reklama

Čierne diery made in China a iné

Pred tromi týždňami som vo Veda.sme :) čítala článok o čiernej diere vyrobenej v laboratóriu. Znelo to trošku kuriózne a priznám sa, nebolo mi celkom jasné, čo tým presne myslia. Asi nie čiernu dieru, ktorá nám zožerie celú Zem aj s Mesiacom. Chcela som vedieť viac a tak som pátrala. Našla som toho habadej. Dokonca aj niečo o umelom horizonte udalostí (aj ten môže byť umelý), zvukových čiernych dierach, bielych dierach a opäť niečo z Cernu.

Písmo: A- | A+
Diskusia  (10)

O čo vlastne ide? Všeobecná teória relativity hovorí, že čierne diery sú objekty, ktoré vznikli zrútením hmoty do gravitačnej singularity. Vo veľmi malom priestore je sústredené enormné množstvo hmoty. Zakrivenie časopriestoru je v čiernych dierach tak veľké, že z nej nemôže nič uniknúť. V laboratórnych podmienkach sa podarilo vyrobiť zariadenia, ktoré čierne diery akýmsi spôsobom napodobňujú. Optické čierne diery analogicky k šíreniu sa elektromagnetického žiarenia po gravitačne zakrivenom časopriestore, zakrivujú svetlo pomocou nehomogénnych metamateriálov...

SkryťVypnúť reklamu
Článok pokračuje pod video reklamou

Čo sú to optické čierne diery? Optické čierne diery sú obmenou absolútne čierneho telesa, ale s tým rozdielom, že absorbujú žiarenie zo všetkých smerov bez akýchkoľvek odrazov. Preto majú názov čierna diera. Pozor, nejde o masívny gravitačný objekt.

Čínsky vedci vyrobili optickú čiernu dieru na základe teoretickej štúdie Narimanova a Kildisheva, vydanej v tomto roku. Viem si predstaviť, že Narimov a Kildishev zrejme ani nedúfali, že sa niekomu podarí takto bleskovo zrealizovať ich nápad. Optická čierna diera, ktorú vyrobili Qiang Cheng a Tie Jun Cui sa skladá sa z dvoch metamateriálov. Vlastnosti metamateriálov nezávisia od zloženia, ale od ich štruktúry, ktorá je menšia ako vlnová dĺžka interagujúceho žiarenia. To znamená, že čítate články o materiáloch bez toho, aby ste vedeli z ktorých prvkov sú poskladané, lebo to nie je podstatné. Pre mňa haluz. Ale späť k téme... V porovnaní s materiálmi vyskytujúcimi sa v prírode majú unikátne vlastnosti. Dokážu zaujímavým spôsobom kontrolovať elektromagnetické pole. Majú záporný index lomu, takže dopadajúce svetlo nelomia do seba, ale smerom von. Svetlo takýto materiál akoby obtekalo.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Čínsky vedci vyrobili čiernu dieru, ktorá dokonale pohlcuje mikrovlnné žiarenie dopadajúce zo všetkých smerov. Zariadenie sa skladá zo 60tich osovo sústredených prstencov. Tieto prstence sú zložené z buniek o veľkosti približne 1,8 mm, čo je približne desatina vlnovej dĺžky mikrovlnného žiarenia, s ktorým testovali zariadenie. Bunky vonkajšieho plášťa majú štruktúru rímskej jednotky „nalepenej" na pevnom substráte (obr. 1).

Obrázok blogu

Obr. 1. Optická čierna diera Made in China. Šesťdesiat vrstiev z dvoch metamateriálov, plášť zložený z I buniek a absorpčné jadro.

