by Na konci nepopsatelné chodby na University of Nottingham jsou dveře jednoduše označené: Black Hole Laboratory. Uvnitř probíhá experiment ve velké, high-tech vaně, která by mohla nabídnout jedinečný pohled na fyzikální zákony, které řídí realitu.
Laboratoř vede profesorka Silke Weinfurtnerová, průkopnice v oblasti analogové gravitace, jejíž práce prokázala záhadné paralely mezi matematikou popisující tekuté systémy na Zemi a některými z nejextrémnějších a nejnepřístupnějších prostředí Země.
“Je snadné se zastrašit přemýšlením o černých dírách. Všechny předpovídané efekty kolem černých děr se zdají tak zvláštní, tak bizarní, tak odlišné,” říká. moje vana. Možná to nakonec není tak zvláštní.
Dříve Weinfurtnerův tým používal konfiguraci vany ke studiu Hawkingova záření, což je proces, při kterém se předpokládá, že se černé díry „vypaří“ a nakonec zmizí. Se svými kolegy v současné době pracuje na pokročilejším simulátoru, o kterém se domnívají, že poskytne ještě sofistikovanější pohledy na chování černých děr.
“Všechny tyto efekty jsou extrémně krásné a zásadně důležité,” říká. “Například, vypaří se černá díra, nebo tam zůstane navěky?”
Základní myšlenkou je, že proudění tekutiny v záchytném otvoru napodobuje v matematickém smyslu zakřivení samotného časoprostoru extrémním gravitačním polem černé díry.
„Fyzika se na mnoha místech opakuje. Jde o soubor matematických modelů, které jsou velmi univerzální. A pokud je stejná matematika, měla by být stejná i fyzika,“ říká Weinfurtner. „Pro mě jsou analogy darem přírody. Existuje celá třída systémů, které mají stejné fyzikální procesy.
Weinfurtner si myslí, že paralely mezi těmito dvěma situacemi by měly být využity k prozkoumání toho, co se stane, když gravitační a kvantová pole interagují. To byl pravděpodobně ústřední úkol fyziky v minulém století. Gravitační a kvantové teorie fungují dobře samostatně – a to často stačí k popisu světa kolem nás, protože ve velkých měřítcích má gravitace tendenci dominovat, zatímco v atomových měřítcích dominují kvantové efekty.
Ale v černých dírách, kde je hodně hmoty nacpané ve velmi malé oblasti vesmíru, se tyto světy střetávají a neexistuje žádný teoretický rámec, který by je sjednotil.
“Dobře rozumíme oběma samostatně, ale ukazuje se, že je nesmírně obtížné tyto dvě teorie zkombinovat,” říká Weinfurtner. “Myšlenka je, že chceme pochopit, jak se chová kvantová fyzika, na tom, co nazýváme zakřivenou časoprostorovou geometrií.”
V nové konfiguraci je černá díra představována malým vírem uvnitř zvonu supratekutého helia, ochlazeného na -271 °C. Při této teplotě začíná helium vykazovat kvantové efekty. Na rozdíl od vody, která se může točit v nepřetržitém rozsahu rychlostí, může vír helia vířit pouze při určitých pevných hodnotách. Vlny vysílané na povrch helia, sledované s nanometrickou přesností lasery a kamerou s vysokým rozlišením, představují záření přibližující se k černé díře.
Weinfurtner plánuje použít toto nastavení ke studiu jevu známého jako superradiance, což je zdánlivě paradoxní předpověď, že záření, které se nachází v blízkosti černé díry (aniž by se pohybovalo daleko od horizontu událostí), může být odkloněno s větší energií, než jakou mělo na procesu. energii lze získat z černé díry, což postupně zpomaluje její rotaci.
Tento jev byl teoreticky předpovězen, ale nikdy nebyl pozorován. A je možné, říká Weinfurtner, že rotující černá díra by mohla vykazovat kvantové efekty podobné těm, které lze pozorovat u supratekutého helia.
Příbuzný: “Kvantové vlasy” by mohly vyřešit Hawkingův paradox černé díry, říkají vědci
Simulátor by také mohl být použit k předpovědím o Hawkingově záření a signálech gravitačních vln vysílaných vesmírem ze slučujících se černých děr, které lze detekovat detektorem gravitačních vln LIGO.
Analogové gravitační experimenty byly až donedávna považovány za okrajovou část fyzikální komunity, ale podle Weinfurtnera nyní získávají na popularitě. Simulátor heliových černých děr byl financován z grantu ve výši 5 milionů liber, který se dělil mezi týmy ze sedmi velkých britských institucí (včetně Weinfurtnerovy). Spolupracovníci z University of Cambridge simulují první okamžiky po velkém třesku.
Tento přístup má kritiky, kteří se ptají, zda navzdory pozoruhodným matematickým paralelám mohou fluidní systémy skutečně poskytnout zásadně nový pohled na kosmologické procesy. Weinfurtner je bez rozpaků, když poznamenává, že fyzika gravitačních vln měla odpůrce, dokud nebyla provedena průkopnická detekce, a že jeho práce má hodnotu i v oblasti supratekutých látek.
“Mnoho věcí bylo v minulosti kontroverzních, což nyní považujeme za samozřejmost,” říká.
