SG.hu·2009. június 21.

Akusztikus fekete lyukat alkottak

Mesterséges fekete lyukat hoztak létre izraeli kutatók, melynek különlegessége, hogy a fény helyett a hangot ejti foglyul. A kísérlet célja az elméleti Hawking-sugárzás tesztelése. A sugárzás, amit Stephen Hawking fizikus vázolt fel több mint 30 évvel ezelőtt, végeredményben a fekete lyukak elpárolgásához vezethet.

Az asztrofizikai fekete lyukak akkor jönnek létre, amikor az anyag olyan sűrűvé válik, hogy egy pontban összeomlik, ezt a pontot nevezik szingularitásnak. A fekete lyuk hatalmas gravitációja miatt - ugyancsak elméletileg - semmi nem képes kiszökni az esemény határon túlról, még a fény sem.

Jeff Steinhauer csapata a Haifai Technion-Israel Műszaki Egyetemen a hang számára fejlesztett ki egy "fekete lyukat". Ehhez először Bose-Einstein kondenzációt (BEC) hoztak létre, egy közel abszolút nulla fokra lehűtött atomfelhőt. A BEC az anyag egy kvantumállapota, amelyben atomok egy csoportja egyetlen atomként viselkedik. A kutatók valójában két rubídium 87-atomfelhőt hűtöttek le, melyeket egy parányi űr választ el egymástól. Ez utóbbi az egész kísérlet kulcsa, amit "sűrűség inverziónak" neveznek. A sűrűségi inverzió egy rendkívül alacsony sűrűségű területet hozott létre, ami lehetővé tette az atomoknak a két felhő közötti akadály nélküli áramlást másodpercenkénti 3 milliméteres sebességgel, ami a hangsebesség több mint négyszerese. Mivel az atomok a hang sebességénél gyorsabban mozognak a felhők között, így a kiszökni próbáló hanghullámok képtelenek tartani az iramot, valahogy úgy viselkedve, mint a gyors sodrású folyókban úszó halak. A hang gyakorlatilag fogságba esik egy áramlásszerű eseményhorizontban.

Jeff Steinhauer
A kondenzátumokkal valószínűleg korábban is létrehoztak már akusztikus fekete lyukakat, véli Eric Cornell, a Boulderi Colorado Egyetem Nobel-díjas tudósa, aki 2001-ben megosztva vehette át az elismerést a Bose-Einstein-kondenzáció előállításáért. Steinhauer új tanulmánya azonban az első dokumentált kísérlet, ami kifejezetten Hawking sugárzás előállítását célozza egy BEC-ben, hangsúlyozta Cornell. Az akusztikus fekete lyuk 8 milliszekundumig maradt fenn.

Essen szó azonban a már többször említett Hawking-sugárzásról is, melynek első észlelését eredményezheti az akusztikus fekete lyuk. A kvantummechanika kimondja, hogy egy részecskepár spontán előbukkanhat az üres térből. Ezek a párok, melyek egy részecskéből és egy antirészecskéből állnak, egyetlen röpke pillanatig létezhetnek, mielőtt kioltanák egymást, amivel rögtön el is tűnnek. Azonban az 1970-es években Hawking megalkotott egy elméletet, mely szerint, ha egy pár egy fekete lyuk pereme közelében jelenik meg, az egyik részecske beeshet a lyukba mielőtt a pár megsemmisülne, magára hagyva társát az eseményhorizonton kívül.

A szemlélő számára ez a részecske sugárzásként jelenik meg, létezésének bizonyítása pedig igazolná azt a tézist, hogy az anyag mégis képes kiszökni egy valódi fekete lyukból. Amennyiben a kilökődő anyag mennyisége nagyobb, mint a fekete lyukba beáramló tömeg, a fekete lyuk idővel elpárolog. Az akusztikus fekete lyukakban a Hawking-sugárzás részecskeszerű vibrációs energiacsomagok, vagyis fononok formájában jelenne meg. Ha sikerülne rátalálni a Hawking sugárzásra, az nagy áldás lenne a fizika számára. "Egyrészt Stephen Hawking Nobel-díjat kapna" - mondta Sean Carroll, a Caltech kozmológusa." Emellett pedig bebizonyítaná számunkra, hogy jó úton járunk."