Permitivita (odozva materiálu na elektrické pole) prstencov sa zväčšuje smerom k jadru optickej čiernej diery. Keď vlna dopadne na zariadenie, uviazne v plášti a putuje až k jadru. V bunkách jadra sa elektromagnetické žiarenie utlmí, inak povedané, úplne pohltí a transformuje na teplo. Žiarenie v oblastiach viditeľných vlnových dĺžkach sa od ich čiernej diery predsa len trochu odráža.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Ďalším krokom vo výskume je rozšírenie schopnosti optickej čiernej diery pohlcovať žiarenie zo širšej oblasti frekvencií. Podľa dostupných článkov sa domnievam, že stačí zmenšiť štruktúru metamateriálu. Pre viditeľné žiarenie približne na 200 nm. Pri terajšej úrovni nanotechnológie by to nemalo byť až také zložité. Ako bolo spomínané aj v Sme, táto optická čierna diera poslúži v solárnej technológii ako dokonalý odchytávač žiarenia.

Stephan Hawking uvažoval o tom, ako sa kvantové javy prejavujú v blízkosti čiernych dier. Tých astrofyzikálnych pravdaže. Zistil, že čierne diery strácajú svoju hmotnosť. Vyparujú sa. Ako je to možné?... Prázdny priestor vo vesmíre nie je až taký prázdny. S istou pravdepodobnosťou v ňom vznikajú virtuálne páry, častica a antičastica, ktoré spolu hneď anihilujú, zmenia sa na fotón. Čierne diery majú hranicu, za ktorou už nie je úniku. Táto hranica sa volá horizont udalostí. Ak na horizonte udalostí vznikne pár častíc, jedna z týchto častíc je pohltená čiernou dierou, ale druhá môže uniknúť. Nemá s čím anihilovať, teda sa stáva reálnou. Podľa tejto teórie sa čierne diery vyparujú, alebo inak povedané vyžarujú takzvané Hawkingovo žiarenie. Z toho vyplýva, že čierne diery majú teplotu. Z menších čiernych dier sa oslobodí viac častíc z páru častica-antičastica , tým pádom sa z nej viac vyparuje. Preto, čím je čierna diera menšia, tým má vyššiu teplotu.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Žiarenie astrofyzikálnych čiernych dier nebolo a ani nemôže byť pozorované. Žiarenie čiernej diery o hmotnosti nášho Slnka (a to je naozaj pidi malá čierna diera) je o osem rádov slabšie, ako reliktné žiarenie (mikrovlnné žiarenie z čias veľkého tresku). Inak povedané, stráca sa na jeho pozadí. Ako získať dôkaz o Hawkingovej hypotéze?

Vedeckému tímu pod vedením profesora Leonhardta zo Škótska sa minulý rok podarilo napodobniť horizont udalostí priamo v laboratóriu. Základ k tejto revolučnej myšlienke skúmania vlastností čiernych dier dal Bill Unruh v roku 1981*. Znie to veľmi jednoducho... Predstavte si rieku, ktorá postupne svoj tok zrýchľuje svoj a končí vodopádom, ktorý predstavuje singularitu čiernej diery. V rieke plávajú ryby. Keď doplávajú na miesto, kde je rýchlosť rieky rýchlejšia ako je ich rýchlosť plávania, nemôžu z tadiaľ uniknúť. Túto hranicu, ako som už spomínala, nazývame horizont udalostí. Keď sa rieka vlieva do mora veľmi rýchlo, vlny z mora nemôžu prekonať istú hranicu a dostať sa do tečúceho toku rieky. Tento príklad je analógiou takzvanej bielej diery (obr. 2).

Obrázok blogu

Obr. 2. Kuchynsky vyrobená biela diera: voda z tenkej pipety tečie na rovnú vodnú hladinu. Vznikajú vlny, ktoré ohraničujú hladký priestor, v ktorom sa voda pohybuje rýchlejšie ako vlny. To znamená, že ich nepustí dnu. Kruh predstavuje bielu dieru.

Pre fyzikov je oveľa jednoduchšie skúmať vlny (elektromagnetické, alebo zvukové) v pohybujúcom sa prostredí, ako ryby na pokraji vodopádu. Vyžaduje to však prostredie, ktoré sa pohybuje rýchlejšie ako elektromagnetická, alebo zvuková vlna.

