Într-o premieră, oamenii de știință au luat temperatura unei găuri negre sonice

Preluarea temperaturii unei găuri negre este o sarcină aparent imposibilă. Dar acum, fizicienii raportează următorul lucru cel mai bun. Ei au măsurat temperatura unei găuri negre sonice realizate în laborator, care captează sunetul în loc de lumină.

Dacă rezultatul va ține, va confirma o predicție a cosmologului Stephen Hawking, care a propus pentru prima dată un adevăr surprinzător despre găurile negre: nu sunt cu adevărat negre. În schimb, un flux relativ mic de particule curge din marginea fiecărei găuri negre la o temperatură care depinde de cât de masivă este gaura neagră. O astfel de radiație Hawking este prea slabă pentru a fi observată în adevăratele găuri negre. Dar fizicienii au observat indicii de radiații similare de la analogii găurilor negre create în laborator (SN: 18.12.10, str. 28). În noul studiu, temperatura găurii negre sonice este de acord cu cea prezisă de teoria lui Hawking, relatează echipa în 30 mai. Natură.

„Este o piatră de hotar foarte importantă”, spune fizicianul Ulf Leonhardt de la Institutul de Știință Weizmann din Rehovot, Israel, care nu a fost implicat în studiu. „Este nou în tot domeniul. Nimeni nu a mai făcut un astfel de experiment până acum.”

Pentru a produce gaura neagră sonică, cercetătorii au folosit atomi ultrareci de rubidiu, răciți într-o stare cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein și i-au pus să curgă. Analog cu lumina de captare a gravitației unei găuri negre, atomii care curg împiedică scăparea undelor sonore, ca un caiac care vâslește împotriva unui curent prea puternic pentru a fi depășit. Experimentele anterioare cu această configurație au arătat semne de radiație Hawking, dar nu a fost încă posibil să se măsoare temperatura acesteia (SN: 15/11/14, str. 14).

Radiația Hawking provine de la perechi de particule cuantice care apar constant peste tot, chiar și în spațiul gol. În mod normal, acele particule se anihilează imediat una pe cealaltă. Dar la marginea unei găuri negre, dacă o particulă cade, cealaltă ar putea scăpa, rezultând radiația Hawking. În gaura neagră sonică, apare o situație similară: pot apărea perechi de unde sonore cunoscute sub denumirea de fononi, unul care cade și celălalt scăpa.

Măsurătorile fononilor care au scăpat și ale celor care au căzut le-au permis cercetătorilor să estimeze temperatura, 0,35 miliarde de kelvin. „Am găsit un acord foarte bun cu predicțiile teoriei lui Hawking”, spune fizicianul Jeff Steinhauer de la Institutul de Tehnologie Technion-Israel din Haifa.

Jeff Steinhauer
CREATOR HASMA Fizicianul Jeff Steinhauer și colegii săi au creat o gaură neagră sonică în laborator (se arată configurația experimentală) pentru a studia radiația Hawking.Technion-Institutul de Tehnologie din Israel

Rezultatul este de asemenea de acord cu predicția lui Hawking că radiația ar fi termică, ceea ce înseamnă că energiile particulelor ar avea o distribuție asemănătoare cu cea a strălucirii emise de un obiect cald, cum ar fi lumina roșiatică a unui aragaz electric fierbinte.

După ce Hawking și-a propus teoria, această proprietate termică prezisă a radiației a condus la o enigmă cunoscută sub numele de paradoxul informației găurii negre. În mecanica cuantică, informațiile nu pot fi niciodată distruse. Dar particulele care scapă din găurile negre ar distruge încet masa gigantului și, pe o perioadă lungă de timp, gaura neagră s-ar micșora în neant.

Asta înseamnă că informațiile care au căzut în gaura neagră (sub formă de particule, enciclopedii sau altfel) nu ar mai fi conținute în ea. Și dacă radiația Hawking este termică, informațiile nu ar fi putut fi duse de particulele care fug. Asta pentru că particulele emise nu se pot distinge de cele radiate de un obiect banal cu o anumită temperatură sau chiar de o gaură neagră diferită de aceeași masă. Asta sugerează că informațiile se pot pierde pe măsură ce o gaură neagră se evaporă, o încălcare a mecanicii cuantice.

Nu este clar dacă noul studiu ar putea ajuta oamenii de știință să rezolve paradoxul informației. O soluție va necesita probabil o nouă teorie care combină gravitația și mecanica cuantică într-o nouă teorie a gravitației cuantice – o sarcină care este una dintre cele mai mari probleme restante din fizică. Dar această teorie nu s-ar aplica găurilor negre sonice, deoarece acestea nu sunt create de gravitație. „Soluția la paradoxul informației este în fizica unei găuri negre reale, nu în fizica unei găuri negre analogice”, spune Steinhauer.