Scientific Information

زندگي تكثير ثروتی است كه نامش محبت است

فریاد هاوکینگ از سیاه‌چاله شنیده می‌شود؟
ساعت ۳:٥٢ ‎ب.ظ روز چهارشنبه ٢۸ امرداد ۱۳۸۸  

محققان موفق شده‌اند با استفاده از چگالش بوز-اینشتین، سیاه‌چاله‌ای برای امواج صوتی ایجاد کنند و با کمک آن به آزمون دقیق‌تر تئوری تابش هاوکینگ بپردازند.

به گزارش نیوساینتیست، این سیاه‌چاله مصنوعی که به جای نور، صوت را به دام می‌اندازد، با هدف اثبات نظریه تابش هاوکینگ توسط دانشمندان طراحی و ساخته شده است. تئوری تابش که حدود 30 سال پیش توسط استیفن هاوکینگ، فیزیکدان نامی انگلیسی مطرح شده، توضیح می‌دهد سیاه‌چاله‌ها نه کاملا سیاه، که خاکستری‌اند و مقداری انرژی از آنها تبخیر می‌شود. هاوکینگ پیش‌بینی کرد میلیاردها سال قبل که جهان تازه به وجود آمده بود، ریزسیاه‌چاله‌هایی نیز تشکیل شدند که از آن زمان تاکنون تبخیر شده‌اند و اکنون باید در آستانه انفجار باشند.

سیاه‌چاله‌ها وقتی به وجود می‌آیند که ماده به‌قدری متراکم شود تا هیچ‌چیز نتواند از گرانش قدرتمند آن بگریزد. در این شرایط که به نقطه تکینی موسوم است، گرانش آن‌قدر عظیم است که حتی نور نمی‌تواند از مرزهای این جسم که افق رویداد نامیده می‌شود، عبور کند. گویی این جسم به چاله‌ای تاریک تبدیل شده که هیچ چیز از آن نمی‌تواند بیرون بیاید.

اما فیزیکدانان توانسته‌اند سیاه‌چاله‌ای با این خصوصیات را برای به دام انداختن صدا ایجاد کنند. آنها با استفاده از حالت خاصی از ماده به سرعتی بالاتر از سرعت متوسط صوت دست یافته‌اند و به‌وسیله آن، تله‌ای برای امواج صوتی ایجاد کرده‌اند. برای درک بهتر محیط این دام، ماهی‌ای را در نظر بگیرید که می‌خواهد در رودخانه‌ای پرشتاب شنا کند. صدا هم مانند این ماهی، میان جریان طوفان‌وار افق رویداد به دام خواهد افتاد.

حالت کوانتومی


علم فیزیک برای تولید این سیاه‌چاله‌ها از حالت خاصی از ماده که چگالش بوز- اینشتین نامیده می‌شود، بهره می‌گیرد. این حالت کوانتومی از ماده که معمولا حالت پنجم ماده نامیده می‌شود، در دماهای بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق (حدود 273 درجه سانتی‌گراد زیر صفر) اتفاق می‌افتد و طی آن، مجموعه اتمها مانند یک اتم واحد رفتار می‌کنند.

اریک کرنل از دانشگاه کلرادو که همراه با دو دانشمند دیگر، جایزه نوبل فیزیک 2001 / 1380 را برای گسترش چگالش بوز -اینشتین بدست آورد؛ در این‌باره می‌گوید: «این مواد به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که ذرات آنها سرعت حرکتی مافوق صوت دارند، به همین دلیل فیزیکدانان برای ایجاد سیاه‌چاله صوتی به سراغ آنها رفته‌اند».

محققان ابتدا حدود 100 هزار اتم روبیدیوم باردار را تا دمای چند میلیاردیم بالای صفر مطلق سرد کرد و آنها را درون یک میدان مغناطیسی به‌دام انداخت. سپس با استفاده از پرتوی لیزر، یک چاه پتانسیل الکتریکی ایجاد کردند تا اتم‌ها را جذب کند و باعث شود در اطراف آن، سرعتی بالاتر از سرعت صوت در ماده داشته باشد.

