Symulowana czarna dziura

Badacze wykazali, jak specyficznie ukształtowana czarna dziura może być przyczyną załamania ogólnej teorii względności Einsteina - fundamentu współczesnej fizyki. Jednakże taki obiekt może istnieć tylko we wszechświecie z pięcioma lub więcej wymiarami.

Naukowcy z University of Cambridge i Queen Mary University of London, z powodzeniem symulowali czarną dziurę w kształcie bardzo cienkiego pierścienia, który daje początek do serii "wybrzuszeń" połączonych strunami które stają się coraz cieńsze z upływem czasu. Te struny w końcu stają się tak cienkie (rysunek "c" - czerwony), że odrywają się, tworząc szereg miniaturowych czarnych dziur, podobnie jak cienki strumień wody z kranu, rozpada się na krople.

Pierścieniowe czarne dziury zostały odkryte przez fizyków teoretycznych w 2002 roku, ale jest to pierwszy raz, kiedy ich dynamika została skutecznie symulowana za pomocą superkomputerów. Gdyby ten typ postaci czarnej dziury prowadził do pojawienia się "nagiej osobliwości", unieważniłby równania ogólnej teorii względności.

Ogólna teoria względności stanowi podstawę naszej obecnej wiedzy o grawitacji: począwszy od oszacowania wieku gwiazd we wszechświecie, do sygnałów GPS, wiedza dająca podstawy do nawigacji jest oparta na równaniach Einsteina. Teoria ta mówi nam, że materia zakrzywia czasoprzestrzeń i jej otoczenie, a to, co my nazywamy grawitacją, jest efektem tej osnowy. W ciągu 100 lat, od momentu jej publikacji, ogólna teoria względności przeszła wszystkie testy, które zostały jej narzucone – jednakże jej ograniczeniem jest istnienie „osobliwości”.

Osobliwość jest to punkt, w którym grawitacja jest tak intensywna, że przestrzeń, czas i prawa fizyki załamują się. Ogólna teoria względności przewiduje, że osobliwości występują w centrum czarnych dziur, i że są one otoczone przez horyzont zdarzeń - "punkt bez powrotu", gdzie grawitacja staje się tak silna, że ​​ucieczka jest niemożliwa, co oznacza, że ​​nie mogą być obserwowane z zewnątrz.

                                       Źródło: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.071102

"Dopóki osobliwości pozostają ukryte za horyzontem zdarzeń, nie sprawiają kłopotów i ogólna teoria względności jest aktualna.

Ale co, jeśli osobliwości istnieją poza horyzontem zdarzeń?

Gdyby tak było, nie tylko byłyby widoczne z zewnątrz, ale reprezentowałyby obiekty, które posiadają nieskończoną gęstość – byłyby to tak zwane ”nagie osobliwości”.  

Jeśli istnieją nagie osobliwości, to ogólna teoria względności załamuje się - nie ma już żadnej mocy predykcyjnej i nie może być traktowana jako samodzielna teoria, wyjaśniająca wszechświat.

Myślimy o wszechświecie jako istniejącym w trzech wymiarach, ewentualnie w czwartym wymiarze czasu, które łącznie są określane jako czasoprzestrzeń. Ale w działach fizyki teoretycznej, takich jak teoria strun, wszechświat może się składać z aż 11 wymiarów. Dodatkowe wymiary mogą być duże i wyraziste, lub mogą być zwinięte, małe i trudne do wykrycia. Ponieważ ludzie mogą tylko bezpośrednio postrzegać trzy wymiary, istnienie dodatkowych wymiarów można wywnioskować jedynie poprzez eksperymenty na bardzo wysokich energiach.

