Kvantum-össze­fonódás jelei a labora­tóriumi fekete lyukban

A fekete lyukak tanulmányozásának legjobb módszere, ha létrehozunk egyet laboratóriumban. Ezek az "asztali" fekete lyukak a fény helyett hangot nyelnek el, egyiküknél pedig első alkalommal sikerült kvantum-összefonódást megfigyelni. Ez már komoly áttörést jelentene, a kérdés csak az, vajon ez a mesterséges fekete lyuk mennyiben adja vissza az eredeti egzotikus fizikáját?

A fekete lyukak halott csillagok rendkívüli sűrűségű maradványai és azért feketék, mert erős gravitációjukból semmi, még a fény sem szabadulhat. Azt a pontot, ahonnan nincs visszaút, eseményhorizontnak nevezik. Ezek jellemzően mindenki számára világos tények, van azonban a kvantumelméletnek egy csavarja, ami szerint a fekete lyukak mégsem teljesen "feketék".

1974-ben Stephen Hawking kijelentette, hogy az eseményhorizontból egy halvány izzás áramolhat kifelé. A kvantumelmélet szerint minden részecskének van egy antianyag társa, ezek a párok folyamatosan keletkeznek, mielőtt kioltanák egymást. A fekete lyuk azonban a pereménél létrejövő részecskepárokat széthúzhatja. Ha a pár egyik fele az eseményhorizonton kívülre esik, még elszökhet, miközben a másik felet már áthúzza a fekete lyuk vonzása. Ez a megmenekült részecske, illetve részecskék eredményezik a fent említett izzást, amit Hawking-sugárzásnak neveztek el.

Ez a jel azonban túl halvány, hogy a valódi fekete lyukaknál észlelhető legyen, vagyis jelenleg csak elméleti síkon létezik. A teszteléséhez a fizikusok miniatűr mesterséges fekete lyukakat építettek, melyeknél a fény szerepét a hang játssza.

Bill Unruh, a kanadai Brit-Kolumbia Egyetem tudósa volt ezeknek a fekete lyukat szimuláló részecskecsapdáknak az egyik úttörője. 1981-es számításai szerint a mesterséges fekete lyukak is sugárzást bocsátanak ki eseményhorizontjaikról, igazolva a Hawking-sugárzást. A legfrissebb eredmények szerint - melyeket Jeff Steinhauer, az izraeli Techion-Israel Műszaki Egyetem munkatársa szolgáltatott - ismételten észlelhető volt a sugárzás, méghozzá az eseményhorizonton elhelyezkedő kvantum-összefonódású részecskékből. Az összefonódás Hawking elméletének kulcsa, ami mind a mai napig vitatéma a fizikusok között.

A Steinhauer-féle fekete lyuk Bose-Einstein kondenzátum alkalmazásával készült. A kvantumállapot eléréséhez szükséges szuperhideg folyadék egy csövön folyik át, melyben lézerekkel két különböző energiaszintet hoznak létre, mintegy „vízesést” eredményezve. Az atomok szuperszonikus sebességet érnek el, amikor egyik energiaszintről a másikra "zuhannak", ez modellezi az eseményhorizontot. A Hawking-sugárzás méréséhez egy rövid lézerimpulzussal szondázzák, informatikai nyelven szólva pingelik a folyadékot. Ez egy fonont, hangrészecskét, valamint egy partner részecskét hoz létre a horizont közelében - ahogy az Hawking elmélete szerint a valódi fekete lyukaknál is történik. Ezt követően képeket készítenek, hogy megmérjék a törési indexet a folyadékban, ezáltal nyomon követve a hang- és a partner részecske útját az esemény horizontnál. A kísérletet hat napon át 4600-szor ismételték meg.


Jeff Steinhauer
Az eredmények az eseményhorizonttól mindkét irányba kisugárzó sötét sávot mutatnak. Steinhauer szerint ez két elkülönülő részecske bizonyítéka, melyek pontosan egy időben terjednek, annak ellenére, hogy elválasztja őket a horizont. Mindez arra utal, hogy az elnyelt részecskék kvantum-összefonódásban állnak a szabad részecskékkel, ami a Hawking-sugárzás árulkodó jele. "A kutatás igazolja Hawking számítását és azt, hogy ez alkalmazható az asztrofizikai és az analóg esetre egyaránt" – fogalmazott Steinhauer, állításával azonban koránt sem ért mindenki egyet.

Daniele Faccio, a brit Heriot-Watt Egyetem kutatója korábban egy száloptikás fekete lyuk modellel kísérletezett. Szerinte a kísérlet legbonyolultabb része az összefonódás demonstrálása, a bizonyításhoz azonban további tesztelésre van szükség. "Ha azonban igaz, akkor igen, az összefonódás a Hawking-sugárzás elsődleges kvantum jellemvonása" - ismerte el. Unruh is szeretne független megerősítést. "A nagy eredményekhez szilárd bizonyítékra van szükség" - mondta. "Akárhogy is, én ezt egy csodálatos kísérletként értékelem, amiről már 10 éve álmodozunk, és neki sikerült elsőként. Az hogy kölcsönösséget észlelt a sugárzásban a horizontnál, legyen az összefonódás vagy sem, rendkívüli dolog."

Persze vannak szépséghibái a kísérletnek. A hangrészecskék másként áramlanak egy valódi fekete lyuk pereménél, ahol a gravitáció meghajlítja a tér-időt, mint a fény részecskéi. "Nem hiszem, hogy ez alapján kijelenthető lenne a sugárzás létezése az asztrofizikában" - mondta Faccio. Mivel azonban egy igazi fekete lyukat nem tudunk közelről vizsgálni, így az asztali modellek jelentik a legjobb alternatívát. "Ennyi ismeretlen közepette, kísérletek híján, ezeket az analógiákat kell fejlesztenünk" - szögezte le. Steinhauer jelenleg a sugárzás idővel bekövetkező változásait szeretné tanulmányozni. Reményei szerint modellezése fényt derít a kozmosz legegzotikusabb objektumainak különleges fizikájára. "A fekete lyukak nem csak a fekete lyukak megismeréséhez fontosak, hanem az új fizikai elméletek tanulmányozásában is nagy szerepet játszanak" - összegzett.