O espelho parabólico no fundo focaliza a luz vermelho-escura na fibra que brilha em azul brilhante na outra extremidade. Um pouquinho da luz brilhante é a radiação Hawking, que os pesquisadores extraíram e mediram. Crédito:Drori et al.
Pesquisadores do Weizmann Institute of Science e do Cinvestav realizaram recentemente um estudo testando a teoria da radiação Hawking em análogos laboratoriais de buracos negros. Em seus experimentos, eles usaram pulsos de luz em fibras ópticas não lineares para estabelecer horizontes de eventos artificiais.
Em 1974, o renomado físico Stephen Hawking surpreendeu o mundo da física com sua teoria da radiação Hawking, o que sugeria que, em vez de ser preto, os buracos negros devem brilhar ligeiramente devido aos efeitos quânticos próximos ao horizonte de eventos do buraco negro. De acordo com a teoria de Hawking, o forte campo gravitacional em torno de um buraco negro pode afetar a produção de pares correspondentes de partículas e antipartículas.
Caso essas partículas sejam criadas fora do horizonte de eventos, o membro positivo deste par de partículas poderia escapar, resultando em uma radiação térmica observada emitida do buraco negro. Esta radiação, que mais tarde foi chamada de radiação Hawking, portanto, consistiria em fótons, neutrinos e outras partículas subatômicas. A teoria da radiação de Hawking foi uma das primeiras a combinar conceitos da mecânica quântica com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein.
"Aprendi relatividade geral em 1997, dando aulas em um curso, não fazendo um curso, "Ulf Leonhardt, um dos pesquisadores que realizou o estudo recente, contado Phys.org . "Esta foi uma experiência bastante estressante em que eu estava apenas algumas semanas à frente dos alunos, mas eu realmente conheci a relatividade geral e me apaixonei por ela. Apropriadamente, isso também aconteceu em Ulm, Local de nascimento de Einstein. Desde então, Tenho procurado conexões entre meu campo de pesquisa, óptica quântica e relatividade geral. Meu principal objetivo é desmistificar a Relatividade Geral. Se, como eu e outros mostramos, materiais ópticos comuns, como o vidro, agem como espaços curvos, então, o espaço-tempo curvo da Relatividade Geral torna-se algo tangível, sem perder seu charme. "
Em colaboração com seu primeiro Ph.D. estudante Paul Piwnicki, Leonhardt reuniu algumas ideias iniciais de como criar buracos negros ópticos, que foram publicados em 1999 e 2000. Em 2004, ele finalmente alcançou um método que realmente funcionou, qual é o usado em seu estudo recente.
"Imagine, como nos experimentos gedanken de Einstein, luz perseguindo outro pulso de luz, "Leonhardt explicou." Suponha que toda a luz viaje dentro de uma fibra óptica. Na fibra de vidro, o pulso muda um pouco a velocidade da luz perseguindo-o, de modo que a luz não pode ultrapassar o pulso. Ele experimenta um horizonte de buraco branco; um lugar que não pode entrar. A frente do pulso age exatamente como o oposto:um horizonte de buraco negro, um lugar que a luz não pode sair. Esta é a ideia em poucas palavras. "
Leonhardt e seus colegas publicaram e demonstraram essa ideia em 2008. Posteriormente, eles tentaram usá-lo para demonstrar a radiação Hawking.
A radiação Hawking nunca foi observada diretamente no espaço, já que isso não é viável no momento. Contudo, pode ser demonstrado em ambientes de laboratório, por exemplo, usando condensados de Bose-Einstein, ondas de água, polaritons ou luz. No passado, vários pesquisadores tentaram testar a radiação Hawking em laboratório usando essas técnicas, ainda a maioria de seus estudos foram, na verdade, problemática e, portanto, contestada.
Esta imagem mostra uma imagem de microscópio eletrônico do interior de uma das fibras dos pesquisadores. As fibras são sofisticadas fibras de cristal fotópico. Eles são finos como um cabelo humano e dentro deles carregam estruturas em orifícios que orientam a luz no centro. Crédito:Drori et al.