Hawking elmélete ugyanis alapvető feltevéseket tesz a kvantummechanika működésére egy olyan térben, amit meghajlít a gravitáció. A mögötte megbúvó matematikával szokták kiszámítani, hogyan viselkedett az univerzum a felfúvódás, az ősrobbanást követő viharos sebességű tágulás időszakában. A hangokon keresztüli kutatás jóval könnyebb a csillagászati észlelésekkel történőnél, mivel egy átlagos fekete lyuk elpárolgását elfedik a nagyobb energiaforrású sugárzások, beleértve az ősrobbanásból visszamaradt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást is.

A helyzet így sem különösebben egyszerű, a kutatóknak igen hosszú utat kell még bejárniuk, hogy akár az akusztikus fekete lyukaknál is észlelhessék a Hawking-sugárzást. Steinhauer csapata például úgy kalkulál, hogy a most létrehozottnál tízszer nagyobb sebességre kellene gyorsítani az atomokat ahhoz, hogy észlelhető Hawking-sugárzást hozzanak létre fononok formájában.

A szakértők mindenesetre fontos lépésnek tartják az izraeliek eredményeit, Cornell szerint a BEC folyamot kellene jóval simábbá tenni. "Amit eddig elértek, az a dolog könnyebbik része. A nehezebb rész mindezt olyan csendben elvégezni, hogy a legapróbb fluktuációt is észlelhessük az amúgy viharosan végbemenő folyamatokon felül" - taglalta a New Scientistnek adott interjújában Cornell, aki munkatársaival maga is neki fogott saját akusztikus eseményhorizontjuk előállításának.

Kapcsolódó cikkek és linkek

Csillagképzõdéshez kötik a fekete lyukakat A Tejútrendszer középpontjában lévõ fekete lyuk felfedezéséért járt a fizikai Nobel-díj Bolygók ezrei lehetnek a fekete lyukak körül Elõször készült fotó egy fekete lyukról Méretes fekete lyukat gyanítanak a Tejútrendszer közepén Ütközések táplálják a szupermasszív fekete lyukakat Ismét gravitációs hullámokat észleltek Fekete lyukat céloz meg teleszkópok egy csoportja

Hozzászólások

Jelentkezz be a hozzászóláshoz.

Gratulalok physis, sze posszefogalas a fononokrol!

Ne szerenykedjel kerlek, mas meg arra is lusta hogy rakeressen a wikipedian , de elvarja hogy megmagyarazzak neki...
:)

Kedves Kukacos,

Nem tudok válaszolni a felvetett kérdésre, mert hiányzik a hátterem a fononokról szóló cikk megértéséhez. Ezért csak annyit próbálok megtenni, hogy a cikkbõl szó szerint idézem azokat a részeket, amelyekrõl úgy sejtem, hogy éppen az Általad felvetett kérdésre válaszolnak. (Kiemelések általam.)

Szóval miért is készítettek ilyen bonyolult berendezést? Miért nem elég bármilyen hangsebességgel mozgó közegben a ,,szembe-szélnek haladó'' hangok taulmányozása? Minek kell ehhez ilyen alacsony energia, ilyen különleges, drága közeg (Bose Einstein kondenzátum)? Azt remélem, hogy jó részeket idézek, és ezek választ adnak erre a kérdésre.

