Teoria de la radiació de Hawking

Investigadors de Ciències de l'Institut Weizmann, recentment han realitzat un estudi que prova la teoria de la radiació Hawking en anàlegs de forats negres de laboratori. 

Aquests experiments, van utilitzar polsos de llum en fibra òptica no lineal per establir horitzons d'esdeveniments artificials.

El mirall parabòlic del fons, enfoca la llum vermellaa la fibra que brilla el blau intens a l'altre extrem. Una petita part de la llum brillant és la radiació de Hawking, que els investigadors van extreure i mesurar. 

Font: Drori et al.

En el 1974, el reconegut físic Stephen Hawking va sorprendre el món de la física amb la seva teoria de la radiació Hawking, que va suggerir que els forats negres, en comptes de ser ben negres, brillarien lleugerament a causa dels efectes quàntics. Segons la teoria de Hawking, el fort camp gravitacional que envolta un forat negre pot afectar la producció de parells de partícules i d'antipartícules.

Si aquestes partícules es creessin just fora de l'horitzó del forat, la part positiva d'aquest parell de partícules podria escapar, donant lloc a una  observació de la radiació tèrmica  que emet el forat negre. Aquesta radiació, que més tard va ser anomenada radiació de Hawking, per tant, consistirà, en fotons, neutrins i altres partícules subatòmiques. La teoria de la radiació Hawking va ser una de les primeres a combinar conceptes de la mecànica quàntica amb la teoria de la relativitat general d'Albert Einstein.

La radiació Hawking mai ha estat observada directament a l'espai, ja que això, actualemnt no és factible. No obstant això, es pot demostrar en entorns de laboratori, per exemple, utilitzant condensadors de Bose-Einstein, ones d'aigua, polaritons o llum. En el passat, diversos investigadors van intentar provar la radiació de Hawking al laboratori utilitzant aquestes tècniques, però la majoria dels seus estudis eren, de fet, problemàtics.

Per exemple, algunes troballes anteriors obtingudes amb pulsacions de llum intenses en els mitjans òptics van resultar ser incompatibles amb la teoria. En comptes d'observar la radiació de Hawking feta per horitzons, com els mateixos autors van descobrir més tard, havien observat, de fet, una radiació sense horitzó creada pels seus polsos lleugers, ja que superaven la velocitat de la fase de llum per a altres freqüències. Altres estudis que intenten observar la radiació de Hawking sobre ones d'aigua i els condensats de Bose-Einstein també van resultar problemàtics.

En comentar els resultats d'aquests estudis en el món de la física , Leonhardt va escriure: "Admiro enormement l'heroisme de la gent que els fa, i les seves habilitats tècniques i experiència, però aquest és un tema difícil".  "Els horitzons són trampes perfectes, és fàcil quedar atrapat darrere d'ells sense adonar-se, i això també s'aplica a la recerca d'horitzons. Aprenem i fem experts segons la definició clàssica: un expert és algú que ho ha fet tot  i ha après dels possibles errors ".

Demostrat per les anteriors investigacions, observar la radiació de Hawking al laboratori és una tasca altament desafiant. L'estudi realitzat per Leonhardt i els seus col·legues podria ser la primera demostració vàlida de la radiació Hawking en òptica.

Els forats negres estan envoltats dels horitzons dels seus esdeveniments. L'horitzó marca la frontera on la llum ja no pot escapar. Hawking va predir que a l'horitzó es creen fotons-quantics de llum. Un fotó apareix fora de l'horitzó i es pot escapar, mentre que la seva parella apareix a l'interior i cau en el forat negre. Segons la mecànica quàntica, les partícules s'associen amb ones. El fotó a l'exterior pertany a una ona que oscil·la amb una freqüència positiva, l'ona de la seva parella a l'interior oscil·la amb una freqüència negativa.

Aquesta fotografia mostra una imatge de microscopi electrònic de l'interior d'una de les fibres dels investigadors. Les fibres són sofisticades fibres de cristall fotòpic. Són tan primes com un cabell humà i a l'interior porten estructures foraderes que guien la llum al centre.
Font: Drori et al.

En el seu estudi, Leonhardt i els seus col·legues van donar llum a les freqüències positives i negatives. La seva llum de freqüència positiva era infraroja, mentre que la freqüència negativa era ultraviolada. Els investigadors van detectar els dos i després els van comparar amb la teoria de Hawking.

La petita quantitat de llum ultraviolada que van aconseguir detectar usant equips sensibles és el primer senyal clar de la radiació Hawking estimulada en òptica. Aquesta radiació es coneix com a "estimulada" perquè està estimulada per la llum de la sonda que els investigadors van enviar per perseguir els polsos.

La troballa més important, potser ha estat que els forats negres no són una cosa aliena, sinó que s'assemblen molt a quins polsos de llum fan a la llum normal de les fibres. Demostrar fenòmens quàntics subtils com la radiació de Hawking no és fàcil: es necessiten pulsacions extremadament curtes, extraordinàries fibres, equips sensibles i, per últim, el dur treball dels estudiants. Però fins i tot la radiació Hawking és una cosa que en realitat es pot comprendre.

L'estudi realitzat per Leonhardt i els seus col·legues és una contribució important al camp de la física, ja que proporciona la primera demostració de laboratori de la radiació Hawking en òptica. Els investigadors també van trobar que l'analogia als horitzons de l'esdeveniment era notablement robust.

Font: Physical Review Letters Physics World