Korzystając z superkomputera COSMOS, naukowcy byli w stanie przeprowadzić pełną symulację kompletnej teorii Einsteina w wyższych wymiarach, co pozwala im nie tylko potwierdzić, że owe "czarne pierścienie” są niestabilne, ale także wykryć ich ewentualny los. Przeważnie czarny pierścień zapada się z powrotem w kulę, tak że osobliwość zatrzymuje zawarty wewnątrz horyzont zdarzeń. Tylko bardzo cienki czarny pierścień staje się na tyle niestabilny, że ​​tworzy wybrzuszenie połączone coraz cieńszymi strunami, aż w końcu zerwanie i utworzenie nagiej osobliwości

                      Źródło: http://www.cam.ac.uk/research/news/five-dimensional-black-hole-could-break-general-relativity

Metal jak woda

Od momentu jego odkrycia - dekadę temu - naukowcy i tech guru okrzyknęli grafen super materiałem, który może zastąpić krzem w elektronice, zwiększać wydajności baterii, wytrzymałość i przewodność ekranów dotykowych i utorować drogę do taniej cieplnej energii elektrycznej.

Szeroki na jeden atom grafen jest mocniejszy niż stal, twardszy niż diament i jest jednym z najbardziej przewodzących materiałów na ziemi.

Jednakże istnieje kilka wyzwań, które należy pokonać, zanim produkty oparte na grafenie będą wprowadzane na rynek. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć podstawową fizykę tego unikalnego materiału -  co jest to bardzo trudne do wykonania.

Okazuje się, iż w przypadku grafenu, po raz pierwszy odkryto elektrony w metalu zachowujące się jak ciecz.

W celu dokonania tej obserwacji ulepszono metody tworzenia ultra czystego grafenu i opracowano nowy sposób pomiaru przewodności cieplnej. Badania te mogą doprowadzić do powstania nowych urządzeń termoelektrycznych, jak również dostarczenia modelu układu do odkrywania egzotycznych zjawisk, takich jak czarne dziury i plazmy o wysokiej energii.

W zwykłych metalach trójwymiarowe elektrony trudno oddziałują ze sobą. Ale dwuwymiarowa struktura grafenu  działa jak autostrada elektronowa, na której wszystkie cząstki mają podróżować w tym samym pasie ruchu. Elektrony w grafenu zachowują się jak bezmasowe relatywistyczne obiekty, niektóre z ładunkiem dodatnim, a niektóre z ładunkiem ujemnym. Poruszają się z niesamowitą prędkością - 1/300 prędkości światła - i  przewiduje się, że zderzają się ze sobą dziesięć bilionów razy na sekundę w temperaturze pokojowej. Te intensywne oddziaływania pomiędzy cząstkami nigdy nie były wcześniej obserwowane w zwykłym metalu.

Zespół stworzył ultra-czystą próbkę przez wciśnięcie jednego atomu grafenu między dziesiątki warstw elektrycznie izolującego doskonale przeźroczystego kryształu o podobnej strukturze atomowej co grafen.

Istotne jest, aby stworzyć grafen bez ingerencji z  otoczenia – jeśli grafen otacza coś, co jest szorstkie i nieuporządkowane, to będzie przeszkadzać w ruchu elektronów.

Następnie utworzono rodzaj zupy cieplnej z naładowanych dodatnio i ujemnie cząstek na powierzchni grafenu i obserwowano jak te cząstki płynęły, traktując je jako prądy termiczne i elektryczne.

Większość naszego świata – czy to płynie jak woda (Hydrodynamika) czy to porusza się po krzywej - jest opisana przez fizykę klasyczną. Bardzo małe rzeczy, takie jak elektrony, są opisane przez mechanikę kwantową, bardzo duże i bardzo szybkie rzeczy, takie jak galaktyki, są opisane przez fizykę relatywistyczną, zapoczątkowaną przez Alberta Einsteina.

Połączenie tych praw fizyki jest bardzo trudne, ale istnieją skrajne przykłady, gdzie zachodzą na siebie systemy o wysokiej energii, takie jak supernowe i czarne dziury i które mogą być opisane poprzez połączenie klasycznej teorii hydrodynamiki z teorią względności Einsteina.

Wracając do grafenu: gdy silnie oddziałujące cząstki grafenu były napędzane przez pole elektryczne, nie zachowywały się jak pojedyncze cząstki, ale jak płyn, który może być opisany przez hydrodynamikę.

