بیگ بنگ: یکی از چیزهایی که تقریباً همه درباره سیاهچالهها میدانیم این است که هیچ چیز از چنگال گرانش بیرحم آنها نمیتواند فرار کند.
به گزارش بیگ بنگ، این گزاره تقریباً درست است؛ اما از دهه ۱۹۷۰، فیزیکدانان پیشبینی کردهاند که سیاهچالهها میتوانند بهآرامی و در قالب تابش گرمایی انرژی خود را از دست بدهند. این پدیده با نام تابش هاوکینگ (Hawking Radiation) شناخته میشود. اگرچه دانشمندان پیش از این توانستهاند نمونههای آزمایشگاهی مشابه آن را ایجاد کنند، اما سازوکاری که طی آن این تابش انرژی را از سیاهچاله خارج میکند ــ فرایندی که «واکنشِ برگشتی» (Backreaction) نام دارد ــ همچنان یکی از معماهای حلنشده فیزیک بود.
اکنون گروهی از فیزیکدانان به سرپرستی لورنزو پروکوپیو از دانشگاه پادربورن آلمان موفق شدهاند در یک شبیهساز سیاهچاله که بهطرز جالبی از نور ساخته شده است، نمونهای از همین واکنش برگشتی تابش هاوکینگ را مشاهده کنند. “پروکوپیو” میگوید: «این یافته، درک نظری این پدیده را بسیار سادهتر میکند و راههای جدیدی برای محاسبه اثرات آن در چنین سامانههایی در اختیار ما قرار میدهد. شاید حتی بتواند روشن کند که تابش هاوکینگ در چارچوب گرانش چگونه به وجود میآید.»
سیاهچالهها از عجیبترین و افراطیترین اجرام شناختهشده در کیهان هستند. چگالی آنها آنقدر زیاد است که اگر بیش از حد به آنها نزدیک شوید، هیچ راه فراری از گرانششان وجود ندارد. برای درک بهتر، موشکی را تصور کنید که از زمین پرتاب میشود. این موشک باید به سرعت مشخصی برسد که سرعت فرار نام دارد تا بتواند از گرانش زمین رهایی پیدا کند.
اما در مورد سیاهچالهها، هیچ چیز در جهان نمیتواند به چنین سرعتی برسد؛ حتی نور نیز توان گریز ندارد. مرزی که از آن به بعد حتی نور هم دیگر قادر به فرار نیست، افق رویداد (Event Horizon) نامیده میشود.
“استیون هاوکینگ” نخستینبار در سال ۱۹۷۴ پیشبینی کرد که بر اثر اثرات کوانتومی در نزدیکی افق رویداد سیاهچاله، نوعی تابش گرمایی یا تابش جسم سیاه تولید میشود. این پیشبینی امروزه یکی از نتایج پذیرفتهشده نظریه میدانهای کوانتومی در فضازمان خمیده است. اما هنوز یک پرسش اساسی بیپاسخ مانده است: انرژی دقیقاً چگونه از خود سیاهچاله به این تابش منتقل میشود؟
مشکل اصلی همان چیزی است که همیشه درباره سیاهچالهها وجود دارد: مشاهده مستقیم تابش هاوکینگ با فناوری کنونی تقریباً غیرممکن است. در واقع انتظار میرود این تابش آنقدر ضعیف باشد که شاید هرگز نتوان آن را از تابشهای پسزمینهای که سراسر جهان را پر کردهاند، تشخیص داد.
به همین دلیل، پژوهشگران به جای مطالعه مستقیم سیاهچالهها، سامانههایی در آزمایشگاه میسازند که قوانین فیزیکی مشابهی را دنبال میکنند. برخی از این شبیهسازها بسیار سادهاند؛ مثلاً گردابی که هنگام خروج آب از یک چاهک یا سینک ایجاد میشود و جریان فضا-زمان اطراف سیاهچاله را تقلید میکند. برخی دیگر از چگالشهای فوقسرد بوز-اینشتین یا زنجیرههایی از اتمها استفاده میکنند تا رفتار افق رویداد را بازسازی کنند.
شبیهسازی مورد استفاده در این پژوهش، بیش از ده سال پیش توسط یکی از نویسندگان مقاله، “اولف لئونهاردت” از موسسه علوم وایزمن طراحی شده بود. در این سامانه، پالسهای فوقسریع لیزر از داخل یک فیبر نوری ویژه عبور میکنند. یکی از این پالسها ویژگیهای نوری فیبر را اندکی تغییر میدهد و در نتیجه برای پالس دوم، شرایطی شبیه افق رویداد یک سیاهچاله ایجاد میشود.
