Lubang hitam adalah taman bermain fisika. Ini adalah tempat untuk mengamati dan menguji ide dan konsep paling aneh dan mendasar dari bidang fisika. Namun, saat ini tidak ada cara untuk mengamati secara langsung aksi lubang hitam; formasi ini tidak memancarkan cahaya atau sinar-X, yang dapat dideteksi oleh teleskop modern. Untungnya, fisikawan telah menemukan cara untuk mensimulasikan kondisi lubang hitam di laboratorium, dan dengan membuat analogi lubang hitam, mereka mulai memecahkan misteri fisika yang paling menakjubkan.
Jeff Steinhauer, seorang peneliti di Departemen Fisika di Institut Teknologi Israel, baru-baru ini menarik perhatian seluruh komunitas fisika dengan mengumumkan bahwa dia menggunakan analogi lubang hitam untuk mengkonfirmasi teori Stephen Hawking, yang diajukan pada tahun 1974. Teori ini menyatakan bahwa lubang hitam memancarkan radiasi elektromagnetik yang dikenal dengan radiasi Hawking. Hawking berpendapat bahwa radiasi ini disebabkan oleh kemunculan spontan pasangan partikel-antipartikel di cakrawala peristiwa, karena titik di tepi lubang hitam disebut, di luar itu tidak ada, bahkan cahaya, yang dapat melarikan diri. Menurut teori Hawking, ketika salah satu partikel melintasi cakrawala peristiwa dan ditangkap oleh lubang hitam, partikel lainnya terlempar ke luar angkasa. Eksperimen Steinhower adalah demonstrasi pertama dari fluktuasi spontan tersebut,yang mengkonfirmasi perhitungan Hawking.
Fisikawan memperingatkan bahwa eksperimen ini masih belum mengkonfirmasi keberadaan radiasi Hawking di lubang hitam astronomi, karena lubang hitam Steinhauer tidak persis seperti yang dapat kita amati di luar angkasa. Secara fisik, medan gravitasi kuat yang membentuk lubang hitam belum dapat diciptakan. Sebaliknya, analognya menggunakan suara untuk meniru kemampuan lubang hitam dalam menyerap gelombang cahaya.
“Gelombang suara ini seperti mencoba berenang melawan arus sungai. Tapi sungai mengalir lebih cepat daripada saat Anda berenang,”kata Steinhauer. Timnya mendinginkan awan atom hingga hampir nol mutlak, menciptakan apa yang disebut kondensat Bose-Einstein. Dengan membuat aliran gas lebih cepat dari kecepatan suara, para ilmuwan telah menciptakan sistem yang tidak dapat ditinggalkan gelombang suara.
Steinhauer menerbitkan pengamatannya pada awal Agustus dalam sebuah artikel di jurnal Nature Physics. Eksperimennya penting tidak hanya karena dia memungkinkan untuk mengamati radiasi Hawking. Steinhauer mengklaim dia mengamati partikel yang dipancarkan oleh lubang hitam sonik dan partikel di dalamnya "terjerat". Ini berarti bahwa dua partikel pada saat yang sama dapat berada dalam beberapa keadaan fisik, seperti tingkat energi, dan dengan mengetahui keadaan satu partikel, kita dapat segera mengetahui keadaan yang lain.
Konsep analog lubang hitam diusulkan pada 1980-an oleh William Unruh, tetapi tidak dibuat di laboratorium hingga 2009. Sejak itu, para ilmuwan di seluruh dunia telah menciptakan analogi lubang hitam, dan banyak dari mereka mencoba mengamati radiasi Hawking. Meskipun Steinhauer adalah peneliti pertama yang berhasil di bidang ini, sistem analog telah membantu fisikawan menguji persamaan dan prinsip yang telah lama diterapkan pada sistem teoretis ini, tetapi hanya di atas kertas. Faktanya, harapan utama untuk analog lubang hitam adalah bahwa mereka dapat membantu para ilmuwan mengatasi salah satu tantangan terbesar dalam fisika: menggabungkan gravitasi dengan prinsip-prinsip mekanika kuantum yang mendasari perilaku partikel subatom, tetapi belum kompatibel dengan hukum. gravitasi.
Meskipun metode yang digunakan sangat berbeda, prinsipnya sama untuk setiap analog dari lubang hitam. Masing-masing memiliki titik, yang, seperti cakrawala peristiwa, tidak dapat dilintasi gelombang apa pun yang digunakan sebagai pengganti cahaya, karena kecepatan yang diperlukan terlalu tinggi. Berikut beberapa cara para ilmuwan mensimulasikan lubang hitam di laboratorium.