,,Láttuk, hogy az üres teret fotonok és más erõterek kvantumai népesítik be. Az anyaggal kitöltött térben új erõk lépnek fel: a nyomás és a tenzió. Hatásuk hullámok révén terjedhet, ezek az általánosan ismert hanghullámok. A kvantumtörvények a hangokra is érvényesek. A hangfrekvencia azonban sokkal kisebb a fény frekvenciájánál, éppen ezért a hangkvantumot sokkal nehezebb ,,észrevenni''. A hang kvantált természetét csak akkor vehetjük észre, amikor az anyag egész energiakészlete rendkívül kicsiny, vagyis: igen alacsony hõmérsékleten. A hanghullám, is, a fényhullámhoz hasonlóan, a részecskeáram tulajdonságaival bír. Ezeket a hangrészecskéket nevezzük fononoknak'' (Frank-Kamenyenckij 1966: 136)

,,A kristályban levõ hõmozgást tekinthetjük makroszkopikusan is, vagyis együttesen, de tekinthetjük mikroszkopikusan is, vagyis részleteiben. Mikroszkopikusan tekintve, ez a kristályrács atomjainak kollektív rezgése, az atomok tánca. Makroszkopikusan nézze viszont ugyanez a hõmozgás az álló hanghullámok együttese. A teljes szabatosság kedvéért jegyezzük meg, hogy a makroszkopikus leírás csupán kellõen hosszú hullámokra érvényes, az annyira hosszú hullámokra, amelyek terjedését nem befolyásolja az anyag atomszerkezete. Másként kifejezve a hullámhossznak hatalmasnak kell lennie, nem csupán az atom méreteihez képest, hanem a szomszédos atomok közötti távolsághoz képest is.'' (Frank-Kamenyenckij 1966: 138)

,,Emlékezzük rá, hogy a hanghullámnak is vannak részecskeáram tulajdonságai. Az álló hanghullámok úgy viselkednek a szilárd testben, mint egy olyan gáz, amely hangkvantumokból, fononokból áll. Sok tekintetben hasonlít ez a vákuumban lévõ fotongázra. Az alapvetõ különbség az, hogy amíg a fénykvantum frekvenciája (tehát energiája is) korlátlan, ugyanakkor a hangkvantumoknak van egy legnagyobb határfrekvenciája és -energiája. Meglepõ, hogy a fononok segítségével mennyire könnyen és egyszerûen megmagyarázható a szilárd testek számos tulajdonsága. Igen alacsony hõmérsékleten a kristályok fajhõje a hõmérséklet köbével arányosan csökken. Ez ugyanaz a törvény, amelynek a vákuum (a fotongáz) fajhõje is engedelmeskedik. A fotongázra azonban ez minden hõmérsékleten, a fonongázra azonban csak igen alacsony hõmérsékleten érvényes. Az ok: a fononok határenergiája. A hõmozgás energiája annyival nagyobb lesz e határenergiánál, hogy a hang kvantált jellege többé már nem érvényesül. A szilárd test fajhõje ezután már nem függ a hõmérséklettõl.

A hõenergia a szilárd testben a fonongáz energiája. Elfelejthetjük azt, hogy a test molekulákból és atomokból áll, és feltételezhetjük, hogy fononokból épül fel --- a test termikus tulajdonságai ettõl nem változnak. Elméleti elemzésünk viszont nagyon is leegyszerûsödött. Hiszen a kristály minden molekulája és atomja összetett kölcsönhatások révén kapcsolódik egymáshoz. Mozgásuk: ez a sokféle kollektív tánc, amelyet szavakkal is nehéz leírni, nemhogy képletekkel. A fononok csak igen gyenge kölcsönhatásba lépnek egymással. A fonongáz alacsony hõmérsékleten, jó pontossággal, ideális gáznak tekinthetõ. Márpedig minden elméleti fizikus igazi álma --- az ideális gáz, vagyis egy olyan sok részecskébõl álló rendszer, amely a véletlen törvényszerûségei szerint halad, és csupán ütközések során lép kölcsönhatásba.'' (Frank-Kamenyenckij 1966: 138-139)

______________

Frank-Kamenyenckij, D. A. (1966) ,,Részecskék és kísérteteik'', in: A világegyetem kulcsa, pp. 133-145. Budapest: Kossuth.

