Laboratóriumi fekete lyuk bizonyítja, hogy Stephen Hawkingnak igaza volt

Az izraeli Technion kutatóintézet atomfizikai laboratóriumának kutatói szimulált fekete lyukkal bizonyították a tavaly elhunyt brit elméleti fizikus, Stephen Hawking 1974-es nevezetes elméletét, amely szerint a mindent elnyelő galaktikus objektumok is képesek sugározni.    

Hawking kiinduló gondolata az volt, hogy minden fizikai folyamat megfordítható és ez alól a fekete lyuk sem lehet kivétel. Viszont a gravitáció elmélete szerint van egy kritikus érték, amikor már a fény is fogságba esik, amikor a tér annyira begörbül, hogy a fényt zárt pályára kényszeríti.

A gravitáció elmélete azonban nem a kvantumelven nyugszik, ez a hiányosság lehet annak oka, hogy az elmélet nem tud számot adni a fekete lyuk hőmérsékleti sugárzásáról. Hasonló problémába ütközött korábban a klasszikus fizika is, amikor a termodinamikai elmélet nem tudta helyesen leírni a hőmérsékleti sugárzást a hosszú hullámhosszú tartományban. 

A 20. század hajnalán Max Planck korszakalkotó módon feltételezte: egy adott hullámhosszú fény energiája nem lehet határtalanul kicsi, hanem van egy legkisebb egysége, amit ma fotonnak nevezünk. Ez már feloldotta a termodinamikai ellentmondást, és a modern fizika, a kvantummechanika kiinduló pontja lett. Ezen a nyomon indult el Hawking is, amikor a fekete lyuk esetleges hőmérsékleti sugárzását vizsgálta, és erre matematikai leírást is adott. 

Csillagászati megfigyelések azonban a mai napig sem tudták ennek a sugárzásnak a létét bizonyítani. Ez ösztönzött néhány kutatócsoportot arra, hogy olyan analóg rendszert találjanak, amelyben hasonló körülmények állnak elő, azaz valamilyen sugárzás vagy hullám nem léphet ki egy adott tértartományból. Ennek legújabb példája az Izraeli Műszaki Egyetem fizikusa, Jeff Steinhauser és munkatársainak Nature-ben megjelent közleménye.

A kondenzátum titka

A kísérletben a kutatók 8000 rubídiumatom által alkotott Bose-Einstein kondenzátumot hoztak létre. Erről annyit kell tudni, hogy ezek az atomok egész spinű részecskék, azaz bozonok, amelyek speciális tulajdonsága megengedi az azonos kvantumállapotot, szemben a félegész spinű fermionokkal. Ez azt jelenti, hogy kellően alacsony hőmérsékleten valamennyi részecske mozgási alapállapotban lehet. Ez a Bose-Einstein kondenzátum. 

A fekete lyuk szimulációját előállító izraeli berendezésForrás: Steinhauer Lab

A választást az is indokolta, hogy a fotonok is bozonok, így a fekete lyukban csapdázott fotonok is hasonló kondenzátumnak tekinthetők. A kísérletben megfelelő geometria kialakítására volt szükség, amit fókuszált lézerfénnyel oldottak meg. Ez elnyújtott alakban rendezte el a rubídiumatomokat, a kutatók pedig egy másik lézerforrással besugározták a „rúd” egyik felét. Ennek hatására a rúd egyik végén tömörödtek az atomok, a másik felén pedig ritkábbak lettek. 

Fononok mint fotonok

Az atomok rendezett mozgása, adott sebességű áramlása is létrejött a rúdon belül. Az izraeli kutatók ezt a sebességet vették alapul, amihez a kondenzátumban kialakuló rezgési hullámokat viszonyították. 

Kondenzált anyagokban ezeket a rezgési hullámokat fononoknak nevezik, a névvel is utalva hasonlóságukra a fotonokkal. A fononok hanghullámként viselkednek. Az anyag sűrűségének függvényében a hang sebessége azonban eltérő a rúd két tartományában. A kísérletben a sűrűbb részen a hangsebesség meghaladta, a ritkábban viszont nem érte el az áramlási sebességet, azaz nem tudott átjutni a túloldalra – hasonlóan ahhoz, ahogy a fekete lyukból sem tud kilépni a fény.

A kutatók ezek után elvégezték a frekvenciaanalízist, és összevetették a Hawking által javasolt matematikai leírással. Az eredmények megfeleltek a Hawking által javasolt modellnek. Ezért is tekinthető a kísérlet a Hawking-sugárzás igazolásának. A kvantumfolyamatok tehát valóban lehetőséget adnak olyan sugárzásra, amelyre a klasszikus fizika szerint nem volna lehetőség.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Kalandozások a fizikában címen a Qubiten futó sorozatának korábbi írásai itttudósportréi pedig itt találhatók. 

Stephen Hawking fekete lyukakkal kapcsolatos munkásságáról az alábbi cikkeinkben írtunk korábban: