I ricercatori del Weizmann Institute of Science e del Cinvestav hanno recentemente condotto uno studio testando la teoria della radiazione di Hawking su analoghi di laboratorio dei buchi neri. Nei loro esperimenti, hanno usato impulsi luminosi in fibre ottiche non lineari per stabilire orizzonti di eventi artificiali.

Già nel 1974, il famoso fisico Stephen Hawking ha stupito il mondo della fisica con la sua teoria della radiazione di Hawking, che suggeriva che invece di essere nero, i buchi neri dovrebbero brillare leggermente a causa degli effetti quantistici vicino all'orizzonte degli eventi del buco nero. Secondo la teoria di Hawking, il forte campo gravitazionale attorno a un buco nero può influenzare la produzione di coppie corrispondenti di particelle e antiparticelle.

Se queste particelle dovessero essere create appena al di fuori dell'orizzonte degli eventi, il membro positivo di questa coppia di particelle potrebbe sfuggire, risultante in una radiazione termica osservata emessa dal buco nero. Questa radiazione, che fu poi chiamata radiazione di Hawking, sarebbe quindi costituito da fotoni, neutrini e altre particelle subatomiche. La teoria della radiazione di Hawking è stata tra le prime a combinare concetti della meccanica quantistica con la teoria della relatività generale di Albert Einstein.

"Ho imparato la Relatività Generale nel 1997 tenendo un corso, non facendo un corso, "Ulf Leonhardt, uno dei ricercatori che ha condotto il recente studio, detto Phys.org . "Questa è stata un'esperienza piuttosto stressante in cui ero solo poche settimane prima degli studenti, ma ho davvero conosciuto la Relatività Generale e me ne sono innamorato. opportunamente, questo è successo anche a Ulm, Luogo di nascita di Einstein. Da allora, Ho cercato connessioni tra il mio campo di ricerca, ottica quantistica e Relatività Generale. Il mio obiettivo principale è demistificare la Relatività Generale. Se, come io e altri abbiamo dimostrato, materiali ottici ordinari come il vetro agiscono come spazi curvi, allora lo spazio-tempo curvo della Relatività Generale diventa qualcosa di tangibile, senza perdere il suo fascino."

In collaborazione con il suo primo dottorato di ricerca. studente Paul Piwnicki, Leonhardt ha messo insieme alcune idee iniziali su come creare buchi neri ottici, che sono stati pubblicati nel 1999 e nel 2000. Nel 2004, ha finalmente raggiunto un metodo che ha effettivamente funzionato, che è quello utilizzato nel suo recente studio.

"Immaginare, come negli esperimenti gedanken di Einstein, luce che insegue un altro impulso di luce, "Spiegò Leonhardt. "Supponiamo che tutta la luce viaggi all'interno di una fibra ottica. Nella fibra di vetro, l'impulso cambia un po' la velocità della luce inseguendola, tale che la luce non può superare l'impulso. Sperimenta un orizzonte di buco bianco; un luogo in cui non può entrare. La parte anteriore del polso si comporta esattamente come l'opposto:un orizzonte di buco nero, un posto che la luce non può lasciare. Questa è l'idea in poche parole".

Leonhardt e i suoi colleghi hanno pubblicato e dimostrato questa idea nel 2008. Successivamente, hanno cercato di usarlo per dimostrare la radiazione di Hawking.

La radiazione di Hawking non è mai stata osservata direttamente nello spazio, in quanto attualmente non è fattibile. Però, può essere dimostrato in ambienti di laboratorio, ad esempio, utilizzando condensati di Bose-Einstein, onde d'acqua, polaritoni o luce. Nel passato, diversi ricercatori hanno provato a testare la radiazione di Hawking in laboratorio usando queste tecniche, eppure la maggior parte dei loro studi erano, infatti, problematica e quindi contestata.

Ad esempio, alcuni risultati passati ottenuti con intensi impulsi di luce nei supporti ottici si sono rivelati incoerenti con la teoria. Piuttosto che osservare la radiazione di Hawking prodotta dagli orizzonti, come gli stessi autori hanno poi scoperto, avevano, infatti, osservata radiazione senza orizzonte creata dai loro impulsi luminosi, poiché hanno superato la velocità di fase della luce per altre frequenze. Anche altri studi che tentavano di osservare la radiazione di Hawking sulle onde dell'acqua e nei condensati di Bose-Einstein si sono rivelati problematici.

Discutere i risultati di questi studi con Mondo della fisica , Leonhardt ha scritto, "Ammiro molto l'eroismo delle persone che li fanno, e le loro capacità e competenze tecniche, ma questo è un argomento difficile." Ha anche scritto:"Gli orizzonti sono trappole perfette; è facile rimanere intrappolati dietro di loro senza accorgersene, e questo vale per la ricerca sull'orizzonte, anche. Impariamo e diventiamo esperti secondo la definizione classica:un esperto è qualcuno che ha commesso tutti gli errori possibili (e ha imparato da loro)."

Come dimostrato da sforzi precedenti, osservare la radiazione di Hawking in laboratorio è un compito molto impegnativo. Lo studio condotto da Leonhardt e dai suoi colleghi potrebbe essere la prima valida dimostrazione della radiazione di Hawking in ottica.

"I buchi neri sono circondati dai loro orizzonti degli eventi, " ha spiegato Leonhardt. "L'orizzonte segna il confine dove la luce non può più sfuggire. Hawking ha predetto che all'orizzonte si creano quanti di luce, fotoni. Un fotone appare fuori dall'orizzonte ed è in grado di allontanarsi, mentre il suo partner appare all'interno e cade nel buco nero. Secondo la meccanica quantistica, le particelle sono associate alle onde. Il fotone all'esterno appartiene a un'onda che oscilla con frequenza positiva, l'onda del suo partner all'interno oscilla con una frequenza negativa."

Nel loro studio, Leonhardt e i suoi colleghi hanno fatto luce con frequenze positive e negative. La loro luce a frequenza positiva era infrarossa, mentre quello a frequenza negativa era ultravioletto. I ricercatori li hanno rilevati entrambi e poi li hanno confrontati con la teoria di Hawking.

La piccola quantità di luce ultravioletta che sono riusciti a rilevare utilizzando apparecchiature sensibili è il primo chiaro segno di radiazione di Hawking stimolata nell'ottica. Questa radiazione viene definita "stimolata" perché è stimolata dalla luce della sonda che i ricercatori hanno inviato per inseguire gli impulsi.

"La nostra scoperta più importante, forse, è che i buchi neri non sono qualcosa fuori dall'ordinario, ma che assomigliano molto a ciò che gli impulsi luminosi fanno alla luce ordinaria nelle fibre, "Leonhardt ha detto. "Dimostrare fenomeni quantistici sottili come la radiazione di Hawking non è facile. Richiede impulsi estremamente brevi, fibre straordinarie, apparecchiature sensibili e, ultimo, ma non per importanza, il duro lavoro di studenti dedicati. Ma anche la radiazione di Hawking è qualcosa che si può effettivamente capire".

Lo studio condotto da Leonhardt e dai suoi colleghi è un importante contributo nel campo della fisica, in quanto fornisce la prima dimostrazione di laboratorio della radiazione di Hawking in ottica. I ricercatori hanno anche scoperto che l'analogia con gli orizzonti degli eventi è straordinariamente solida, nonostante spinga l'ottica all'estremo, che ha aumentato la loro fiducia nella validità delle loro teorie.

"Ora dobbiamo migliorare la nostra configurazione per prepararci alla prossima grande sfida:l'osservazione della radiazione spontanea di Hawking, "Leonhardt ha detto. "In questo caso, la radiazione non viene più stimolata, se non per le inevitabili fluttuazioni del vuoto quantistico. I nostri prossimi obiettivi sono passi che migliorano l'apparato e testano vari aspetti della radiazione di Hawking stimolata, prima di arrivare alla radiazione spontanea di Hawking".

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