Zamiast oglądać jak jedna cząstka została dotknięta przez siłę elektryczną lub cieplną, można zobaczyć energię, ponieważ płynie ona z wielu cząstek, jak fala przez wodę.

Fizykę odkrytą dzięki analizie czarnych dziur i teorii strun, można zaobserwować w grafenie. Jest to pierwszy model relatywistycznej hydrodynamiki w metalu.

Demon

Demon Maxwella - hipotetyczna istota, która wydaje się naruszać drugą zasadę termodynamiki, została szeroko zbadana, odkąd w 1867 roku zaproponował ją James Clerk Maxwell. Większość z tych badań miała charakter teoretyczny, a tylko garstka eksperymentów miała za cel faktyczne udowodnienie istnienia demona.

Obecnie mamy do czynienia z pierwszą fotonową implementacją demona Maxwella – drogą ku temu są pomiary dwóch wiązek światła; pomiędzy tymi wiązkami zaburzana jest równowaga, a uzyskana energia może być przeznaczona do ładowania baterii.

W oryginalnym eksperymencie myślowym, demon stoi pomiędzy dwoma polami cząsteczek gazu. Początkowo średnia energia (lub prędkości) cząsteczek gazowych w każdym polu jest taka sama. Ale demon może otworzyć małe drzwi w ścianie pomiędzy polami, aby zmierzyć energię każdej cząstki gazu, która zdąża w kierunku drzwi, i pozwala jedynie cząstkom wysoko-energetycznym przejść z jednej na drugą stronę i nisko-energetycznym cząstkom w kierunku odwrotnym.


Z biegiem czasu, jedno pole zyskuje wyższą średnią energię niż drugie, co tworzy różnicę ciśnień. Powstająca siła pchania może być następnie wykorzystana do pracy.

Z biegiem lat, fizycy rozwiązali ten pozorny paradoks, wyjaśniając, że choć demon może nie działać bezpośrednio na układ, jednak musi zdobywać informacje do swoich pomiarów. Usuwanie informacji z pamięci demona wymaga pracy, dzięki czemu sumarycznie nie może być zysku netto w postaci pracy.

W wersji fotonowej, fizycy zastąpili pola cząsteczek gazu dwoma impulsami światła. Demon, przy użyciu fotodetektora, może mierzyć liczbę fotonów z każdego impulsu, a dodatkowo ma do dyspozycji urządzenie, które otwiera drzwi dla jaśniejszej wiązki – z większa ilością fotonów w jedną stronę, a w drugą stronę przepuszcza ciemniejszą wiązkę.


Poszczególne wiązki odprowadzane są do fotodiod, a imbalans energii ładuje podłączony kondensator.


Choć naukowcy nie zmierzają do osiągnięcia optymalnej ekstrakcji pracy, jest możliwe, że jakiś rodzaj demona Maxwella może kiedyś mieć praktyczne zastosowanie.

Naukowcy mają nadzieję, że nowy model będzie prowadzić do lepszego zrozumienia związku między informacjami i termodynamiką, który jest niezbędny dla zrozumienia termodynamiki w mikroskali i poniżej. Najnowsze osiągnięcia technologii układów składających się z tylko jednej lub kilku cząstek wymagają lepszego zrozumienia mikroskali termodynamiki, podobnie jak silnik parowy pomógł naukowcom lepiej zrozumieć makroskopową termodynamikę w 19 wieku.

Teoria w mikroskali termodynamiki może mieć wiele zastosowań, w tym w technologii koncentrowania zasobów energetycznych. Może również pomóc naukowcom zbadać rolę koherencji kwantowej w termodynamice, z aplikacjami w kwantowych technologiach informatycznych.

