شبیه سازی “تابش هاوکینگ” در آزمایشگاه!

بیگ بنگ: با استفاده از چگالش بوز-اینشتینِ (BEC) اتم‌های فوق سرد،‌ ‌مشابه آزمایشگاهیِ تابش لیزر از یک سیاهچاله تولید شده است. این کار توسط جف اشتاین‌هاور (Jeff Steinhauer) انجام شده و می‌تواند مدرک محکمی بر وجود «تابش هاوکینگ» باشد.

Artist-Rendering-of-Hawking-Radiation1

به گزارش انجمن فیزیک ایران، هنگامی که سیاهچاله‌های نجومی برای نخستین بار پیشنهاد شدند،‌ فکر می‌شد که آن‌ها کاملا سیاه و بدون مشخصه هستند. اما در سال ۱۹۷۴،‌استیون هاوکینگ نشان داد که نظریه‌ی میدان کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که در اطراف افق رویداد سیاهچاله- نقطه‌ای که حتی نور هم نمی‌تواند از کشش گرانشی سیاهچاله فرار کند- جفت فوتون‌های به وجود می‌آیند. فوتونِ داخلِ افق «انرژی منفی» دارد و به درون می‌افتد. فوتونِ دیگر،‌ که انرژی مثبت دارد، فرار می‌کند. به این ترتیب،‌سیاهچاله باید تابش داشته باشد.

جیمز انگلین (James Anglin) از دانشگاه کایزرس لاترن در آلمان توضیح می‌دهد که چنین ایده‌ای شگفت انگیز است زیرا پیشنهاد می‌دهد که سیاهچاله‌ها مانند جسم سیاه با دمای معین رفتار می‌کنند. هاوکینگ همچنین نشان داد که،‌ در هندسه‌ی فضا-زمان،‌ سیاهچاله‌ها را می توان با سه مشخصه کاملاً تعریف کرد. به نظر می‌رسید این دو نتیجه حاکی از آن است که اصول بنیادی ترمودینامیک، که در آن دما به صورت میانگین انرژی در تعداد زیادی درجه‌ی آزادی تعریف می شود، نیاز به بازبینی دارند. انگلین می گوید، «تصور اینکه چطور چیزی که فقط سه عدد را به همراه اسمش دارد می تواند احتمالاً دما داشته باشد بسیار سخت بود. موضوع بالقوه به بازتعریف ترمودینامیک از طریق همراه کردنش با نسبیت عام و مکانیک کوانتومی مربوط می‌شد و همه را به هیجان آورد!». اما مسئله اینجاست که «دمای» همه‌ی سیاهچاله‌های شناخته شده کمتر از دمای تابش زمینه‌ی کیهانی خواهد بود که آشکار‌سازی چنین تابشی را در عمل ناممکن می‌کند.

سیال‌های در حال شارش

در سال ۱۹۸۱،‌ ویلیام آنروه (William Unruh) از دانشگاه بریتیش کلمبیا نشان داد که معادلاتی که تابش هاوکینگ را پیش‌بینی می‌کنند باید در مورد امواج صوتی در شارش سیالات هم صادق باشند. اکنون، جف اشتاین‌هاور از چگالش بوز-اینشتینِ استفاده کرده است تا سیاهچاله‌ای را با دو افق شبیه‌سازی کند- یکی افق رویدادِ‌ اصلی و دیگری «افق داخلی». در کیهان‌شناسی،‌ این حالت وقتی می‌تواند رخ دهد که سیاهچاله در حال چرخش بوده یا بار داشته باشد. فوتون‌هایی که به درون سیاهچاله می افتند نمی توانند از افق داخلی عبور کنند،‌ پس بازتاب شده و به سمت افق رویداد اصلی بر‌می‌گردند- گرچه این پیشنهاد جای بحث دارد زیرا برای وقوع چنین اتفاقی فوتون‌ها باید با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کنند.

چون فوتون‌ها قادر نیستند از افق رویداد بگریزند،‌ بین دو افق رفت و برگشت کرده و یک موج ایستا را شکل خواهند داد. و در همین حال که به جلو و عقب می جهند،‌ انرژیشان نیز به طور افزاینده‌ای منفی می‌شود. به جهت بقای انرژی در مقدار صفر، ‌انرژی مثبت به شکل نوری تک بسامد با شدتی که تا ابد افزایش می‌یابد به خارج از افق رویداد ساطع شده و یک «لیزر سیاهچاله‌ای» می سازد.