* Kto má chuť, môže si pozrieť záznam zo seminára o umelých čiernych dierach profesora Leonhardta, alebo vidieť škótskeho vedca na stránke: http://video.google.com/videoplay?docid=-2027413242598238803#

Ako prinútiť prostredie, aby sa pohybovalo rýchlejšie ako svetlo? Znie to nemožne, ale škótskym vedcom sa tento problém podarilo elegantne obísť. Neurýchľujú prostredie, v ktorom sa šíri žiarenie, ale jeho vlastnosti. Ich experimentálne prostredie tvorila sústava veľmi tenkých optických vlákien a dier vyplnených vzduchom (v podstate ide opäť o metamateriál). Veľmi intenzívny červený laserový impulz v ňom spôsobí zmenu indexu lomu. Je to nelineárny dej a volá sa to Kerrov efekt. Zmena indexu lomu sa pohybuje za laserovým impulzom. Impulz teda vytvára pohybujúce sa prostredie bez toho, aby sa skutočne pohybovalo. Zmena indexu lomu má rýchlosť červeného svetla, a v tom je tá finta Fň. Do prostredia pustili rýchlejšie infračervené laserové žiarenie (červené svetlo sa pohybuje rýchlejšie, ako modré a infračervené rýchlejšie, ako červené). Dobehne do miest kde sa mení index lomu a spomaľuje sa. Chvost červeného impulzu nemôže prejsť, funguje totiž ako biela diera. Infračervené svetlo ho nakoniec prejde kvantovým tunelovým efektom. Predná strana impulzu naopak funguje ako čierna diera. Inými slovami povedané, infračervené žiarenie uviazne. Zariadenie teda simuluje horizont udalostí.

V júni tohto roku sa izraelským vedcom podarilo vyrobiť zvukovú čiernu dieru. To znamená, že namiesto elektromagnetického žiarenia použili zvukové, mechanické vlnenie. Horizont udalostí tvorí oblasť, v ktorej rýchlosť prostredia dosahuje rýchlosť zvuku. Na vytvorenie zvukovej čiernej diery použili Bose-Eisteinov kondenzát. Atómy rubídia sú za pomoci magnetického poľa stlačené, čiže zachladené a to tesne nad hranicu absolútnej nuly. Všetky atómy majú v takýchto podmienkach rovnaký stav a správajú ako jedna častica, neinteragujú spolu. Za pomoci laserového žiarenia vytvorili oblasť s vyšším potenciálom. Atómy v ňom získajú energiu. Nemajú ju ako odovzdať ďalej a tak sa presúvajú z jednej oblasti potenciálu do druhej rýchlosťou presahujúcou rýchlosť zvuku. Ak sa zvuková vlna stretne s pohybujúcimi atómami v protismere, uviazne v nich a nemôže uniknúť. Ak sa však atómy rubídia pohybujú v rovnakom smere, ako zvuková vlna, nepustia ju dnu, čiže pôsobia ako biela diera. Zvukovú čiernu dieru dokázali vytvoriť na 8 milisekúnd. Vypočítali, že na to aby pozorovali Hawkingovo žiarenie potrebujú zvýšiť gradient rýchlosti toku atómov rubídia o jeden rád.

Minulý rok v Cerne uviedli do prevádzky nový Hadrónový urýchľovač. Ide o urýchľovač, za pomoci ktorého sa študujú zrážky protónov pri energiách 14 TeV. Očakáva sa, že výsledky experimentov pomôžu vyplniť prázdne miesta v štandardnom modely slabých, silných a elektromagnetických interakcií. V urýchľovači môžu vznikať nové častice, počíta sa a čaká sa na to. Teoretici vyslovili hypotézu, že by sa v ňom mohli vytvoriť miniatúrne čierne diery. Nejde o nič nebezpečné, skôr zaujímavé. Ak by k tomu došlo, miniatúrna čierna diera by sa mala podľa Hawkingových tvrdení vypariť skôr, ako stihne niečo pohltiť.

