Η κβαντική θεωρία πεδίου (QFT) είναι ένα θεωρητικό πλαίσιο της φυσικής που περιγράφει τη συμπεριφορά των σωματιδίων και των δυνάμεων, βασιζόμενο στις αρχές της κβαντομηχανικής και της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτό το πλαίσιο προβλέπει την εμφάνιση διαφόρων αξιοσημείωτων φαινομένων σε καμπύλους χωροχρόνους, μεταξύ των οποίων και η ακτινοβολία Hawking.
Η ακτινοβολία Hawking είναι η θερμική ακτινοβολία που θεωρητικά εκπέμπεται από μαύρες τρύπες κοντά στον ορίζοντα γεγονότων τους (δηλαδή το όριο πέρα από το οποίο η βαρύτητα γίνεται τόσο ισχυρή ώστε τίποτα να μην μπορεί να διαφύγει). Δεδομένου ότι είναι προς το παρόν αδύνατο να διαπιστωθεί πειραματικά η ύπαρξη της ακτινοβολίας Hawking στο διάστημα, οι φυσικοί προσπαθούν να εντοπίσουν φυσικά συστήματα που να μπορούν να μιμηθούν καμπυλώσεις χωροχρόνου σε εργαστηριακά περιβάλλοντα.
Νέα πειραματική πλατφόρμα με ρευστό πολαριτονίων στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Σορβόννης πρότειναν πρόσφατα μια νέα πειραματική πλατφόρμα για την προσομοίωση της QFT και τη δοκιμή των προβλέψεών της. Ο προτεινόμενος εξομοιωτής QFT, όπως περιγράφεται σε άρθρο στο Physical Review Letters, βασίζεται σε μονοδιάστατο κβαντικό ρευστό από πολαριτώνια, δηλαδή ψευδοσωματίδια που προκύπτουν από ισχυρή σύζευξη φωτονίων (σωματιδίων φωτός) και εξιτονίων (δεσμευμένων ζευγών ηλεκτρονίων και οπών σε ημιαγωγούς).
«Η εργασία μας είναι μέρος της διδακτορικής διατριβής του Kévin Falque και των συνεχιζόμενων προσπαθειών της ομάδας μας να μελετήσουμε προβλέψεις της QFT με πειράματα στο εργαστήριο», εξήγησε ο Maxime J. Jacquet, συν-συγγραφέας του άρθρου, στο Phys.org.
«Όταν ξεκινήσαμε το έργο, υπήρχε μόνο μια απόδειξη επί της αρχής (από άλλη ομάδα) ότι θα μπορούσαν να δημιουργηθούν γεωμετρίες μη περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας με πολαριτονικά ρευστά φωτός και προσομοιώσεις έδειχναν ότι το φαινόμενο Hawking σε εκείνο το πείραμα θα ήταν ασθενές».
Πειραματική υλοποίηση και μέτρηση της προσομοίωσης του φαινομένου Hawking
Αφού εκτέλεσαν αριθμητικές προσομοιώσεις, ο Falque, ο Jacquet και οι συνεργάτες τους εντόπισαν συνθήκες πιο κατάλληλες για την πραγματοποίηση του φαινομένου Hawking στο εργαστήριο. Στο πλαίσιο της μελέτης, ο Falque, τότε υποψήφιος διδάκτορας στη Σορβόννη, εφάρμοσε αυτές τις συνθήκες στο πείραμα.
«Στο πείραμα, όχι μόνο δείξαμε ότι μπορούσαμε να δημιουργήσουμε έναν ορίζοντα με το ρευστό πολαριτονίων, αλλά και ότι μπορούσαμε να μετρήσουμε το φάσμα του πεδίου μικρών διακυμάνσεων (που προσομοιώνει το κβαντικό πεδίο) εντός και εκτός αυτού», εξήγησε ο Falque, πρώτος συγγραφέας του άρθρου.
«Σημαντικά, δείξαμε ότι η διασπορά (το γεγονός ότι η συχνότητα ταλάντωσης εξαρτάται μη γραμμικά από το μήκος κύματος) και το φαινόμενο Doppler (η μετατόπιση της συχνότητας λόγω της ροής του ρευστού) συνδυάζονται ώστε να δημιουργήσουν κύματα αρνητικής ενέργειας εντός του ορίζοντα. Η ύπαρξή τους αποτελεί βασικό συστατικό για την εμφάνιση του φαινομένου Hawking».