Szívesen. Sajnos a matematikatudás hiánya engem is nagyon akadályoz a fizika megértésében.

Igaz, észrevettem, hogy ez nálam fordítva is így van. A fizika tudás hiánya akadályozza nálam a matematika kellõen motivált befogadását. Tudom, formálisan ez nem lenne szükségszerû (a matematika látszólag ,,önálló''), de nálam mégiscsak így van. Szóval az empirikus tudományokban való ismeretek bennem segítik a matematika tanulását is. Vagy azért, mert motivációt adnak hozzá, vagy pwdig még inkább azért, mert sokkal érdekesebbé válik egy matematikai tétel akkor, ha az ember kissé induktívabb szemlélettel gondol rá. Szóval nemcsak azt látva benne, hogy mivel ez tétel, úgyis levezethetõ valahogy az axiómákból, akkor meg valamilyen értelemben ,,triviális'' is, hanem meglátni benne azt hogy de különös, tulajdonképpen milyen is lenne, ha ez nem így lenne.

Az ellentmondásos helyzetet úgy próbálom feloldani, hogy mindkettõvel igyekszem foglalkozni.

Szia, köszönöm a linkeket, a letölthetõt már elolvastam, a Gerthsen Physik könyvet most olvasgatom. Kár, hogy a matematikai tudásom (hiánya) sok mindenben korlátoz.

Kedves KillerBee,

Nagyon köszönöm a biztatást. A bumeráng-analógiát a Gondolat Zsebkönyvek sorozat egyik tagjában olvastam, eredetileg még a 80-as évek végén. Sajnos, nem tudom, melyik volt már. Biztos, hogy nem az alábbiak:
* Károlyházi Frigyes: Igaz varázslat
* Florov, G. Ny & Iljinov, A. Sz.: Úton a szupernehéz elemek felé
Azért vagyok biztos benne, hogy nem ezek, mert ezek megvannak nekem, megnéztem õket, ezekben biztosan nincsen szó errõl. Sajnos a Gondolat Zsebkönyvek sorozatról nem találtam még összesített címjegyzéket sem, így nem tudok tippelni sem, melyik is lehetett az. Mindenesetre nincs olyan sok szóbajövõ lehetõség, mert közvetlenül elemi részecskékkel a könyvsorozatnak csak kevés tagja foglalkozott, kettõt fennt kizártam, ezért immár legfeljeb csak egy-kettõ jöhet még szóba.

Megpróbáltam online is rákeresni a bumeráng-analógiára (,,boomerang + gluon'', ,,boomerang + virtual particle''. ...). Valaki azt említette, hogy a bumeráng-analógia Goronwy Tudor Jones egyik cikkébõl származik eredetileg.
A legrészletesebb online ismertetés, amit találtam eddig:
The Exchange Model of Force
A C. fejezetre érdemes rákeresni (,,The Exchange Model for the Nuclear Forces'').

Német nyelven is megemlíti a hasonlatot egy szakkönyv (,,Bumerang''),
Gerthsen Physik
ez azonban ez a könyv még kevésbé tûnik ismeretterjesztõ jellegûnek, mint az elõzõ, és az analógia csak röviden van megemlítve.

Viszont megtaláltam a másik cikket, ami a fononokról szól, vagyis mi köze lehet a hangjelenségek leírásának a részecske-szemlélethez.

Frank-Kamenyenckij, D. A. (1966) ,,Részecskék és kísérteteik'', in: A világegyetem kulcsa, pp. 133-145. Budapest: Kossuth.

A cikk fõ témája valójában inkább általában a kvázirészecskék fogalma: hogyan vezették be õket, milyen indítékból, milyen példák vannak rájuk. A fonon a legrészletesebben kifejtett példa. Bár ismeretterjesztõ stílusban van megírva, most még nem mernék vállalkozni az összefoglalására, nincs elég hátterem.

