سیاه چاله آزمایشگاهی گواهی بر درستی تابش هاوکینگ
تابش هاوکینگ که در سال ۱۹۷۴ توسط استفان هاوکینگ مطرح شد، مقادیر کمی از تابش‌های با سطح انرژی بالا را توصیف می‌کند که از لحاظ تئوری قادر به گریز از جاذبه‌‌ی سیاهچاله هستند. این فرضیه فراتر از باور مرسوم است که بر اساس آن هیچ چیزی حتی نور قادر به گریز از سیاهچاله نیست و اکنون برای نخستین‌بار، فیزیک‌دانان قادر به مشاهده‌ی تابش هاوکینگ در یک سیاه‌چاله‌ی شبیه‌سازی شده، شده‌اند.
لازم به ذکر است که برای اثبات فرضیه‌ی هاوکینگ، باید تابش هاوکینگ را در مجاورت یک سیاه‌چاله‌ی واقعی مشاهده کنیم، اما فناوری کنونی چنین اجازه‌ای را به ما نمی‌دهد. در عوض فیزیک‌دانان نظریه‌های خود را در سیاه‌چاله‌هایی آزمایش می‌کنند که در فضای آزمایشگاهی و بر مبنای نور و صوت ایجاد شده‌اند. این سیاهچالههای آکوستیک یا به اصطلاح «صامت» که در دهه‌ی ۸۰ میلادی مطرح شده و در سال ۲۰۰۹ ساخته شده‌اند، با خنک‌سازی اتم‌های روبیدیوم تا چند میلیاردم کلوین بالاتر از صفر مطلق، شکل گرفته‌اند. در این مرحله اتم‌ها وارد یک حالت کوانتوم می‌شوند، به گونه‌ای که آنها نقش کلون یکدیگر را ایفا کرده و در جهت ایجاد یک ابرذره یا موج به نام چگالش بوز - اینشتین، به حالت توده در می‌آیند.
پژوهش‌های گذشته نشان می‌دهد که این سیاهچالههای آکوستیک که به تعدادی آینه، لیزر، لنز و کویل‌های مغناطیسی نیز نیاز دارند، رفتار یک سیاه‌چاله‌ی واقعی را از چند طریق بسیار مهم بازسازی می‌کنند و از همین رو به عنوان یک جایگزین مناسب شناخته می‌شوند.
جف استاین‌هاور، فیزیک‌دان تخنیون - دانشگاه صنعتی اسرائیل، به مدت هفت سال بر روی سیاه‌چاله‌ی آکوستیک خود کار کرده است و به اندازه‌ای آن را تکمیل کرده است که اکنون می‌تواند به دقت رفتار ذرات را در لبه یا افق رویداد سیاه‌چاله‌ی خود شبیه‌سازی کند. او پس از ۴۶۰۰ بار تکرار آزمایش، آنچه که مشاهده کرد، دقیقا با پیش‌بینی‌های هاوکینگ مطابقت داشت: جفت‌هایی از فونون (بسته‌های انرژی صوتی)، به صورت همزمان شروع به آشکار شدن در افق رویداد کردند، این روند، قبل از آنکه یکی از آنها از داخل سیاهچاله به فضای شبیه‌سازی شده رانده شده و دیگری به داخل سیاهچاله سقوط کند، آغاز می‌شود.
لازم به ذکر است که فرضیه‌ی تابش هاوکینگ در قالب یک مسئله در فیزیک نظری با نام پارادوکس اطلاعات سیاهچاله مطرح شده است. بر اساس فرضیه‌ی تابش هاوکینگ، جهان از ذرات مجازی درهم‌تنیده‌ای پر شده است که به صورت لحظه‌ای به وجود آمده و از بین می‌روند و همدگیر را به محض تماس با یکدیگر نابود می‌کنند. این روند تنها در مواقعی که ذرات یاد شده در طرفین افق رویداد سیاهچاله قرار می‌گیرند، رخ نمی‌دهد. در این حالت یکی از ذرات به داخل فرو می‌رود و دیگری به داخل فضا ساطع می‌شود. به لطف جذب انرژی توسط این تشعشع، سیاهچاله در طول زمان جرم خود را از دست می‌دهد و به تدریج تبخیر شده و از بین می‌رود و بنابراین اطلاعات تمام چیزهایی را که بلعیده نیز با خود می‌برد.