Por exemplo, algumas descobertas anteriores obtidas com intensos pulsos de luz em meios ópticos revelaram-se inconsistentes com a teoria. Em vez de observar a radiação Hawking feita por horizontes, como os próprios autores descobriram mais tarde, Eles tinham, na verdade, radiação observada sem horizonte criada por seus pulsos de luz, como eles excederam a velocidade de fase da luz para outras frequências. Outros estudos que tentaram observar a radiação Hawking nas ondas de água e nos condensados de Bose-Einstein também se revelaram problemáticos.
Discutindo os resultados desses estudos com Mundo da física , Leonhardt escreveu, "Eu admiro muito o heroísmo das pessoas que as praticam, e suas habilidades técnicas e conhecimentos, mas este é um assunto difícil ". Ele também escreveu:" Os horizontes são armadilhas perfeitas; é fácil ficar preso atrás deles sem perceber, e isso se aplica à pesquisa de horizonte, também. Aprendemos e nos tornamos especialistas de acordo com a definição clássica:Um especialista é alguém que cometeu todos os erros possíveis (e aprendeu com eles). "
Conforme comprovado por esforços anteriores, observar a radiação Hawking no laboratório é uma tarefa altamente desafiadora. O estudo realizado por Leonhardt e seus colegas pode ser a primeira demonstração válida da radiação Hawking em óptica.
"Os buracos negros são cercados por seus horizontes de eventos, Leonhardt explicou. “O horizonte marca a fronteira onde a luz não pode mais escapar. Hawking previu que no horizonte quanta de luz - fótons - são criados. Um fóton aparece fora do horizonte e é capaz de escapar, enquanto seu parceiro aparece por dentro e cai no buraco negro. De acordo com a mecânica quântica, as partículas estão associadas às ondas. O fóton do lado de fora pertence a uma onda que oscila com frequência positiva, a onda de seu parceiro por dentro oscila com frequência negativa. "
Em seu estudo, Leonhardt e seus colegas iluminaram as frequências positivas e negativas. Sua luz de frequência positiva era infravermelha, enquanto o de frequência negativa era ultravioleta. Os pesquisadores detectaram os dois e os compararam com a teoria de Hawking.
A pequena porção de luz ultravioleta que eles conseguiram detectar usando equipamentos sensíveis é o primeiro sinal claro de radiação Hawking estimulada na óptica. Essa radiação é chamada de "estimulada" porque é estimulada pela luz da sonda que os pesquisadores enviaram para rastrear os pulsos.
"Nosso achado mais importante, possivelmente, é que os buracos negros não são algo fora do comum, mas que eles se parecem muito com o que os pulsos de luz fazem com a luz comum nas fibras, "Leonhardt disse." Demonstrar fenômenos quânticos sutis como a radiação Hawking não é fácil. Leva pulsos extremamente curtos, fibras extraordinárias, equipamentos sensíveis e, Por último mas não menos importante, o trabalho árduo de alunos dedicados. Mas mesmo a radiação Hawking é algo que se pode realmente entender. "
O estudo realizado por Leonhardt e seus colegas é uma importante contribuição para o campo da física, uma vez que fornece a primeira demonstração laboratorial da radiação Hawking em óptica. Os pesquisadores também descobriram que a analogia com os horizontes de eventos é extremamente robusta, apesar de levar a ótica ao extremo, o que aumentou sua confiança na validade de suas teorias.
"Agora precisamos melhorar nossa configuração para nos prepararmos para o próximo grande desafio:a observação da radiação Hawking espontânea, "Leonhardt disse." Neste caso, a radiação não é mais estimulada, exceto pelas flutuações inevitáveis do vácuo quântico. Nossos próximos objetivos são etapas que melhorem o aparelho e testem vários aspectos da radiação Hawking estimulada, antes de ir até a radiação Hawking espontânea. "
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