A jégen bumerángozó emberkék példáját 1-2 éve olvastam én is, csak nem emlékszem, hol. Meg tudnád írni? Ez nekem azért is jobban tetszik a strandlabdás példánál, mert a strandlabdánál szükséges, hogy mindketten egyszerre cibálják a labdát. A bumerángnál még ilyen közvetett módon sem kell érintkezniök egymással.

A phononról nekem is furcsa dolgok jutnak eszembe, hiszen a phonon nincs a fizikában ismert/tanult elemi részecskék között. Én magamban - komolyabb fizikai-matematikai képzettség nélkül - ezt úgy intéztem el, hogy a fizikában a hullámjelenség egy általános jelenség, amely nem korlátozódik az elektromágneses hullámokra. A hullámjelenségek pedig általános tulajdonságokkal rendelkeznek, leírásuk nagyon hasonló vagy azonos matematikával történik, ezért logikus, hogy pl. a hanghullámnál is meg kell jelennie pl. a részecske-hullám dualitásnak (noha az nem transzverzális, hanem longitudinális), még ha csak virtuális részecske formájában is. Ez egyébként számomra azt sugallja, hogy a "valódi" részecskék is csak valamiféle felszínes megnyilvánulásai egy mélyebb jelenségnek, és csak valami esetleges ok folytán látjuk az egyiket valósnak, a másikat virtuálisnak. De ez már inkább spekuláció, amit nem lenne érdemes folytatni.

A természeti jelenségek ilyesfajta általános alapokon nyugvása nekem esztétikailag is nagyon vonzónak tûnik, lásd pl. a gravitomagnetizmust.

"Sajnálom, hogy semmi tartalmi dolgot nem tudok mondani"

Ez tévedés, tartalmi dolgot mondtál.

lotsopa #100:
Istenem, csak nem itt is kezdõdik az elsõzés? <#falbav>

Sajnos nem tudom a választ, de a cikkben felfigyeltem a ,,fonon'' szóra.

,,Az akusztikus fekete lyukakban a Hawking-sugárzás részecskeszerû vibrációs energiacsomagok, vagyis fononok formájában jelenne meg.''

(kiemelés itt hozzáadva)

Egy régi népszerûsítõ könyvbõl származó emlékeim alapján úgy tûnik nekem, hogy ez a fonon éppen valami kulcsfontosságú fogalom lehet itt, aminek megértése az egész cikk lényegének megértését segítheti. Vagyis annak meglátását, hogy egyáltalán miként segíthet egyáltalán valamiféle részecske-szemlélet olyan jelenségek megértésében (hang, rezgések), amelyekre sohasem gondolnánk részecskeként. Olyan emlékeim vannak, hogy ez a fonon-fogalom része egy számomra érdekes szemléletnek.

Gyerekkoromban számomra ,,a részecske'' a proton, elektron, neutron volt, ezeket is afféle színes fagolyókként képzeletem el (emlékszem, a proton piros volt, az elektron kék, a neutron zöld, és még ma is zavar, ha valaki másképp színezi õket, ,,mert hát IGAZÁBÓL mégiscsak ilyenek'').

Késõbb aztán meglepõdve olvastam mindenféle más, virtuális részecskérõl. Szóval amikor erõk, kölcsönhatások terjedését magyarázták meg mélyebben olyan szemlélettel, hogy valamiféle közvetítõ részecskék révén érvényesül ez, az, amaz az erõ. Úgy emlékszem, a magrészecskéket összetartó ,,erõs kölcsönhatás''-t, és az elektromos erõteret hozták fel példának, szóval hogy mindkét hatás valamiféle közvetítõ részecskék terjedése révén jelentkezik. A népszerûsítõ szerzõ ezt még megpróbálta szemléletes képpel is közel hozni az olvasóhoz.

Két fürdõzõ verekszik a vízben úszva: mindketten ugyanazt a strandlabdát tépegetik ki egymás kezébõl. Ahogy húzgálják ki egymás kezébõl a labdát, úgy az össze is húzza a két birkózót egymás felé a vízben, mert a kölcsönös húzgálás során egyben egymás felé is húzódnak.

