El làser de forats negres òptics

Potser alguna vegada ens hem preguntat si la radiació de Hawking d'un forat negre es pot utilitzar per fabricar un làser òptic. Per a això es requereix una cavitat òptica ressonant que actuï com a amplificador (recordem que LASER significa amplificació de llum per emissió estimulada de radiació). L'anàleg gravitatori a aquesta cavitat podria ser l'espai entre els horitzons de successos d'un forat negre i un forat blanc. Els forats blancs no existeixen a la natura. No obstant això, en lloc de forats blancs es podrien utilitzar els seus anàlegs físics. Usant fibra òptica es poden fabricar tant forats negres òptics com forats blancs òptics, encara que la radiació de Hawking, en aquests, no ha estat observada. Usant simulacions numèriques per ordinador es pot comprovar si el concepte funciona. En el cas unidimensional, la idea funciona, com han demostrat Daniele Faccio, Tal Arane, Marc Lamperti, Ulf Leonhardt a Optical black hole làsers, Classical and Quantum Gravity 29: 224.009, 18 octubre 2012 [ arXiv: 1209.4993 ].

Al 1923, W. Gordon va proposar usar anàlegs òptics per als forats negres, però no va ser fins al 1981 quan WG Unruh va suggerir en un famós article a PRL que es podrien utilitzar aquests anàlegs físics de forats negres per estudiar la radiació de Hawking en el laboratori. L'anàleg òptic més prometedor es va proposar al 2008 Th. G. Philbin gràcies a l'ús d'una fibra òptica; l'horitzó de successos tant forats negres com blancs s'obté a les ones de xoc que apareixen en els fronts de polsos òptics intensos en un material refractiu no lineal.
Encara no s'ha observat la radiació de Hawking utilitzant aquests anàlegs òptics. Potser cal aclarir això, ja que molts lectors recordaran els experiments de F. Belgiorno (el primer i més famós va ser Hawking Radiation from Ultrashort Laser Premi Filaments Phys. Rev. Lett. 105: 203.901, 8 nov 2010 ). Els seus resultats van ser notícia en molts mitjans, però els experts tenen molts dubtes. D'una banda, el seu anàleg òptic a un forat negre és molt discutible, ja que l'horitzó de successos es basa en la velocitat de fase del pols òptic, no en la velocitat de grup. D'altra banda, els fotons que els autors afirmen que s'emeten per radiació de Hawking s'observen en un règim clàssic en el que és impossible saber si són el resultat de la creació de parells a l'horitzó. Per tant, la majoria dels experts dubten del seu resultat i afirmen que encara no s'ha observat la radiació de Hawking en un anàleg físic, (més detalls en WG Unruh, R. Schützhold, Hawking radiation from phase horizons in làser fi Laments. Physical Review D 86: 064.006, 4 Set 2012 ). Tot això no treu que en els propers anys s'assoleixi aquest objectiu, catapultant a Stephen W. Hawking cap al Premi Nobel de Física.

Figura extreta de l'article de Lisa Grossman, "Black-hole làser edges closer to testing Hawking," New Scientist, 10 October 2012.

Daniele Faccio (Univ. Heriot-Watt, Edimburg), autor principal de l'article de F. Belgiorno, continua tractant de convèncer a tothom que la seva observació de la radiació de Hawking és correcta. Per això, Faccio i els seus col·legues han proposat el làser de forats negres òptics, que només pot funcionar si la predicció de Hawking és correcta, el que significa que si el seu laboratori (o algun altre) aconsegueix fabricar aquest tipus de làser s'haurà demostrat l'existència de la radiació de Hawking fora de tot dubte.

La idea és simple. S'envia un pols de llum a través d'un material òptic no lineal, en què l'índex de refracció depèn de la intensitat de la llum, de manera que entre els fronts del pols l'índex de refracció del material creix (és a dir, la velocitat de la llum en aquesta regió del material és més petita que fos del pols òptic). Gràcies a això es creen dos anàlegs òptics a sengles horitzons de successos. D'un forat negre en el front davanter, on la llum no pot escapar ja que es mou més lentament que a l'altre costat del front, i a un forat blanc al front del darrere, on la llum no pot penetrar per la mateixa raó d'abans. Introduint fotons de forma transversal al pols, s'aconsegueix que quedin tancats a la cavitat òptica efectiva formada pels horitzons de successos dels forats negre i blanc. La ressonància d'aquests fotons en la cavitat (els seus rebots entre tots dos horitzons de successos) permet l'amplificació de la llum si hi ha un mecanisme d'emissió estimulada. Aquest mecanisme seria la radiació de Hawking. La llum del làser s'emet quan el procés d'amplificació supera cert llindar.
Per tant, si Faccio i els seus col·legues, o altres investigadors, aconsegueixen fabricar un làser de forats negres òptics, s'haurà demostrat que la radiació de Hawking existeix i que el concepte d'horitzó de successos utilitzant la velocitat de fase funciona. Òbviament, la proposta teòrica sembla atractiva, però l'important és aconseguir dur a terme l'experiment en un laboratori.

Font: NAUKAS