Un buco nero artificiale creato in laboratorio per studiare la radiazione di Hawking

Un buco nero artificiale creato in laboratorio per studiare la radiazione di Hawking

I buchi neri sono senza dubbio gli oggetti più misteriosi dell’universo. È così compatto che nessun oggetto o radiazione può sfuggire al suo campo gravitazionale. Ma Stephen Hawking ha predetto nel 1974 che ogni buco nero dovrebbe emettere una piccola quantità di radiazione termica a causa di piccole fluttuazioni quantistiche attorno al suo orizzonte degli eventi. Tuttavia, la “radiazione di Hawking” non è stata rilevata. Un team dell’Università di Amsterdam ha trovato un modo per riprodurlo in laboratorio utilizzando buchi neri artificiali.

Comprendere i buchi neri è essenziale per chiarire le leggi fondamentali dell’universo. Rappresentano davvero i confini di due teorie attualmente inconciliabili, la teoria della relatività generale – che descrive la gravità come manifestazione della curvatura dello spazio-tempo, prodotta da oggetti massicci – e la teoria della meccanica quantistica – che descrive il comportamento di atomi e particelle. Una descrizione completa dei buchi neri richiede l’unificazione di queste due teorie attraverso la teoria della gravità quantistica. Ciò consentirebbe di comprendere fenomeni che coinvolgono grandi quantità di materia o energia su piccole dimensioni spaziali.

Per avvicinarsi a questo ipotetico, gli scienziati sono interessati all’orizzonte degli eventi dei buchi neri, il limite da cui non è più possibile uscire. Mentre Stephen Hawking ha predetto che una piccola quantità di radiazione termica è fuoriuscita da questa regione, non è mai stata rilevata. E per una buona ragione: questa radiazione è teoricamente troppo debole per essere rilevata con la tecnologia attuale; È indistinguibile dalle altre radiazioni provenienti da tutti gli altri corpi cosmici. Quindi i ricercatori si sono concentrati sul meccanismo alla base di questa radiazione nel tentativo di riprodurla in laboratorio.

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catena di atomi per simulare l’orizzonte di un buco nero

Volevamo utilizzare i potenti strumenti della fisica della materia condensata per esplorare la fisica altrimenti inaccessibile di questi incredibili oggetti: i buchi neri », spiega Lotte Mertensdottorando in fisica teorica all’Università di Amsterdam e primo autore dello studio che descrive l’esperimento.

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Per raggiungere il loro obiettivo, Mertens e colleghi hanno studiato un modello basato su una stringa unidimensionale di atomi, in cui gli elettroni possono “saltare” da una posizione atomica a un’altra. Regolando la facilità con cui gli elettroni possono viaggiare da un luogo all’altro, i ricercatori sono stati in grado di simulare la deformazione dello spazio-tempo dovuta alla presenza di un buco nero: con la giusta differenza di probabilità di saltare lungo la corda, un elettrone si muove da un’estremità all’altra comportandosi esattamente come un pezzo di materia che si avvicina all’orizzonte del buco nero.

Per creare un buco nero artificiale, basta prendere una catena di atomi (contrassegnati in verde) e alterare la facilità con cui un elettrone può saltare da una posizione atomica all’altra: cambiare la forza dei legami nella catena inferiore simula la deformazione dello spazio-tempo in presenza di un buco nero. © Università di Amsterdam

Facendo cadere una parte della catena al di sopra dell’orizzonte degli eventi simulato, il team ha registrato un aumento della temperatura all’interno della catena, coerente con la radiazione di calore prevista da Hawking.

L’effetto dell’entanglement quantistico tra particelle su entrambi i lati dell’orizzonte?

L’esame di questo orizzonte artificiale ha fornito diverse importanti informazioni sulla fisica dei buchi neri. In primo luogo, il fatto che la radiazione di Hawking simulata sia termica (ovvero, il sistema sembra avere una temperatura costante) solo per una data selezione di varianza spaziale nella probabilità di salto indica che la radiazione di Hawking reale può anche essere puramente termica in determinate condizioni, i ricercatori spiegare.

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Inoltre, la radiazione si è verificata solo quando il sistema prototipo non ha mostrato alcuna variazione spaziale nelle probabilità di salto, simulando uno spazio-tempo “piatto” senza orizzonte, prima che si trasformasse in un sistema che ospita un buco nero artificiale. Quindi l’emergere della radiazione di Hawking richiede un cambiamento nella curvatura dello spazio-tempo (a causa della gravità), o un cambiamento nel modo in cui l’osservatore che cerca questa radiazione vede la curvatura.

Infine, la radiazione richiede che parte della catena si trovi oltre l’orizzonte artificiale. Ciò potrebbe significare che la presenza della radiazione di Hawking è strettamente correlata all’entanglement di particelle su entrambi i lati dell’orizzonte.

Questo modello di orizzonte ovviamente non ha permesso lo sviluppo di una teoria della gravità quantistica, ma è un ottimo modo per studiare l’emergenza della radiazione di Hawking. Inoltre, il modello è molto semplice e può essere implementato in tutta una serie di dispositivi sperimentali. ” L’introduzione di buchi neri in laboratorio può avvicinarci alla comprensione dell’interazione tra gravità e meccanica quantistica e metterci sulla strada verso una teoria quantistica della gravità. La squadra conclude.

fonte : Mertens et al., Physical Review Research

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