Szybkie Błyski Radiowe spoza Drogi Mlecznej

Nowa metoda jest uważana za znaczący hołd dla Einsteina w setną rocznicę pierwszego sformułowania jego zasady równoważności, która jest kluczowym elementem ogólnej teorii względności. Mówiąc bardziej ogólnie: stanowi kluczowy komponent koncepcji mówiącej, że geometria czasoprzestrzeni jest zakrzywiona od gęstości masowej poszczególnych galaktyk, gwiazd, planet i innych obiektów.

Szybkie Błyski Radiowe są super krótkimi wybuchami energii - trwającymi zaledwie kilka milisekund. Do tej pory tylko kilkanaście Szybkich Błysków Radiowych zostało wykryte na Ziemi. Wydają się one być spowodowane tajemniczymi zdarzeniami, niezależnymi od naszej Drogi Mlecznej, a nawet będącymi spoza Lokalnej Grupy Galaktyk, która obejmuje Drogę Mleczną.

Podobnie jak wszystkie inne formy promieniowania elektromagnetycznego, w tym światło widzialne, Szybkie Błyski Radiowe podróżują w kosmosie jako fale cząstek fotonów - ich "częstotliwość" jest w tym samym zakresie co w sygnałach radiowych.

                                                            Błysk

Jeśli Szybkie Błyski Radiowe okażą się pochodzić spoza Drogi Mlecznej, i jeśli ich odległości można dokładnie zmierzyć, będzie to nowym potężnym narzędziem do testowania zasady równoważności Einsteina.

Zasada równoważności Einsteina wymaga, aby każde dwa fotony o różnych częstotliwościach, emitowane w tym samym czasie z tego samego źródła i podróżujące przez te same pola grawitacyjne, powinny przybyć na Ziemię dokładnie w tym samym czasie. Jeśli zasada równoważności Einsteina jest poprawna, każde opóźnienie czasowe, które może wystąpić pomiędzy tymi dwoma fotonami, nie powinno być spowodowane  polami grawitacyjnymi doświadczanymi podczas podróży, ale powinno być powodowane innymi efektami fizycznymi.

Mierząc w jakim czasie dwa fotony - o różnych częstotliwościach – przybędą na Ziemię, możemy sprawdzić, jak blisko prawdy znajduje się zasada równoważności Einsteina.

Owe testy obejmują analizę za pomocą częstości radiowych i wykazują, iż zasada równoważności Einsteina jest prawdziwa w 99,999999%,  - ten wynik to znaczący hołd dla teorii Einsteina.

Sztuczna grawitacja

Obecnie naukowcy badają pola grawitacyjnych biernie: poprzez obserwację starają się zrozumieć istniejące pola grawitacyjne powstające dzięki dużym bezwładnościowym masom, takim jak gwiazdy czy choćby ziemia, nie będąc w stanie ich zmienić, jak to się dzieje, na przykład z polami magnetycznymi. To właśnie ta frustracja doprowadziła do prób rewolucyjnego podejścia: wytwarzania pól grawitacyjnych z dobrze kontrolowanych pól magnetycznych i obserwowania, jak te pola magnetyczne mogą zaginać czasoprzestrzeń.

                                               What is important is gravity

Urządzenie do tworzenia wykrywalnych pól grawitacyjnych opiera się na nadprzewodzących elektromagnesach, a tym samym na technologiach rutynowo stosowanych, na przykład: w CERN lub reaktorze ITER.

Choć ten eksperyment wymagałoby znacznych zasobów, to może być wykorzystywany do testowania ogólnej teorii względności Einsteina. Jeśli się powiedzie, to na pewno będzie dużym krokiem naprzód w dziedzinie fizyki: zdolność do wytwarzania, wykrywania i ostatecznie kontrolowania pola grawitacyjnego. Ludzie mogliby produkować oddziaływania grawitacyjne w taki sam sposób jak w przypadku pozostałych trzech podstawowych oddziaływań (elektromagnetycznych oraz silnych i słabych sił jądrowych). To mogłoby zapoczątkować nową erę eksperymentalnej i przemysłowej grawitacji, przykładowo: telekomunikacji bez konieczności używania satelity lub przekaźników lądowych.