Черна звукова дупка, Хаос
PDF научно търсене
Фото галерия
Интернет - Новини
Популярно съдържание
черна звукова дупка
Изследователи от Технологичния институт в Хайфа за първи път успяха да създадат аналог на гравитационна черна дупка, акустична черна дупка, в кондензат на Бозе-Айнщайн от рубидиеви атоми. Тази дупка, подобно на истинската черна дупка, има хоризонт на събитията, в рамките на който звуковите вибрации не могат да я напуснат. Според учените чрез създаване на звукови вибрации в близост до хоризонта на събитията на такъв обект ще бъде възможно да се регистрира звуково излъчване със собствен топлинен спектър, подобно на излъчването на Хокинг на гравитационна черна дупка. Ако учените в бъдеще успеят експериментално да открият такова акустично излъчване от кондензат, то това ще бъде косвено доказателство за реалността на съществуването на радиацията на Хокинг.
Какво е кондензат на Бозе-Айнщайн (BEC)?
Феноменът Бозе-Айнщайнова кондензация възниква, когато дължината на вълната на де Бройл (съотношението на константата на Планк към импулса на частица) на бозони, тоест частици с цяло число на спин, и характерното разстояние между тях станат приблизително един порядък. Това се постига при определена температура, която се нарича критична и зависи от концентрацията на газа и масата на съставните му атоми. При достигане на критичната температура бозоните „падат“ рязко или, както се казва, кондензират до най-ниската енергийна стойност, разрешена от квантовата механика (вижте Java приложението „Кондензация на Бозе-Айнщайн“), докато критичната температура на кондензация на атомен газ е много близка до абсолютната нула. Например, в експеримент на Ерик Корнел и Карл Уиман през 1995 г. (през 2001 г. за тезиизследователите бяха удостоени с Нобелова награда), когато кондензатът на Бозе-Айнщайн (BEC) беше получен за първи път от рубидиеви атоми 87Rb, температурата беше около 170 нанокелвина (nK).
BEC като мини лаборатория за изследване на астрофизични явления на Земята
Сред разнообразието от експериментални и теоретични работи, последвали откриването на кондензацията на Бозе-Айнщайн, заслужава да се споменат редица публикации, в които се твърди, че поради необичайните си свойства BEC може да бъде отличен лабораторен модел за изучаване на някои уместни и все още неясни астрофизични явления, като експлозии на свръхнови или изпаряване на черни дупки. Разбира се, тук не говорим за създаване с помощта на BEC на точно копие на черна дупка или експлозия на свръхнова в микромащаб, а само за паралела между тези две явления. Важно е, че от математическа гледна точка подходите за описание на тези явления се оказват много сходни. И тъй като теорията е почти същата, тогава експерименталните резултати трябва да бъдат качествено близки. И това, което астрономите се опитват да видят в дълбините на космоса - излъчването на черна дупка, експлозията на свръхнова - може да се види на Земята с помощта на BEC.
Как се използва аналогията между черните дупки в космоса и черните дупки в BEC? Както знаете, черната дупка е област от пространството с толкова силна гравитация, че дори светлината не може да напусне нейните граници. Той е "изолиран" от останалото пространство чрез въображаема граница, наречена хоризонт на събитията. Това, което е вътре в хоризонта на събитията, не може да напусне дупката. През 70-те години Хокинг показа, че идеята за черните дупки като обекти, които само поглъщат и не освобождават нищо, не е напълно правилна. Такива астрономически обектимогат да излъчват и това излъчване води до тяхното изпаряване, тоест до намаляване на масата. Механизмът на явлението е следният: в хоризонта на събитията на черна дупка вакуумните флуктуации пораждат двойка частици - едната с отрицателна, другата с положителна енергия (например два фотона), които поради силната гравитация няма да имат време да анихилират. Частица с отрицателна енергия може да е малко под хоризонта на събитията и следователно да бъде погълната от черна дупка, докато частица с положителна енергия, която е над хоризонта на събитията, може да отлети.
Поглъщайки античастица с отрицателна енергия, черната дупка намалява своята енергия и съответно масата си. Оказва се, че дупката се изпарява, а избягалите частици носят информация за това под формата на радиация, която се нарича радиация на Хокинг. Теорията казва, че температурата може да се сравни с тази радиация и следователно може да се регистрира. По-нататъшни изчисления обаче показаха, че температурата на радиацията на Хокинг е по-ниска от - а за някои много масивни черни дупки, много по-малка - от температурата на CMB на Вселената, която е приблизително 2,7 K, така че "виждането" на радиацията на Хокинг е много трудна задача (ако, разбира се, съществува).
Не е възможно да се възпроизведе колосалната гравитация на черна дупка в „домашни“, земни, условия, така че учените прибягват до BEC като лабораторен модел на черна дупка, опитвайки се да открият радиация от кондензат,механизмът на образуване на който е подобен на процеса на възникване на радиацията на Хокинг. Като модел на радиацията на Хокинг, теоретичните физици предложиха използването на акустично излъчване, което може да бъде създадено в BEC.