Video promosi:
Kaca
Pada tahun 2010, sekelompok fisikawan dari Universitas Milan membuat percikan di komunitas ilmiah, mengklaim bahwa mereka mengamati radiasi Hawking dari analog lubang hitam, yang dibuat menggunakan pulsa laser kuat yang diarahkan ke kaca silika. Meskipun pernyataan para ilmuwan dipertanyakan (fisikawan William Unruh mengatakan bahwa radiasi yang mereka amati jauh lebih kuat daripada radiasi Hawking yang dihitung, dan itu menuju ke arah yang salah), analogi yang mereka buat masih menjadi metode yang sangat menarik untuk memodelkan cakrawala peristiwa.
Metode ini bekerja sebagai berikut. Impuls pertama yang diterapkan pada kaca kuarsa cukup kuat untuk mengubah indeks bias (laju di mana cahaya memasuki zat) di dalam kaca. Ketika impuls kedua menghantam kaca, karena perubahan indeks bias, ia melambat hingga berhenti total, menciptakan "cakrawala" yang tidak bisa ditembus cahaya. Sistem semacam ini adalah kebalikan dari lubang hitam, di mana tidak ada cahaya yang bisa lolos, dan oleh karena itu disebut "lubang putih". Tapi seperti yang dikatakan Stephen Hawking, lubang putih dan lubang hitam pada dasarnya adalah hal yang sama, yang berarti mereka harus menunjukkan sifat kuantum yang sama.
Kelompok penelitian lain pada tahun 2008 menunjukkan bahwa lubang putih dapat dibuat dengan cara yang sama menggunakan serat optik. Dalam eksperimen lebih lanjut, pekerjaan sedang dilakukan untuk menciptakan cakrawala peristiwa yang sama menggunakan berlian, yang lebih sedikit hancur oleh radiasi laser daripada silikon.
Polariton
Sebuah tim yang dipimpin oleh Hai Son Nguyen mendemonstrasikan pada tahun 2015 bahwa lubang hitam sonik dapat dibuat menggunakan polariton - keadaan materi aneh yang disebut partikel semu. Ini terbentuk ketika foton berinteraksi dengan eksitasi dasar medium. Kelompok Nguyen menciptakan polariton dengan memfokuskan laser daya tinggi pada rongga mikroskopis dari gallium arsenide, yang merupakan semikonduktor yang baik. Di dalamnya, para ilmuwan sengaja membuat takik kecil yang memperluas rongga di satu tempat. Ketika sinar laser mengenai rongga mikro ini, emisi polariton terjadi, yang menuju ke cacat dalam bentuk takik. Tetapi segera setelah aliran partikel-partikel yang tereksitasi ini mencapai kerusakan, kecepatannya berubah. Partikel mulai bergerak lebih cepat dari kecepatan suara, menandakan bahwa ada cakrawala,di luar itu suara tidak bisa pergi.
Dengan menggunakan metode ini, tim Nguyen belum mendeteksi radiasi Hawking, tetapi para ilmuwan percaya bahwa dalam eksperimen lebih lanjut, akan mungkin untuk mendeteksi osilasi yang disebabkan oleh partikel yang meninggalkan medan dengan mengukur perubahan kepadatan lingkungan mereka. Peneliti lain menyarankan pendinginan polariton ke kondensat Bose-Einstein, yang kemudian dapat digunakan untuk mensimulasikan pembentukan lubang cacing.
air
Perhatikan air yang berputar-putar di saluran pembuangan saat Anda mandi. Anda akan terkejut mengetahui bahwa Anda melihat sesuatu seperti lubang hitam. Di laboratorium di Universitas Nottingham, Dr. Silke Weinfurtner membuat simulasi lubang hitam di bak mandi, saat dia menyebut tangki persegi panjang 2.000 liter dengan corong miring di tengahnya. Air dimasukkan ke dalam tangki dari atas dan bawah, yang memberinya momentum sudut, yang menciptakan pusaran air di corong. Dalam analogi air ini, cahaya menggantikan riak kecil di permukaan air. Bayangkan, misalnya, Anda sedang melempar batu ke aliran ini dan menyaksikan gelombang memancar dari sana dalam lingkaran. Semakin dekat gelombang ini ke pusaran air, semakin sulit bagi mereka untuk menyebar ke arah yang berlawanan darinya. Di beberapa titik, gelombang ini berhenti menyebar sama sekali,dan titik ini dapat dianggap sebagai analogi dari cakrawala peristiwa. Analog semacam itu sangat berguna untuk mensimulasikan fenomena fisik aneh yang terjadi di sekitar lubang hitam yang berputar. Weinfurtner sedang menyelidiki masalah ini.
Dia menekankan bahwa ini bukanlah lubang hitam dalam pengertian kuantum; analogi ini muncul pada suhu kamar, dan hanya manifestasi klasik dari mekanika yang dapat diamati. “Ini adalah sistem yang kotor,” kata peneliti. “Tetapi kita dapat memanipulasinya untuk menunjukkan bahwa ia tahan terhadap perubahan. Kami ingin memastikan bahwa fenomena yang sama terjadi dalam sistem astrofisika."
