في عام 1974 ، افترض ستيفن هوكينج أن أحلك الجاذبية في الكون ، الثقوب السوداء ، لم تكن النجم الأسود الحالك الذي يتخيله علماء الفلك ، لكنها بعثت الضوء تلقائيًا – وهي ظاهرة يطلق عليها الآن اسم إشعاع هوكينغ.
تكمن المشكلة في أنه لم يلاحظ أي فلكي على الإطلاق إشعاع هوكينغ الغامض ، ولأنه من المتوقع أن يكون خافتًا للغاية ، فقد لا يفعلون ذلك أبدًا. وهذا هو السبب في أن العلماء اليوم يصنعون بأنفسهم الثقوب السوداء.
هذا بالضبط ما فعله الباحثون في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا. لقد صنعوا نظيرًا للثقب الأسود من بين بضعة آلاف ذرات. كانوا يحاولون تأكيد اثنين من أهم تنبؤات هوكينغ ، أن إشعاع هوكينغ ينشأ من لا شيء وأنه لا يتغير في شدته بمرور الوقت ، مما يعني أنه ثابت.
“من المفترض أن يشع الثقب الأسود مثل الجسم الأسود ، وهو في الأساس جسم دافئ ينبعث منه ثابت الأشعة تحت الحمراء، “المؤلف المشارك للدراسة جيف ستينهاور ، أستاذ الفيزياء المشارك في التخنيون-معهد إسرائيل للتكنولوجيا ، قال في بيان. “اقترح هوكينج أن الثقوب السوداء تشبه النجوم العادية تمامًا ، والتي تشع نوعًا معينًا من الإشعاع طوال الوقت ، باستمرار. هذا ما أردنا تأكيده في دراستنا ، وقد فعلناه.”
متعلق ب: أغرب 12 كائنًا في الكون
أفق الحدث
ال الجاذبية من الثقب الأسود قوي جدًا لدرجة أنه لا يمكن حتى للضوء الإفلات من قبضته ، بمجرد أن يتخطى الفوتون أو الجسيم الضوئي نقطة اللاعودة ، والتي تسمى أفق الحدث. للهروب من هذه الحدود ، على الجسيم أن يخالف قوانين الفيزياء والسفر أسرع من سرعة الضوء.
أظهر هوكينج أنه على الرغم من أنه لا شيء يمكن أن يفلت من أفق الحدث ، لا يزال بإمكان الثقوب السوداء أن تبعث الضوء تلقائيًا من الحدود ، وذلك بفضل ميكانيكا الكم وشيء يسمى “الجسيمات الافتراضية”.
كما أوضحها Heisenberg مبدأ عدم اليقين، حتى الفراغ الكامل للفضاء يعج بأزواج من الجسيمات “الافتراضية” التي تظهر وتختفي من الوجود. عادة ما تدمر هذه الجسيمات العابرة ذات الطاقات المعاكسة بعضها البعض على الفور تقريبًا. ولكن بسبب الجاذبية الشديدة في أفق الحدث ، اقترح هوكينج أنه يمكن فصل أزواج من الفوتونات ، بحيث يمتص الثقب الأسود أحد الجسيمات ويهرب الآخر إلى الفضاء. يمتلك الفوتون الممتص طاقة سالبة ويطرح طاقة في شكل كتلة من الثقب الأسود ، بينما يصبح الفوتون المنفلت من إشعاع هوكينغ. من هذا وحده ، بالنظر إلى الوقت الكافي (أطول بكثير من عمر الكون) ، يمكن للثقب الأسود أن يتبخر تمامًا.
“كانت نظرية هوكينغ ثورية لأنه جمع فيزياء نظرية المجال الكمومي بالعام النسبية، “نظرية أينشتاين التي تصف كيفية تشوه المادة وقت فراغ، قال Steinhauer لـ Live Science. “لا يزال يساعد الناس في البحث عن قوانين جديدة للفيزياء من خلال دراسة الجمع بين هاتين النظريتين في مثال مادي. يرغب الناس في التحقق من هذا الإشعاع الكمي ، لكن من الصعب جدًا وجود ثقب أسود حقيقي لأن إشعاع هوكينغ ضعيف جدًا مقارنة إلى إشعاع الخلفية للفضاء “.
ألهمت هذه المشكلة شتاينهاور وزملائه لخلق ثقب أسود خاص بهم – وهو أكثر أمانًا وأصغر بكثير من الثقوب الحقيقية.
ثقب أسود DIY
تم تكوين الثقب الأسود المختبري للباحثين من غاز متدفق يبلغ حوالي 8000 الروبيديوم تم تبريد الذرات إلى الصفر المطلق تقريبًا وتثبيتها في مكانها بواسطة شعاع ليزر. لقد خلقوا حالة غامضة للمادة ، والمعروفة باسم مكثف بوز-أينشتاين (BEC) ، والذي يسمح لآلاف الذرات بالعمل معًا في انسجام تام كما لو كانت واحدة ذرة.
باستخدام شعاع ليزر ثانٍ ، أنشأ الفريق منحدرًا من الطاقة الكامنة، مما تسبب في تدفق الغاز مثل اندفاع الماء إلى أسفل شلال ، وبالتالي خلق أفق حدث حيث كان نصف الغاز يتدفق أسرع من سرعة الصوت، النصف الآخر أبطأ. في هذه التجربة ، كان الفريق يبحث عن أزواج من الفونونات ، أو موجات صوتية كمومية ، بدلاً من أزواج من الفوتونات ، تتشكل تلقائيًا في الغاز.
وأوضح شتاينهاور أن الفونون الموجود في النصف الأبطأ يمكن أن ينتقل عكس تدفق الغاز بعيدًا عن الجرف ، بينما يصبح الفونون في النصف الأسرع محاصرًا بسرعة الغاز المتدفق الأسرع من الصوت. “إنها مثل محاولة السباحة ضد تيار أسرع مما يمكنك السباحة. [That’s] تمامًا مثل التواجد في ثقب أسود ، بمجرد دخولك ، من المستحيل الوصول إلى الأفق “.
بمجرد العثور على أزواج الفونون هذه ، كان على الباحثين تأكيد ما إذا كانت مترابطة وما إذا ظل إشعاع هوكينغ ثابتًا بمرور الوقت (إذا كان ثابتًا). كانت هذه العملية صعبة لأنه في كل مرة يلتقطون فيها صورة للثقب الأسود ، يتم تدميرها بسبب الحرارة الناتجة عن هذه العملية. لذلك كرر الفريق تجربتهم 97000 مرة ، واستغرقوا أكثر من 124 يومًا من القياسات المستمرة من أجل إيجاد الارتباطات. في النهاية ، أتى صبرهم ثماره.
وقال شتاينهاور “أظهرنا أن إشعاع هوكينج كان ثابتًا ، مما يعني أنه لم يتغير بمرور الوقت ، وهو بالضبط ما تنبأ به هوكينج”.
قام الباحثون بتفصيل النتائج التي توصلوا إليها في 4 يناير في المجلة فيزياء الطبيعة.
نُشر في الأصل على Live Science.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”