Hawkingove hypotézy ale ešte neboli dokázané. Čo sa stane ak neplatia a miniatúrna čierna diera sa nevyparí? Jedným z argumentov prečo je Hadrónový urýchľovač bezpečný dáva sama príroda. Kozmické žiarenie s vysokými energiami zasiahlo Zem za jej existenciu už veľa krát. Prečo by im podobné, vyrobené v urýchľovači mali niečo spôsobiť...

Existuje teória, ktorá zodpovedá otázku pôvodu gravitačných síl. Podľa tejto teórie (okrem našich štyroch dimenzií, troch priestorových a jednej časovej) existujú dimenzie, v ktorej je schovaná gravitácia. Ostatné častice, ako kvarky, leptóny a fotóny sú viazané na troj-rozmerný priestor. Podľa tejto teórie môžu vznikať „klzké" neutrálne čierne diery, menšie ako jadro atómu. Klzké čierne diery preletia Zemou rýchlosťou svetla bez toho, aby sme si to všimli. Ak by sa však vedeli nejako stabilizovať, žrali by Zem atóm po atóme niekoľko sto miliárd rokov. A to by nám asi vadilo :).

Vo vesmíre jestvujú dvojice neutrónových hviezd a bielych trpaslíkov, nazývané pulzary. Z ich vlastností (priemer, čas obehu) vieme veľmi presne vypočítať dĺžku ich existencie. Je veľa pulzarov, ktoré sú staršie ako desať miliárd rokov. Neutrónové hviezdy sú hustejšie o deväť až pätnásť rádov, ako skala. V takýchto hustých objektoch majú klzké čierne diery väčšiu šancu stabilizovať sa ako na Zemi. Gravitačne by skolabovali vo veľmi krátkom čase, čo sa ešte nestalo. Kým na oblohe pozorujeme staručké pulzary, máme istotu, že je hadrónový urýchľovač bezpečný.

ZDROJE:

Optické čierne diery

Qiang Cheng, Tie Jun Cui, An electromagnetic black hole made of metamaterials, http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0910/0910.2159v1.pdf

Narimanov, E. E., Kildishev, A. V. Optical black hole: Broadband omnidirectional light

Absorbe, http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0910/0910.2159v1.pdf

Boubacar Kanté, Dylan Germain, André de Lustrac, Experimental demonstration of non-magnetic metamaterial cloak at

microwave frequencies, http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0907/0907.4416.pdf

Horizont udalostí

http://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation

http://www.st-andrews.ac.uk/~ulf/fibre.html

http://video.google.com/videoplay?docid=-2027413242598238803#

T.G. Philbin, C. Kuklewicz, S. Robertson, S. Hill, F. Konig, U. Leonhardt, Fiber-Optical Analog of the Event Horizont, http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.4796v2.pdf

Zvukové čierne diery

http://www.bookrags.com/tandf/bose-einstein-condensation-tf/

O. Lahav, A. Itah, A. Blumkin, C. Gordon, and J. Steinhauer, A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein Condensate, http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.1337.pdf

Mikroskopické čierne diery

http://physics.aps.org/pdf/Physics.1.14.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/Micro_black_hole

anna kiliánová

anna kiliánová

Bloger 
  • Počet článkov:  16
  •  | 
  • Páči sa:  1x

Občas trochu z cesty... ale čo, túlam sa celkom rada. Zoznam autorových rubrík:  SúkromnéNezaradené

Prémioví blogeri

Milota Sidorová

Milota Sidorová

5 článkov
Jiří Ščobák

Jiří Ščobák

752 článkov
Post Bellum SK

Post Bellum SK

74 článkov
Juraj Karpiš

Juraj Karpiš

1 článok
Matúš Sarvaš

Matúš Sarvaš

3 články
Juraj Hipš

Juraj Hipš

12 článkov
reklama
reklama
SkryťZatvoriť reklamu