A fürdõzõk voltak a magrészecskék, a strandlabda pedig az a részecske, amit az erõs kölcsönhatás hordozó részecskéjének képzeltek.

Két ember áll a jégen, egymásnak háttal, és egymásnak bumerángot dobálnak, kihasználva, hogy a bumeráng mindig rendre úgy fordul, hogy egymásnak háttal is lehet dobálni. És akkor ez a dobálás egyben egyre közelebb csúsztatja a két játékost egymáshoz, hiszen a dobáskor/elkapáskor pont így löki mindkettejük kezét a bumeráng.

Itt is az emberek voltak a magrészecskék, a bumeráng pedig az õket a magban összekapcsoló ,,erõs'' kölcsönhatás közvetítõ részecskéje.

Szóval ez az egész engem akkor meglepett, hiszen én ezek az erõket, kölcsönhatásokat csak afféle automatikusan érvényesülõ, azonnali sebességgel terjedõ vonzó- és taszítóerõknek képzeltem, amelyek hatását olyan idõtlennek, pillanatszerûnek képzeltem el, mintha azokat egyszerûen csak beprogramozta volna az Isten a nagy számítógépébe automatizmusnak, alapszabálynak. Így gondoltam mindig is az elektromos, mágneses, gravitációs, erõs, gyenge erõkre.

Szóval engem meglepett, hogy ezekrõl a dolgokról bármiféle többletet lehet megtudni azáltal, hogy úgy szemléljük, mintha részecskék közvetítenék ezeket a hatásokat.

Egy másik cikkben szintén efféle képzelt részecskéket emlegettek, mégcsak nem is ilyeneket, hanem még ezeknél is durvábbakat, és a példák serege egyre bõvült, meg egyre szerteágazóbb területeket magyaráztak meg velük,szóval egyre durvább lett a dolog. Szóval úgy bõvültek ezeknek a ,,képzelt'' részecskéknek a serege, jelentõsége, mint valami demokratizálódási folyamatban a választópolgároké. Szóval úgy tûnt, hogy ezeket nem önkényesen vezették be, hanem azért, mert tényleg segítenek megérteni mindenféle mélyebb dolgot olyan jelenségek mögött, amirõl elõször nem is gondolná az ember, hogy bármit is segítene ott a részecske-szemlélet.

Persze, ezek a példák már végképp meglepõek voltak, ezek már végképp messze voltak gyerekkorom kék, piros és zöld fagolyójától, az elektrontól, protontól, neutrontól. Csak annyit sejtettem érteni itt már, hogy itt olyan szemléletrõl van szó, ami olyan dolgok között segít meg valami tényleg mély és valós összefüggést, amirõl felületesen nem is sejtenénk.

Úgy emlékszem, hogy a fonon is ilyesvalami fogalom volt, beleillett ebbe a részecskék furcsa demokráciájába, csak a fonon nem az elektromos erõ vagy az ,,erõs kölcsönhatás'', hanem a hang és rezgési jelenségek körében magyarázott meg szellemesen dolgokat.

Sajnálom, hogy semmi tartalmi dolgot nem tudok mondani, ebben a pillanatban nem tudom elõvenni ezeket a húsz éve olvasott népszerûsítõ cikkeket. Csak azért említettem meg, hátha a ,,fonon'' (phonon) kulcsszavának megemlítése segít a továbbkeresésben, és ezáltal esetleg a kutatás egyik lényegi pontjának megragadásában. Én már sajnos nem emlékszem a fononokra, pedig a cikkek megvannak valahol.

Angol Wikipédia, ezt most találtam, de egyelõre népszerûsítõ jellegû írást nem találtam online.

Virtual particles: Manifestations

Amúgy ha már oda vagytok a görögökért, én inkább az egyiptomiakra szavazok.

100.

Béla is tudja ezt. Õ csak kiegészített engem. :-)

További bejegyzések a fórumban...