Jak zbudować laser z czarną dziurą?

Jednym z bardziej fascynujących odkryć w fizyce teoretycznej ostatnich lat jest formalna matematyczna analogia między sposobem, w jaki czasoprzestrzeń i niektóre materiały oddziałują na światło.

Fizycy wykorzystali ten pomysł, aby pokazać, jak budować czarne dziury przy użyciu tak zwanych metamateriałów, które sterują światłem w egzotyczny sposób. Rzeczywiście, chińscy fizycy zbudowali właśnie taką sztuczną czarną dziurę w 2009 roku.

Analogię można posunąć jeszcze dalej. W ten sposób można tworzyć nie tylko czarne dziury, ale także ich odpowiedniki z odwróconymi w czasie – białe dziury. Co więcej, zarówno te białe, jak i czarne dziury powinny wytwarzać promieniowanie Hawkinga. Jest to spontaniczna emisja promieniowania w punkcie bez powrotu dziury, zwanym horyzontem zdarzeń.

Ta spontaniczna emisja promieniowania jest ciekawym i złożonym zjawiskiem. Nikt nie zaobserwował promieniowania Hawkinga ani z astrofizycznych czarnych dziur, ani z laboratoryjnych (chociaż obecnie dyskutowane jest jedno lub dwa twierdzenia). Ale niewielu fizyków wątpi w jego istnienie.

Więc jeśli promieniowanie Hawkinga naprawdę istnieje, co możemy z nim zrobić? Dzisiaj otrzymujemy odpowiedź od Daniele Faccio z Uniwersytetu Heriot-Watt w Szkocji i kilku kumpli. Ci faceci wyjaśniają, jak wykorzystać tę spontaniczną emisję promieniowania do stworzenia lasera.

Ich pomysł polega na stworzeniu czarnej dziury obok białej dziury, tak aby ich horyzonty zdarzeń dzieliło zaledwie kilkaset mikrometrów i tworzyły małą wnękę. Następnie pokazują, że kiedy światło jest wystrzeliwane do tej wnęki, odbija się od horyzontu białej dziury na horyzoncie czarnej dziury, z powrotem do białego i tak dalej.

Faccio i spółka pokazują, że podczas każdego odbicia promieniowanie Hawkinga skutecznie dodaje wiązkę, wzmacniając ją w ten sposób. Mówią, że ten addytywny proces jest logarytmiczny, więc małe ziarno światła w końcu wytwarza intensywną wiązkę promieniowania.

Ich prawdziwym triumfem jest jednak pokazanie, jak takie urządzenie można zrobić w laboratorium. Zwracają uwagę, że współczynnik załamania światła niektórych materiałów zależy od natężenia światła w ich wnętrzu. Tak więc samo światło zmienia współczynnik załamania.

Oznacza to, że bardzo intensywna wiązka może wytworzyć ogromny gradient we współczynniku załamania światła. Ten gradient może być tak stromy, że zachowuje się jak horyzont zdarzeń. W rzeczywistości, pojedynczy impuls może stworzyć horyzont czarnych dziur na jego przedniej krawędzi i biały horyzont na jego tylnej krawędzi.

To jest dokładnie stan, którego szukają ci faceci. Mówią dalej, że powinno być to możliwe w światłowodach wykonanych z diamentu. Przetestowali pomysł numerycznie i powiedzieli, że działa zgodnie z oczekiwaniami.

Faccio i spółka szybko zwracają uwagę, że możliwe jest wyhodowanie diamentu w mniej więcej dowolnym kształcie, więc powinno być możliwe przetestowanie tego pomysłu w laboratorium. Wydaje się zatem, że wskazuje to na to, że ten rodzaj nowatorskiego procesu amplifikacji można zaobserwować w rzeczywistych warunkach.

To byłby niezwykły eksperyment – ​​laser z czarną dziurą w laboratorium. Fajne!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1209.4993 : Optyczne lasery z czarnymi otworami

ukryć