Основната идея е следната: кондензатът е вещество, в което, както във всеки друг материал, разпространението на звукавърви с определена скорост. Да приемем, че определен участък от BEC се ускорява и започва да се движи със скорост, превишаваща скоростта на звука в дадена среда, докато останалата част продължава да тече със скорост, по-малка от скоростта на звука. Областта, която тече със скорост, по-голяма от скоростта на звука, засега условно ще наречем черна дупка, а преходната граница, където скоростта на кондензата е точно равна на скоростта на звука (има преход от дозвукова към свръхзвукова скорост), също условно ще считаме хоризонт на събитията. В този хоризонт на събитията се създава двойка фонони - кванти звукови вибрации - които, разбира се, се движат със скоростта на звука в BEC. Импулсът на един от фононите може да бъде противоположен на движението на кондензата, така че той ще бъде уловен от него и вече няма да може да избяга от него, тъй като скоростта на фонона е по-малка от скоростта на кондензата. А вторият фонон, в съответствие със закона за запазване на импулса, се движи в обратна посока, отлитайки от кондензата. Този избягал фонон в крайна сметка образува фононно или акустично излъчване, което също има определен топлинен спектър или температура.
Аналогията с истинската черна дупка е очевидна: участъкът от BEC, който се движи със свръхзвукова скорост и не освобождава фонони, съответства на гравитационна черна дупка, която не освобождава фотони; фононите, произведени в района на BEC, където скоростта на неговия поток е равна на скоростта на звука в него, са фотони, произведени в хоризонта на събитията на истинска черна дупка. По този начин, дори ако не е истинска черна дупка, а нейният звуков аналог, в кондензата може да се образува акустична черна дупка, която не излъчва звук (фонони) в своя хоризонт на събитията.
Експериментална реализация в BEC на акустична черна дупка
израелскиучени от Технологичния институт в Хайфа направиха първата стъпка към практическото прилагане на описаните по-горе акустични черни дупки в BEC. Препринт на статията „Звукова черна дупка в Бозе-Айнщайнов кондензат с обърната плътност“ е достъпен от архива. Основните трудности, които израелските изследователи успешно преодоляха, бяха не само да ускорят кондензата на рубидиеви атоми до скорост, която надвишава скоростта на звука в дадена среда, но и да направят неговия поток недисипативен (без триене), а скоростта на движение е нехомогенна.
Всичко това беше постигнато от израелски учени с помощта на механизъм, който те нарекохаинверсия на плътността. Кондензатен поток от 100 000 87 Rb атома се генерира в магнитно поле, което варира леко с времето (магнитен капан). Дълбок енергиен кладенец се създава в магнитен капан с помощта на лазер (фиг. 1). Част от кондензата, който първоначално се движи с дозвукова скорост, попада в тази яма, сякаш се ускорява и достига свръхзвукова скорост. Областта на кондензата, в която скоростта на неговото движение е равна на скоростта на звука в него, е въображаем хоризонт на събитията. Тъй като кондензатът не е в най-ниското състояние, което тук съответства на дъното на енергийния кладенец, тогава, поради законите на квантовата механика, той не може да "живее" на дъното му. BEC се "избутва" от него и продължава да тече със скоростта, която е имал преди да влезе в ямата.
 |
Фигура 2а показва графики на разпределението на концентрацията (или плътността, която в този контекст е една и съща) на BEC, докато протича през енергийния кладенец в различни точки от времето. Времето се отчита от момента, в който концентрацията на атомите има формата, показана от синята крива. Произход туксъответства на минимума (дъното) на енергийния кладенец. Кондензатът се движи в отрицателна посока на остаx. Както се очакваше, в близост до нулевата координата (дъното на енергийния кладенец) се наблюдава минимум на плътността на кондензата.
Скоростта на движение на всеки участък от кондензата в различно време е показана на фигура 2b. Максималната скорост на потока BEC е на дъното на енергийния кладенец (координатаx= 0). Черната крива е скоростта на звука в текущия BEC. Тя не е постоянна, тъй като скоростта на звука зависи от плътността на веществото, а концентрацията, както вече видяхме от графиките на фигура 2а, не е постоянна стойност. Пресечните точки на черната крива с останалите криви (показани като черни кръгове) са хоризонтите на събитията на черната дупка. В този момент и на това място на кондензата скоростта на неговия поток е равна на скоростта на звука в него. От експериментална гледна точка двойка фонони трябва да бъде възбудена на това място на кондензата и в този момент от време, за да се открие акустично излъчване, подобно на излъчването на Хокинг.
За съжаление израелските учени не са изследвали възбуждането на фонони в хоризонта на събитията на акустична черна дупка и следователно, естествено, не са наблюдавали никакво акустично излъчване от BEC. Те само изчисляват очакваната температура на фононното излъчване в различни моменти от движението на BEC. Оказа се, че радиационната температура трябва да бъде около 0,2–0,3 nK (фиг. 2в). По принцип в момента такива ниски температури са технически постижими, но е много трудно да се получат. През 2000 г. група финландски учени, работещи върху магнетизма и свръхпроводимостта на родия, успяха да създадат температура от 0,1 nK, като прекараха 20 години изследвания, за да я постигнат (виж съобщение за пресата от лабораторията за ниски температури на Технологичния университетХелзинки). В момента това е най-ниската температура, създавана някога на Земята.
Източник:O. Lahav, A. Itah, A. Blumkin, C. Gordon, J. Steinhauer. Звукова черна дупка в кондензат Бозе-Айнщайн с обърната плътност // arXiv:0906.1337 (7 юни 2009 г.).