a kvantummechanika törvényei szerint soha nem teljesen üres, részecske-antirészecske párok keletkezhetnek benne, amelyek azonnal újra megsemmisülnek.

Ez a párkeltés nem olyan, mint amilyet fizikai kísérleteinkben megszoktunk, ahol van elég energia: itt a pár összenergiája zérus, ami azt eredményezi, hogy az antirészecskéknek negatív energiájúaknak kell lenniük, ezért partnerüktől nem távolodhatnak nagyon el. A fekete lyuk környékén azonban a nagy gravitációs energia miatt nagyon nagy lesz a részecskék energiája, és így bekövetkezhet, hogy a pozitív energiájú részecske el tud távolodni a fekete lyuktól, miközben a negatív energiájú partnere beleesik abba.

A kilépő részek sugárzását nevezik Hawking-sugárzásnak.”

A Hawking sugárzás azonban nagyon gyenge, az univerzumban eddig nem is sikerült észlelni. Vizsgálni lehet azonban laborban létrehozott mesterséges fekete lyukak segítségével – pontosabban fekete lyuk analógokkal. Ilyen kísérletet korábban is végeztek, és erről mi is beszámoltunk:

Laborban létrehozott, mesterséges fekete lyukak - mi baj történhetne? Stephen Hawking 1974-ben felvetette a fekete lyukakról, hogy talán nem teljesen azok az éjsötét gravitációs óriások, melyeknek addig a csillagászok elképzelték őket, és ennek tetejébe spontán fényt bocsátanak ki. Ma ezt a jelenséget nevezik Hawking-sugárzásnak.

Miben különbözik tehát a mostani kísérlet a korábbitól? Ezúttal a hollandiai Amszterdami Egyetem munkatársa, Lotte Mertens vezette csapat egy egydimenziós atomláncot alkotott. Ez a lánc lehetővé tette az elektronok számára, hogy az egyik pozícióból a másikba „átugorjanak”. A fizikusok az ugrások hangolásával pedig a részecske bizonyos tulajdonságainak az eltűnését okozhatták – így egyfajta eseményhorizontot hozva létre, amely megzavarja az elektronok hullámszerű természetét. Ez a hamis eseményhorizont pedig olyan hőmérséklet-emelkedést idézett elő, amely megfelelt az a fekete lyukakkal kapcsolatos elméleti elvárásoknak. Mint a kutatók írják:

„A kiáramló sugárzás részletes elemzése alapján megfogalmazzuk azokat a feltételeket, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a szintetikus horizont tisztán hőforrásként viselkedjen.”

Ezen feltételek alapján a sugárzás akkor jelentkezett, ha a lánc egy része túlnyúlt az eseményhorizonton. Magyarán kiderült, hogy az eseményhorizonton átnyúló részecskék összefonódása fontos szerepet játszik a Hawking-sugárzás létrehozásában. További feltétel a szimulált Hawking-sugárzással kapcsolatban, hogy csak egy bizonyos ugrási amplitúdótartományban és olyan szimulációk során jelent meg, amelyekben a téridő modell „lapos” volt.

Mindez a kutatók szerint azt sugallja, hogy a Hawking-sugárzás csak bizonyos tartományban lehet észlelhető hőmérséklet-emelkedésként, és akkor, ha a gravitáció miatt megváltozik a tér-idő görbülete. Az nem teljesen világos, hogy ez mit jelent a kvantumgravitáció szempontjából, de a modell lehetőséget kínál a Hawking-sugárzás megjelenésének tanulmányozására egy egyszerűen létrehozható, sokféle kísérleti elrendezésben használható környezetben.