این مرحله جریان مافوق صوتی را ایجاد می‌کند که حدود 8 هزارم ثانیه دوام می‌آورد و به صورت موقت، سیاه‌چاله‌ای صوتی را به وجود می‌آورد که قادر است، صدا را در میان بگیرد و به آن اجازه عبور ندهد. نتیجه چنین آزمونی می‌تواند بسیار جالب توجه باشد و به شناخت بهتر تابش هاوکینگ منتهی شود.

تابش هاوکینگ


مکانیک کوانتوم می‌گوید جفت ذره‌ها به خودی خود می‌توانند حتی در فضای خالی نیز وجود داشته باشند. این جفتها که از یک ذره و پادذره تشکیل شده‌اند، برای لحظه‌ای بسیار‌کوتاه به وجود می‌آیند، سپس یکدیگر را خنثی می‌کنند و ناپدید می‌شوند.

اما در دهه 1970 / 1350، هاوکینگ نظریه جدیدی را مطرح کرد. مطابق نظر او اگر این جفت نزدیک به لبه سیاه‌چاله به‌وجود آمده باشند، امکان دارد یکی از این ذرات پیش از خنثی کردن دیگری به درون سیاه‌چاله فرو رود و جفت دیگر را بیرون از افق رویداد رها کند. از دید مشاهدهکنندگان، ذره رها‌شده می‌تواند مانند تابشی به‌نظر برسد. در سیاه‌چاله‌های صوتی، تابش هاوکینگ به صورت ذره‌گونه‌هایی از انرژی ارتعاشی به نام فونونها ظهور می‌کند.

آزمون تجربی تئوری تابش هاوکینگ می‌تواند موفقیت بزرگی برای دانش فیزیک به حساب بیاید. شان کرول، اختر‌فیزیک‌دان در‌این‌باره می‌گوید: «هاوکینگ می‌بایست جایزه نوبل را به‌دلیل یکی از کارهایش دریافت می‌کرد، اما این می‌تواند چیزی بیش از انتخاب مسیر درست برای ما باشد. این تئوری بر‌می‌گردد به اصول بنیادی در مکانیک‌کوانتوم که نشان می‌دهد در فضای خمیده حاصل از گرانش، مکانیک‌کوانتوم چگونه عمل می‌کند. علاوه بر آن‌هم از لحاظ ریاضی نیز به درک تورم (انبساط فوق‌العاده سریع جهان بلافاصله پس از انفجار بزرگ) کمک می‌کند. تشخیص تابش هاوکینگ در علم نجوم کار ساده‌ای نیست، چون تابش حاصل از تبخیر سیاه‌چاله‌ها به وسیله منابع پر‌قدرت انرژی مانند تابش زمینه کیهانی محو می‌شود».

استفاده از پالس لیزر


عده‌ای دیگر از محققان در تلاشند با استفاده از پرتوهای نور در آزمایشگاه، رؤیت تابش هاوکینگ را امکان‌پذیر کنند. سال گذشته گروهی تحقیقاتی موفق شد با استفاده از فیبر نوری و این پدیده که طول‌موج‌های متفاوت نور با سرعتهای متفاوت درون آن حرکت می‌کنند، نوعی افق رویداد مصنوعی ایجاد کند.

این گروه با فرستادن پالس نسبتا کند لیزر درون فیبر‌نوری کار را آغاز کرد. این حرکت موجی باعث تغییر خواص نوری فیبر شد. به همین دلیل پالس دوم که با سرعتی بالاتر فرستاده شده بود، پشت افق رویداد حاصل از موج اول گرفتار شد و به شکل مؤثری از حرکت ایستاد.

برخی پژوهشگران معتقدند هنوز ممکن است راهی نجومی برای کشف تابش هاوکینگ وجود داشته باشد؛ چراکه هر قدر سیاه‌چاله‌ها کوچک‌تر باشند، تابش قوی‌تری خواهند داشت. شاید تبخیر سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی که بلافاصله پس از مهبانگ به وجودآمده‌اند، توسط تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی قابل دریافت باشد.