اما پارادوکس یاد شده این گونه مطرح می‌شود که بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، هر ماده‌ای که از افق رویداد سیاهچاله گذر می‌کند، برای همیشه بلعیده می‌شود و امکان بازگشت آن وجود ندارد. اما با توجه به درک ما از مکانیک کوانتومی، اطلاعات ماده‌ی بلعیده شده، هیچ‌گاه به طور کامل از بین نمی‌رود، کدام یک از این موارد صحت دارد؟ اوایل سال جای، هاوکینگ راهکاری را برای پارادوکس اطلاعات منتشر کرد، اما راهکار یاد شده تمام فعالان این حوزه را قانع نکرد، اما این راهکار پیشنهاد می‌دهد که سیاه‌چاله‌ها احتمالا هاله‌ای از "پرزهای نرم" در مجاورت خود دارند که آنها را قادر به ذخیره‌ی اطلاعات می‌کند، بنابراین تمام اطلاعات از بین نمی‌رود.
استین‌هاور و همکارانش پس از اجرای آزمایش سیاه‌چاله‌ی آکوستیک خود به مدت ۶ شش روز، تصاویری از BEC ثبت کرده و نشان دادند که فونون‌های در حال گریز با نمونه‌های در حال سقوط، در هم‌تنیده هستند.
استین‌هاور می‌گوید:
ما مشاهده کردیم که جفت‌های با سطح انرژی بالا، در هم‌تنیده‌اند اما نمونه‌های با سطح انرژی پایین این گونه نبودند. ما یک توزیع حرارتی از تابش هاوکینگ را مشاهده کردیم که توسط نوسان‌های خلاء کوانتومی تحریک شده و از یک سیاه‌چاله‌ی قیاس‌پذیر ساطع شده‌اند. این موضوع پیش‌بینی‌های هاوکینگ در ارتباط با ترمودینایک سیاه‌چاله‌ها را تایید می‌کند.
استین‌هاور اضافه می‌کند ذراتی که افق رویداد را تحریک می‌کنند، انرژی بسیار زیادی را تولید می‌کنند. این شبیه‌سازی بحث دیوار آتش را نیز پشتیبانی می‌کند، بر اساس این فرضیه شکستن درهم‌تنیدگی بین ذرات هاوکینگ و جفت آنها، انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک دیوار آتش حقیقی در لبه‌ی سیاهچاله را فراهم می‌کند.
برای اثبات درستی نتایج، آزمایشات باید چندین بار تکرار شوند، چرا که برخی در خصوص واقعی بودن BEC ساخته شده دچار تردید هستند، صرف مشاهده‌ی مستقیم موارد یاد شده از یک سیاه‌چاله‌ی واقعی می‌تواند جایزه‌ی نوبل را عاید هاوکینگ کند. اما واقعا ممکن است که استین‌هاور و تیم تحت سرپرستی او به نتایج خوبی دست یافته باشند.
استفن فیرهرست، پروفسور دانشکده‌ی فیزیک و نجوم دانشگاه کاردیف (او در این پژوهش دست نداشته است) می‌گوید:
شما در حال کاوش قابلیتی از گرانش هستید که آزمایش و کاوش آن با سیاهه‌چاله‌ی واقعی بسیار دشوار است. در حال حاضر در خصوص اینکه این موارد چگونه می‌توانند در درک ما از گرانش کوانتومی تاثیر بگذارند، اطمینان ندارم، اما یقینا چگونگی انتقال آن به نسبیت، هدف بعدی خواهد بود.
گفتنی است که این پژوهش در ژورنال Nature Physics منتشر شده است.
نظرات