Optikai fekete lyukak laboratóriumban?<br/>

Elméleti fizikusok számításai szerint laboratóriumban már a mai technológiával előállíthatók optikai fekete lyukak, azaz olyan objektumok, amelyek bizonyos hullámhosszúságú fényt magukhoz vonzanak és elnyelnek. Ha ez valóban így van, akkor megnyílhat az út az általános relativitáselmélet, sőt, talán a kvantumgravitáció bizonyos jelenségeinek a közvetlen kísérleti tanulmányozása felé is.

A Svéd Királyi Műszaki Intézet és a skóciai St. Andrews Egyetem kutatói szerint ehhez olyan folyadékörvényt kell előállítani, amelynek forgási sebessége a folyadékbeli fénysebességgel összemérhető. Ez ma már lehetséges, hála azoknak a technológiáknak, amelyekkel a fény sebessége másodpercenként alig néhány méterre csökkenthető (például Bose-Einstein-kondenzátumban vagy rubídium gázban). Ha ilyen anyagokban sikerülne elég gyors forgású örvényt előállítani, akkor abból a fény nem tudna kiszökni, és ahhoz hasonlóan viselkedne, mint a közönséges anyag egy valódi (gravitációs) fekete lyuk környezetében. Így például kísérletileg megvizsgálhatnák, létezik-e a Hawkin-gsugárzás, azaz az anyag kvantumos "elpárolgása" a fekete lyukból. Ennek a jelenségnek a közvetlen megfigyelése a Világegyetemben reménytelennek látszik, mert valószínűleg olyan gyenge, hogy elfedi a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás.

Ismeretes, hogy vízben vagy üvegben a fény sebessége a vákuumbeli fénysebességhez képest a törésmutatóval fordított arányban csökken. A víz törésmutatója például 1,333, ezért a fény benne nagyjából 75 százalékos vákuumbeli fénysebességgel terjed. Áramló folyadékban azonban a kép tovább bonyolódik. Képzeljük el, hogy a folyadék számtalan apró kis cseppből áll, amelyek általában különféle irányokba, különféle sebességgel mozoghatnak, például örvényeket alkothatnak. Képzeljük el továbbá, hogy minden egyes kis cseppen ül egy parányi megfigyelő, aki együtt mozog a cseppel. Mindegyikük azt tapasztalja, hogy az ő cseppjében a fény egyenes vonalban, a törésmutatónak megfelelően csökkent sebességgel terjed. Hogyan látná ezt egy külső, a folyadékhoz képest álló megfigyelő? Vákuumban a fény c sebessége független a megfigyelő relatív u sebességétől: a speciális relativitáselmélet sebesség-összetevési szabálya szerint c "plusz" u egyenlő c-vel. Más közegekben viszont nem csupán a fény sebessége csökken a törésmutatónak megfelelően, hanem az áramlással egy irányba haladó fény gyorsabbnak, a "szembeúszó" viszont lassúbbnak látszik. Mintha az áramló közeg magával ragadná, illetőleg fékezné a fényt, miként azt Fresnel elméletileg (1818), Fizeau pedig kísérletileg (1851) már a múlt században kimutatta.

Áramló folyadékban tehát a külső megfigyelő más fénysebességet mér, mint a folyadékcseppel együttmozgó. Ez drámai következményekkel jár. Képzeljük el, hogy a cseppel együtt mozgó parányi megfigyelők egy távoli szabványórához igazítják órájukat, amely időegységenként egy szinkronizáló fényimpulzust bocsát ki. Ha a parányi megfigyelők a szabványórához képest állnak, valamennyi óra egyforma ütemben fog ketyegni. Ha azonban mozognak, akkor a szabványórához közeledő megfigyelők szaporábbnak, a távolodók ritkábbnak érzékelik a lüktetést (Doppler-jelenség), ezért a jelhez igazított óráik egymáshoz képest is sietni vagy késni fognak. Az egymáshoz képest különféle sebességgel mozgó folyadékcseppekben más ütemben múlik az idő! Ehhez hasonló hatása van az általános relativitáselméletben a tömegek által meggörbített téridőnek: ott a téridő görbülete szabja meg az órák ketyegésének ütemét. Az áramló folyadékban terjedő fény tehát ahhoz hasonló hatást érez, mintha gravitációs mezőbe került volna.

A fény útja egy optikai fekete lyuk felé

Turbulens áramlásban örvények is kialakulnak: mi történik ott a fénnyel? Addig, amíg az örvénylő folyadékcseppecskék sebessége jóval kisebb, mint a fénysebesség, a velük egy irányba, illetőleg szembe haladó fényhullámok között mindössze egy az örvény erősségével arányos fáziskülönbség alakul ki, amely például az örvényt "balról" és "jobbról" megkerülő hullámok interferenciájával mutatható ki. Ám ahol az örvénylés sebessége eléri, sőt meghaladja a közegbeli fénysebességet, az örvénymag felé spirál pályán gyorsuló folyadékcsepp ellenállhatatlanul magával ragadja a fényt. Az a felület, ahol az örvénylés sebessége ezt a határt eléri, az úgynevezett eseményhorizont, amelyen belülről már nincs visszatérés.

Az utóbbi években bizonyos anyagokban sikerült a fény sebességét másodpercenként alig néhány méterre csökkenteni (lásd korábbi cikkünket) Ha ezekben sikerül ezzel összemérhető sebességű örvényeket előállítani, akkor laboratóriumi körülmények között tanulmányozható optikai fekete lyukak állíthatók elő. (Akiket ez netán némi aggodalommal tölt el, megnyugodhatnak: az optikai fekete lyukak nem anyagot, csupán meghatározott frekvenciájú fényt szívnak magukba, s hatásuk a közegre, illetőleg az azt tartalmazó tartályra korlátozódik.)
Az ehhez hasonló analógiák gyakran segítenek a fizikai jelenségek jobb megértésében. A fény viselkedése áramló közegekben jól modellezi az anyag viselkedését a tömegek által meggörbített téridőben, akár annak végtelen görbületű (szinguláris) pontjaiban is. Így közvetlenül, kísérletileg is próbára tehető például Hawking jóslata a fekete lyukak kvantumos párolgásáról, amelynek közvetlen megfigyelésére a Világegyetemben nem látszik esély. Az optikai fekete lyukak laboratóriumi tanulmányozása viszont páratlan lehetőséget kínál e hipotézis ellenőrzésére csakúgy, mint a kvantumgravitáció egyéb, kísérletileg ma még megközelíthetetlen modelljeinek a kipróbálására.

(Élet és Tudomány)

Ajánló:

Az eredeti sajtóanyag a St. Andrews Egyetem honlapján.

Korábban:

A brookhaveni kísérletekben mégsem keletkezhetnek fekete lyukak. Helyettük azonban az anyagnak egy eddig ismeretlen, roppant veszélyes változata jöhet létre, az ún. "különcök" formájában. A fizikusok szerint azonban ennek igen csekély a valószínűsége, s még ekkor sem jelent fenyegetést.