Hur man bygger en svarthålslaser

En av de mer fascinerande upptäckterna inom teoretisk fysik på senare år är den formella matematiska analogin mellan hur rumtiden och vissa material påverkar ljus.

Fysiker har använt denna idé för att visa hur man bygger svarta hål med hjälp av så kallade metamaterial som styr ljuset på exotiska sätt. Faktiskt byggde kinesiska fysiker just ett sådant konstgjort svart hål redan 2009.

Analogin kan tas ännu längre. Inte bara är det möjligt att göra svarta hål på detta sätt utan också deras tidsomvända motsvarigheter – vita hål. Dessutom borde både dessa vita och svarta hål producera Hawking-strålning. Detta är den spontana strålningen vid ett håls no return, kallad dess händelsehorisont.

Denna spontana strålning är ett märkligt och komplext fenomen. Ingen har observerat Hawking-strålning vare sig från astrofysiska svarta hål eller laboratoriebaserade (även om det finns ett eller två påståenden som för närvarande diskuteras). Men få fysiker tvivlar på dess existens.

Så om Hawking-strålning verkligen existerar, vad kan vi göra med den? Idag får vi svar från Daniele Faccio vid Heriot-Watt University i Skottland och några kompisar. De här killarna förklarar hur man använder denna spontana strålning för att göra en laser.

Deras idé är att skapa ett svart hål bredvid ett vitt hål så att deras händelsehorisonter separeras med bara några hundra mikrometer och skapar en liten hålighet. Sedan visar de att när ljus skjuts in i denna hålighet reflekteras det från det vita hålets horisont till det svarta hålets horisont, tillbaka till det vita igen och så vidare.

Faccio och co fortsätter med att visa att under varje reflektion ökar Hawking-strålningen effektivt strålen och förstärker den därigenom. De säger att denna additiv process är logaritmisk så ett litet frö av ljus slutar med att producera en intensiv strålning.

Deras verkliga triumf är dock att visa hur en sådan anordning kan tillverkas i labbet. De påpekar att brytningsindexet för vissa material beror på ljusintensiteten inuti dem. Så själva ljuset ändrar brytningsindex.

Det betyder att en mycket intensiv stråle kan skapa en enorm gradient i brytningsindex. Denna gradient kan vara så brant att den beter sig som en händelsehorisont. Faktum är att en enda puls kan skapa svart håls horisont vid dess framkant och en vit håls horisont vid dess bakkant.

Det är precis det tillstånd de här killarna letar efter. De fortsätter med att säga att det borde vara möjligt att göra detta i optiska vågledare av diamant. De har testat idén numeriskt och säger att den fungerar som förväntat.

Faccio och co är snabba med att påpeka att det går att odla diamant till mer eller mindre vilken form som helst så det borde vara möjligt att testa denna idé i labbet nu. Detta tycks därför tyda på att den här typen av ny förstärkningsprocess skulle kunna observeras i verkliga miljöer, säger de.

Det skulle vara ett extraordinärt experiment – ​​en laser med svarta hål i ett labb. Häftigt!

Ref: arxiv.org/abs/1209.4993 : Optiska svarthålslasrar

Dölj