Απεικονίσεις και γεωμετρίες του ορίζοντα γεγονότων
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να χειριστούν με ακρίβεια το ρευστό πολαριτονίων ώστε να παράγουν διαφορετικές γεωμετρίες ορίζοντα. Πρόκειται για αξιοσημείωτο και πρωτοφανές επίτευγμα που επιτρέπει στους θεωρητικούς φυσικούς να ελέγξουν προβλέψεις της QFT με διαφορετικές ρυθμίσεις χωροχρόνου.
«Στο πείραμα, δημιουργούμε, χειριζόμαστε και μετράμε φωτόνια: Αντλούν την κοιλότητα για να δημιουργηθεί το ρευστό, το οποίο τελικά διασπάται σε φωτόνια που εξέρχονται από την κοιλότητα και μπορούμε να τα μετρήσουμε», δήλωσε ο Alberto Bramati, επικεφαλής της ομάδας. «Αυτός ο οπτικός έλεγχος είναι εξαιρετικά ευέλικτος».
Υποσχόμενη πορεία για μελλοντική μελέτη της ακτινοβολίας Hawking
Η νέα μελέτη υπογραμμίζει τη δυνατότητα των πολαριτονικών ρευστών φωτός να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη μαύρων τρυπών και της υποκείμενης φυσικής τους. Στο μέλλον, η πλατφόρμα και το ρευστό που χρησιμοποίησαν οι Falque, Jacquet, Bramati και οι συνεργάτες τους θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για να αναπαράγουν την ακτινοβολία Hawking στο εργαστήριο και να μελετήσουν τα σχετιζόμενα κβαντομηχανικά φαινόμενα.
«Πρώτον, η δημιουργία ενός ορίζοντα δεν είναι καθόλου απλή υπόθεση – μόνο ελάχιστα πειραματικά συστήματα έχουν καταφέρει κάτι τέτοιο μέχρι σήμερα», δήλωσε ο Jacquet.
«Δεύτερον, η δυνατότητα να ρυθμίζουμε τη γεωμετρία του ορίζοντα (π.χ. πόσο απότομος είναι και πώς μπορούμε να παραμορφώσουμε τον χωροχρόνο γύρω του) είναι εντελώς νέα και πολύ ενδιαφέρουσα – τόσο για τους πειραματιστές (που μπορούν να ενισχύσουν το φαινόμενο Hawking) όσο και για τους θεωρητικούς (που μπορούν να δοκιμάσουν την QFT σε καθεστώτα που δεν ήταν προηγουμένως προσβάσιμα)».
«Τρίτον, η υψηλή φασματική ανάλυση που πέτυχε ο Kévin είναι εξαιρετικά υποσχόμενη για μελλοντικά πειράματα, στα οποία θα μπορούσαμε να μελετήσουμε πώς μεταβάλλεται το φαινόμενο Hawking συναρτήσει της συχνότητας».
Στόχος: η παρατήρηση γενεσιουργίας κβαντικής εμπλοκής
Αυτό το έργο θα μπορούσε σύντομα να εμπνεύσει και άλλες ερευνητικές ομάδες να χρησιμοποιήσουν παρόμοια ρευστά πολαριτονίων για να προσομοιώσουν φαινόμενα που προβλέπει η QFT. Στις επόμενες μελέτες τους, οι Falque, Jacquet, Bramati και οι συνεργάτες τους σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν την νέα πειραματική τους πλατφόρμα για να παρατηρήσουν και να μελετήσουν το φαινόμενο Hawking, βασιζόμενοι στα ενθαρρυντικά προκαταρκτικά δεδομένα.
«Η μέτρηση της δημιουργίας κβαντικής εμπλοκής από το φαινόμενο Hawking είναι μείζων στόχος για την έρευνά μας», πρόσθεσαν οι Falque και Bramati.
«Επιπλέον, θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την ευελιξία της πλατφόρμας για να μελετήσουμε πειραματικά πώς αντιδρά το φαινόμενο Hawking σε διάφορες μεταβολές του χωροχρόνου (π.χ. κλίση του ορίζοντα, μικρές παραμορφώσεις εντός ή εκτός του ορίζοντα).»
«Στο μέλλον, θα θέλαμε επίσης να δημιουργήσουμε γεωμετρίες περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών για να δούμε πώς συμπεριφέρεται η εμπλοκή μεταξύ των ζευγών Hawking όταν συνυπάρχουν και άλλα φαινόμενα ενίσχυσης που προβλέπονται σε περιστροφή».
Περισσότερες πληροφορίες: Kévin Falque et al, Πολαριτόνια ρευστά ως προσομοιωτές κβαντικής θεωρίας πεδίου σε προσαρμοσμένους καμπυλωμένους χωροχρόνους, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/t5dh-rx6w . Στο arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2311.01392
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters , arXiv