در افق: چگالش بوز-اینشتینِ مانند یک سیاهچاله لیز تابش می کند

در افق: چگالش بوز-اینشتینِ مانند یک سیاهچاله لیز تابش می کند

سناریوی شبیه‌سازی اشتاین‌هاور بر این اصل تکیه دارد که برای امواج با طول موج نسبتاً‌ بلند، سرعت صوت در  چگالش بوز-اینشتینِ کمتر از mms-1 1 است. اما صوت با طول موج‌های کوتاه می‌تواند سریع‌تر از این مقدار حرکت کند. او چگالش بوز-اینشتینِ را- اتم‌های روبیدیوم که تا خیلی پایین‌‌تر‌‌ از دمای ۱ کلوین سرد شده و همه در یک حالت کوانتومی قرار دارند- با استفاده از یک پرتوی متمرکز شده‌ی لیزر، درون لوله‌ی بلندی قرار داد. آنگاه اجازه داد که این  چگالش بوز-اینشتینِ در یک جهت شارش پیدا کند و آهنگ شارش را طوری کنترل کرد که در ناحیه‌ی بخصوصی از لوله چگالیده‌ سریع تر از سرعت موضعی صوت حرکت کند، در حالی که در اطراف این ناحیه آهنگ شارش در حد فروصوت باشد.

ناحیه‌ی فراصوت

در ناحیه‌ی فراصوت، فقط امواج صوتی با طول موج‌ خیلی کوتاه می‌توانند خلافِ جهتِ شارش منتشر شوند. به این ترتیب،‌ مدهایی با انرژی منفی تولید می‌شوند که نمی‌توانند از ناحیه‌ی فراصوت خارج شوند. چنین مدهایی به جلو و عقب می‌جهند و طرح موج ایستا را در چگالش بوز-اینشتینِ شکل می‌دهند که دامنه‌اش به مرور افزایش می‌یابد. در یک طرف ناحیه‌ی فراصوت، امواج صوتی کم فرکانس منتشر شده و دامنه‌ی آن‌ها تدریجاً زیاد می‌شود. طبق نظر اشتاین‌هاور، این امواج مشابه با تابشی هستند که در خارج از افقِ رویدادِ سیاهچاله تولید می‌شوند. گرچه این سیستم یک سیاهچاله‌ی واقعی نیست اما اشتاین‌هاور می گوید آزمایش «نشان می‌دهد که مکانیسم هاوکینگ کار می کند. اگر همین مکانیسم در یک سیستم کار کند، پس احتمالاً باید در سیستم دیگر هم جواب بدهد».

ریناد پارنتانی (Renaud Parentani) متخصص سیستم‌های شبیه به سیاهچاله در دانشگاهِ de Paris-Sud هم تحت تاثیر قرار گرفته است. او می گوید،‌«دیدن اثر لیز،‌در واقع مشاهده‌ای غیر مستقیم- اما تقریباً سرراست- از اثر هاوکینگ است. زیرا لازم است اثر هاوکینگ وجود داشته باشد تا عمل لیز اتفاق بیفتد». اگرچه،‌ مدل اشتاین‌هاور به جای جسم سیاه پایدار و تابش کننده‌ای که هاوکینگ پیش‌بینی کرده بود، به سیاهچاله‌ای ناپایدار و منفجر شونده منجر می شود. انگلین امیدوار است که آزمایش‌های بعدی یا تابش جسم سیاه هاوکینگ را بازسازی کنند یا دیدگاه‌هایی کلیدی در مورد اینکه چرا نمی‌توان آن را شبیه سازی کرد به دست بدهند. به گفته‌ی انگلین،‌ «در این راستا، تحقیق حاضر یکی از بزرگترین پیشرفت‌ها در مطالعات مربوط به تابش هاوکینگ است که از آغاز تاکنون انجام شده است». این پژوهش در Nature Physics به چاپ رسیده است.

ترجمه: مریم ذوقی/ منبع: physicsworld

image_pdfimage_print
(10 نفر , میانگین : 4٫40 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=20610

سمیر الله وردی

کارشناس عمران، علاقمند به نجوم، کیهان شناسی، فیزیک و تکنولوژی های جدید می باشد و بعنوان نویسنده علمی- نجومی در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *