Dział:Technologie Temat: Nauka
Monachijska,międzynarodowa konferencja poświęcona problemom metodologii i filozofii fizyki,która odbyła się w ostatnim miesiącu 2015 roku, pobudziła laboratoria fizyki światowej, do intensyfikacji badań nad problemem teorii nietestowalnych empirycznie.
Głównym rodzajem badań w tym zakresie, staje się metoda wykonywania eksperymentów z analogonami zjawisk i procesów fizycznych niemożliwych do bezpośrednich obserwacji, lub bezpośredniego badania emirycznego.
Przykładem takiego procesu fizycznego może być promieniowanie czarnych dziur (BH-nierotujące,nienaładowane elektrycznie),którego teorię powstawania przedstawił S.W.Hawking [1] .Czarna dziura (BH) to obiekt teoretycznie przewidziany przez ogólną teorię względności,zmieniający lokalnie czasoprzestrzeń.
BH wytwarza wokół siebie sferyczną nieciągłość/rozdarcie przestrzeni , zwaną/e horyzontem zdarzeń.Topologia tej hiper-powierzchni zamykającej BH, ma dziwną własność w odniesieniu do materialnych obiektów i zdarzeń fizycznych :Przepuszcza je do wnętrza BH, a nie wypuszcza żadnego obiektu i zdarzenia fizycznego z wnętrza BH, do zewnętrznej przestrzeni, ponad horyzontem zdarzeń.
Z kwantowej teorii pola wynika,że próżnia przestrzeni nieustannie wytwarza pary wirtualnych cząstek (materii i antymaterii), które powstają i równie szybko ginąprzy spotaniu ze sobą.
Jednak z pracy matematycznej Hawkinga wynika ,ze w przypadku pojawienia się przy horyzoncie splątanej kwantowo pary cząstka-antycząsta,tylko jedna wpada(ta o ujemnej energii) do BH pod horyzont zdarzeń,a druga (o dodatniej energii)ucieka od BH i te uciekające cząstki tworzą promieniowanie termiczne BH (" parowanie BH"),które zabiera ze sobą część energii/masy BH ,powodując - po czasie zaleznym od masy BH - jej zniknięcie.
Mamy więc obiekt( BH ) i proces fizyczny (promieniowanie Hawkinga ) ,których teoria fizyczna jest-w zasadzie - nietestowalna empirycznie. Jeżeli więc uda się nam zbudować laboratoryjny analogon horyzontu zdarzeń BH, to możliwe że pojawi się analogon promieniowania Hawkinga i wtedy będzie możliwe zbadanie pomiarowe jego działania,oraz opracowanie teorii wyjaśniającej wyniki pomiarów i udowodnienie, że formalizm analogonu jest tożsamy z formalizmem Hawkinga teorii promieniowania czarnej dziury.
Zrobił to zespół fizyków- doświadczalników ze słynnego Israel Institute of Technology(Technion) w Haifie ,pod kierunkiem prof.Jeffa Steinhauera,w toku żmudnych prób technicznych od roku 2016 [2],a raport z ostatnich wyników [3] jest sensacją w świecie specjalistów - fizyków eksperymentalnych.
Eksperyment Steinhauera nosi nazwę: "sonic analogue quantum Hawking radiation" lub "sonic analogue black hole",czyli po polsku : "dżwiękowy analogon promieniowania Hawkinga",lub "dżwiękowy analogon czarnej dziury".
Eksperyment polega na utworzeniu splątanej kwantowo pary fononów (kwantów fali dźwiękowej ) wewnątrz płynnego kondensatu Bosego-Einsteina składającego się z atomów rubidu 87.Płyn porusza się w rurze ,a w pewnym miejscu,za pomocą akcji laserowej jest przyspieszony do prędkości większej od prędkości fononów w tym środowisku.
Powierzchnia graniczna,od której to następuje, jest dla fononów analogonem horyzontu zdarzeń.Jeden z fononów,który znalazł sie w obszarze prędkości naddźwiękowej, nie może wrócić do drugiego,który -w obszarze prędkości płynu mniejszej od jego prędkości - ucieka, tworząc analogon promieniowania Hawkinga.
Eksperyment w powyższym opisie wygląda na dziecinnie łatwy,gdy w rzeczywistości sama technika wytwarzania splątanych kwantowo fononów i doskonalenie jej niezawodności, zajęło zespołowi blisko dwa lata czasu.Rdzeniem sukcesu w tym esperymencie, jest uzyskanie termicznego charakteru dźwiękowego analogonu promieniowania Hawkinga i tym samym uwiarygodnienie matematycznego formalizmu zastosowanego przez niego, do procesu parowania czarnych dziur.
Korelacja trzech teorii fizyki : mechaniki kwantowej, termodynamiki i ogólnej teorii względności , znalazła uwiarygodnienie w nowym typie eksperymentów z analogonami obiektów i zjawisk fizycznych. .Metodologia fizyki stoi przed wyzwaniem: jaka jest wartość poznawcza metody analogonów rzeczywistosci bezpośrednio niedostępnej ?
To pytanie było rozważane w Monachium [4], a dzisiaj jest już na stałe przedmiotem analiz[5]. I nie jest zaskoczeniem ,że metoda eksperymentów z analogonami niedostepnej rzeczywistości jest rrozwijana w Izraelu..Tam bowiem jest światowy front badań nowej fizyki ( obok Chin),a nie w USA,jak było dotychczas,to jest w drugiej połowie XXwieku.
Literatura
[1] S.W. Hawking. Black hole explosions?. „Nature”. 248, s. 30-31,01.03. 1974
[2] Jeff Steinhauer. Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole, Nature Physics, 2016, DOI: 10.1038/nphys3863
[3]J.Steinhauer,J.R.de Nova and all, Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole, Nature, vol. 569, p.688–691, 2019
[4] K.Thebault,What Can We Learn From Analogue Experiments?Phjlosophy Science,Archive,17.10.2016
[5]K.Crowther,N.Linnemann,C.Wutrich,What we cannot learn from analogue experiments, arXiv:1811.03859v2 ,29.03.2019
