Investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann y Cinvestav llevaron a cabo recientemente un estudio que prueba la teoría de la radiación de Hawking en análogos de laboratorio de los agujeros negros. En sus experimentos, utilizaron pulsos de luz en fibra óptica no lineal para establecer horizontes de eventos artificiales.

En 1974, El renombrado físico Stephen Hawking asombró al mundo de la física con su teoría de la radiación de Hawking, lo que sugirió que en lugar de ser negro, Los agujeros negros deberían brillar ligeramente debido a los efectos cuánticos cerca del horizonte de eventos del agujero negro. Según la teoría de Hawking, el fuerte campo gravitacional alrededor de un agujero negro puede afectar la producción de pares coincidentes de partículas y antipartículas.

Si estas partículas se crean justo fuera del horizonte de eventos, el miembro positivo de este par de partículas podría escapar, resultando en una radiación térmica observada que emite desde el agujero negro. Esta radiación que más tarde se denominó radiación de Hawking, por lo tanto, consistiría en fotones, neutrinos y otras partículas subatómicas. La teoría de la radiación de Hawking fue una de las primeras en combinar conceptos de la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

"Aprendí Relatividad General en 1997 impartiendo un curso, no tomando un curso, "Ulf Leonhardt, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio reciente, dicho Phys.org . "Esta fue una experiencia bastante estresante en la que estaba solo unas semanas por delante de los estudiantes, pero realmente llegué a conocer la Relatividad General y me enamoré de ella. Oportunamente, esto también sucedió en Ulm, Lugar de nacimiento de Einstein. Desde entonces, He estado buscando conexiones entre mi campo de investigación, óptica cuántica y relatividad general. Mi principal objetivo es desmitificar la relatividad general. Si, como yo y otros hemos demostrado, Los materiales ópticos ordinarios como el vidrio actúan como espacios curvos, entonces el espacio-tiempo curvo de la Relatividad General se convierte en algo tangible, sin perder su encanto ".

En colaboración con su primer Ph.D. estudiante Paul Piwnicki, Leonhardt reunió algunas ideas iniciales de cómo crear agujeros negros ópticos, que se publicaron en 1999 y 2000. En 2004, finalmente logró un método que realmente funcionó, que es el utilizado en su reciente estudio.

"Imagina, como en los experimentos gedanken de Einstein, luz persiguiendo otro pulso de luz, "Leonhardt explicó." Supongamos que toda la luz viaja dentro de una fibra óptica. En la fibra de vidrio el pulso cambia la velocidad de la luz persiguiéndola un poco, de tal manera que la luz no pueda superar el pulso. Experimenta un horizonte de agujeros blancos; un lugar al que no puede entrar. El frente del pulso actúa exactamente como lo contrario:un horizonte de agujero negro, un lugar que la luz no puede dejar. Esta es la idea en pocas palabras ".

Leonhardt y sus colegas publicaron y demostraron esta idea en 2008. Posteriormente, intentaron usarlo para demostrar la radiación de Hawking.

La radiación de Hawking nunca se ha observado directamente en el espacio, ya que esto no es factible actualmente. Sin embargo, se puede demostrar en entornos de laboratorio, por ejemplo, utilizando condensados ​​de Bose-Einstein, olas de agua, polaritones o luz. En el pasado, varios investigadores intentaron probar la radiación de Hawking en el laboratorio utilizando estas técnicas, sin embargo, la mayoría de sus estudios fueron, De hecho, problemático y, por lo tanto, ha sido cuestionado.

Por ejemplo, algunos hallazgos anteriores obtenidos con intensos pulsos de luz en medios ópticos resultaron ser incompatibles con la teoría. En lugar de observar la radiación de Hawking generada por los horizontes, como los propios autores descubrieron más tarde, tuvieron, De hecho, radiación observada sin horizonte creada por sus pulsos de luz, ya que excedieron la velocidad de fase de la luz para otras frecuencias. Otros estudios que intentaron observar la radiación de Hawking en las ondas de agua y en los condensados ​​de Bose-Einstein también resultaron ser problemáticos.

Discutir los resultados de estos estudios con Mundo de la física , Leonhardt escribió:"Admiro mucho el heroísmo de la gente que los realiza, y sus habilidades técnicas y experiencia, pero este es un tema difícil ". También escribió:" Los horizontes son trampas perfectas; es fácil quedar atrapado detrás de ellos sin darse cuenta, y esto se aplica a la investigación de horizontes, así como. Aprendemos y nos convertimos en expertos según la definición clásica:un experto es alguien que ha cometido todos los errores posibles (y ha aprendido de ellos) ".

Como lo demuestran los esfuerzos anteriores, observar la radiación de Hawking en el laboratorio es una tarea muy desafiante. El estudio realizado por Leonhardt y sus colegas podría ser la primera demostración válida de la radiación de Hawking en óptica.

"Los agujeros negros están rodeados por sus horizontes de eventos, "Leonhardt explicó." El horizonte marca la frontera donde la luz ya no puede escapar. Hawking predijo que en el horizonte se crean cuantos de luz (fotones). Un fotón aparece fuera del horizonte y puede escapar, mientras que su compañero aparece en el interior y cae al agujero negro. Según la mecánica cuántica, las partículas están asociadas con ondas. El fotón del exterior pertenece a una onda que oscila con frecuencia positiva, la onda de su pareja en el interior oscila con una frecuencia negativa ".

En su estudio, Leonhardt y sus colegas hicieron luz a partir de frecuencias positivas y negativas. Su luz de frecuencia positiva era infrarroja, mientras que el de frecuencia negativa era ultravioleta. Los investigadores los detectaron a ambos y luego los compararon con la teoría de Hawking.

La pequeña cantidad de luz ultravioleta que lograron detectar usando equipos sensibles es el primer signo claro de radiación de Hawking estimulada en la óptica. Esta radiación se conoce como "estimulada" porque es estimulada por la luz de la sonda que los investigadores enviaron para perseguir los pulsos.

"Nuestro hallazgo más importante, quizás, es que los agujeros negros no son algo fuera de lo común, pero que se parecen mucho a lo que hacen los pulsos de luz con la luz ordinaria en las fibras, ", Dijo Leonhardt." Demostrar fenómenos cuánticos sutiles como la radiación de Hawking no es fácil. Toma pulsos extremadamente cortos, fibras extraordinarias, equipos sensibles y, por último, si bien no menos importante, el arduo trabajo de estudiantes dedicados. Pero incluso la radiación de Hawking es algo que realmente se puede entender ".

El estudio realizado por Leonhardt y sus colegas es una contribución importante al campo de la física, ya que proporciona la primera demostración de laboratorio de la radiación de Hawking en óptica. Los investigadores también encontraron que la analogía con los horizontes de eventos es notablemente robusta, a pesar de llevar la óptica al extremo, lo que aumentó su confianza en la validez de sus teorías.

"Ahora necesitamos mejorar nuestra configuración para prepararnos para el próximo gran desafío:la observación de la radiación de Hawking espontánea, "Leonhardt dijo." En este caso, la radiación ya no se estimula, excepto por las inevitables fluctuaciones del vacío cuántico. Nuestros próximos objetivos son pasos que mejoran el aparato y prueban varios aspectos de la radiación Hawking estimulada, antes de ir hasta la radiación espontánea de Hawking ".

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