در آزمایشهای قبلی با همین سامانه، دانشمندان موفق شده بودند تابش هاوکینگ را بازسازی کنند. اما این بار هدف آنها چیز ظریفتری بود: یافتن واکنش برگشتی بسیار کوچکی که نشان میدهد انرژی چگونه از سیاهچاله شبیهسازیشده به تابشی که منتشر میکند منتقل میشود. برای درک بهتر مفهوم “واکنش برگشتی” پژوهشگران مثالی از قوانین آیزاک نیوتن میزنند. فرض کنید شما و دوستتان هر دو روی اسکیت ایستادهاید. اگر دوستتان را هل بدهید، او به جلو حرکت میکند؛ اما خود شما نیز به همان اندازه به عقب رانده میشوید.
این همان قانون سوم نیوتن است: هر کنشی، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. در شبیهساز سیاهچاله نیز اتفاق مشابهی رخ میدهد. وقتی تابش هاوکینگ انرژی را با خود حمل میکند، سامانهای که این تابش را ایجاد کرده نیز باید دقیقاً همان مقدار انرژی را از دست بدهد. تشخیص همین افت بسیار ناچیز انرژی هدف اصلی این آزمایش بود.
وقتی پژوهشگران پالسهای لیزر را از فیبر نوری عبور دادند، در واقع به جای مشاهده خود تابش، به دنبال تغییر بسیار کوچکی در پالس لیزری بودند که تابش هاوکینگ را تولید کرده بود. و آن را پیدا کردند. اما شگفتی اصلی از همینجا آغاز شد. تا پیش از این تصور میشد تابش هاوکینگ در شبیهسازهای سیاهچاله، نتیجه زنجیرهای پیچیده از برهمکنشهای نوری باشد.
اما نتایج جدید نشان میدهد که این تابش احتمالاً از یک فرایند مستقیم و ساده به وجود میآید؛ فرایندی که هم تولید تابش و هم واکنش برگشتی را بهطور طبیعی توضیح میدهد. پژوهشگران در مقاله خود نوشتهاند: «آزمایش ما و نظریه پشتیبان آن نشان میدهد اگر برهمکنش میان تابش و معادل میدان گرانشی از نوع دو درجهای (biquadratic) باشد، تابش هاوکینگ حاصل یک فرایند مستقیم است.»
آنها ادامه میدهند: «شاید سیاهچالههای واقعی نیز از سازوکاری به همین سادگی تابش کنند. در این صورت، واکنش برگشتی میتواند با جزئیات میکروسکوپی توضیح دهد که سیاهچالهها چگونه بهتدریج تبخیر میشوند.»
احتمالاً خیر؛ دستکم نه در آینده قابل پیشبینی. مشاهده همین فرایند در اطراف یک سیاهچاله واقعی همچنان فراتر از توان فناوریهای امروزی است. اما اگر همین سازوکار در انواع دیگر شبیهسازهای سیاهچاله نیز مشاهده شود، شواهد بسیار محکمی به دست خواهد آمد که پژوهشگران واقعاً یکی از بنیادیترین ویژگیهای تابش هاوکینگ را کشف کردهاند.
اگر چنین باشد، این کشف میتواند به حل برخی از پیچیدهترین مسائل فیزیک نظری سیاهچالهها کمک کند. پژوهشگران در پایان مینویسند: «تمام این یافتهها میتواند به روشن شدن پارادوکس اطلاعات سیاهچاله (Black Hole Information Paradox) کمک کند؛ مسئلهای که استیون هاوکینگ تا آخرین مقاله علمی خود در سال ۲۰۱۸ نیز با آن دستوپنجه نرم میکرد.»
این پژوهش، اگرچه هنوز روی یک سیاهچاله واقعی انجام نشده، اما گام مهمی در فهم یکی از اسرارآمیزترین پیشبینیهای فیزیک مدرن به شمار میرود؛ پیشبینیای که میگوید حتی سیاهچالهها نیز جاودانه نیستند و سرانجام، هرچند در بازههای زمانی باورنکردنی طولانی، آهستهآهسته تبخیر خواهند شد. جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله معتبر Nature منتشر شده است.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: sciencealert.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=109757
(1 نفر , میانگین : 5,00 از 5)
