قام الفيزيائيون بصنع ثقب أسود من الضوء لاختبار نظرية الإشعاع المراوغة لستيفن هوكينج

نجح الفيزيائيون في استخلاص التوهج الأكثر شهرة للثقب الأسود من شريط من الألياف الضوئية، ولأول مرة شاهدوا ذلك الضوء يتفاعل مرة أخرى مع الثقب الأسود الذي أنتجه.

تمنح النتيجة الباحثين نظرة عملية نادرة على إشعاع هوكينج، وهو الانبعاث الحراري الخافت الذي توقع ستيفن هوكينج أنه سيتسرب من الثقوب السوداء – ويقدم أول دليل حول الدفعة الصغيرة التي يمكن، من حيث المبدأ، أن تجعل الثقب الأسود الحقيقي يتبخر ببطء، حسبما قال فريق البحث في دراسة جديدة.

من خلال تجربة منضدية في الألياف الضوئية، اكتشف الفريق الدولي كلاً من الإشعاع و”رد الفعل الخلفي” الذي طال انتظاره – الطريقة التي يغذي بها الإشعاع الطاقة ويعيد تشكيل الجسم الذي أنشأها.

أحدث مقاطع الفيديو من

وفقا للدراسة الجديدة، التي نشرت في 1 يوليو في مجلة الطبيعة، يتصرف الضوء تمامًا كما تنبأ هوكينج: مثل توهج جسم دافئ، مع درجة حرارة محددة وطيف يتلاشى بشكل مطرد نحو ترددات أعلى. لقد فعلت ذلك حتى في نظام يجب أن ينهار فيه الوصف المعتاد للثقب الأسود.

حيث تتصادم ثلاث نظريات عظيمة

يشتهر إشعاع هوكينج لأنه يقع على مفترق طرق الفيزياء“أكبر الأفكار.

“توقع جاكوب بيكنشتاين أن الثقوب السوداء لها إنتروبيا ودرجة حرارة، وقام هوكينج بحساب الإشعاع الحراري للثقب الأسود”، المؤلف المشارك في الدراسة. أولف ليونهارتوقال عالم الفيزياء في معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل لموقع Live Science عبر البريد الإلكتروني. “في إشعاع هوكينج-بيكنشتاين، تجتمع فيزياء الكم والنسبية العامة والديناميكا الحرارية معًا – وهي موضوعات تتعارض عادةً مع بعضها البعض.”

الصراع عميق: النسبية العامة صور المكان والزمان على نحو سلس ومستمر، في حين ميكانيكا الكم يصف عالمًا من القفزات المنفصلة التي لا يمكن التنبؤ بها، ولم يتمكن أحد من التوفيق بين الاثنين بشكل كامل.

هذا المزيج هو بالضبط ما يجعل دراسة إشعاع هوكينج صعبة للغاية. لم يسبق للفلكيين رؤية إشعاع هوكينغ الصادر عن ثقب أسود حقيقي، وربما لن يشاهدوه أبدًا؛ التوهج خافت جدًا بحيث لا يمكن تمييزه عبر الكون. لذا، لجأ الفيزيائيون إلى مختبرات بديلة تلتزم بالمعادلات نفسها، حيث قاموا ببناء نظائرها للثقوب السوداء من الماء المتدفق، والذرات فائقة البرودة، ومن الضوء، كما هو الحال في هذه الدراسة.

بناء ثقب أسود من الضوء

السر وراء كل ثقب أسود مماثل هو وجود وسط متحرك. وأوضح ليوناردت: “تخيل سباحًا في البحر بتيار أسرع من قدرته على السباحة”. “لقد جرف بعيدا. وهذا ما يحدث خارج نطاق (الحدث) الأفقولهذا السبب لا يمكن لأي شيء الهروب من الثقب الأسود في العادة.”

أفق الحدث للثقب الأسود هو الحد الذي يبدأ عنده هذا التيار -الفضاء نفسه، في الحياة الواقعية- بالتحرك بشكل أسرع من أي شيء يمكن أن يسافر إليه. ولإعادة إنشائها، احتاج الفريق إلى مادة تبدو وكأنها تندفع بسرعة الضوء. كان حلهم أنيقًا: استخدم الضوء لصنع “المادة”.

وقال ليونهارت: “في مجال البصريات، نحتاج إلى مادة تبدو وكأنها تتحرك بسرعة الضوء”. “لهذا نستخدم الضوء نفسه – في البصريات غير الخطية، يعمل الضوء كمواد.”

من الناحية العملية، أطلق الباحثون نبضة مكثفة وقصيرة جدًا في ألياف بلورية ضوئية رفيعة، وهي عبارة عن شريط من الزجاج مترابط بنمط من القنوات الهوائية الصغيرة الممتدة على طوله، مما يتيح للباحثين ضبط كيفية تحرك الضوء عبره. أثناء انتقاله، غيّر النبض قليلاً كيفية ثني الزجاج للضوء، مما أدى إلى إنشاء نتوء سرعة متحرك يتسارع معه. ثم اصطدمت نبضة “مسبار” ثانية أضعف بكثير بهذه الجبهة المتحركة. وحيثما لم يعد المسبار قادرًا على الاستمرار، تشكل أفق اصطناعي، وولد الثقب الأسود.

قبض الوهج وصده

وجاءت المكافأة في الأشعة فوق البنفسجية. وفقا للنظرية، يتم إنشاء إشعاع هوكينج في أزواج: يهرب أحد الشريكين، في حين أن الآخر، الذي يحمل طاقة “سلبية”، هو صورة طبق الأصل من شأنها أن تسقط في ثقب أسود حقيقي. وفي الألياف، ظهر هذا الشريك على شكل ضوء فوق بنفسجي.

وأوضح ليوناردت: “لقد أحصينا الفوتونات الموجودة في الأشعة فوق البنفسجية والتي تتوافق مع شركاء هوكينج وراء الأفق”. “لديهم طول موجي يبلغ حوالي 233 نانومتر. وكانت هذه إشارتنا.”

لا يقل أهمية عن رؤية التوهج هو فهم كيفية صنعه. لسنوات عديدة، افترض الباحثون أن الألياف تقوم ببناء إشعاع هوكينج من خلال سلسلة من الخطوات المنفصلة التي يتم فيها تحويل الضوء أولاً إلى شكل وسيط واحد، ثم إلى شكل آخر، حيث يغذي كل منهما الشكل التالي قبل ظهور الإشعاع أخيرًا. وبدلاً من ذلك، وجد الفريق أن تفاعلًا واحدًا مباشرًا يؤدي المهمة، حيث تنتج المضخة وضوء المسبار زوج هوكينج في خطوة واحدة نظيفة. إنها صورة أبسط بكثير، والتي قال الباحثون إنها قد تنتقل إلى نظائرها الأخرى وربما حتى إلى الثقوب السوداء الحقيقية.

ولأن الطاقة يجب أن تأتي من مكان ما، فإن إنتاج إشعاع هوكينج يجب أن يدفع المصدر الذي أنشأها. بالنسبة للثقب الأسود الحقيقي، هذه الدفعة هي الطريقة التي يفقد بها الكتلة كتلته، ثم يتبخر تمامًا على مدى فترات زمنية لا يمكن تصورها، وهي العملية التي وصفها هوكينج في ورقته البحثية التاريخية عام 1974. لم تلتقط أي تجربة هذا الارتداد على الإطلاق.

وهنا رأى الفريق ذلك. يؤدي إنتاج الإشعاع إلى تحويل جزء صغير من ضوء نبض المضخة إلى لون مختلف قليلاً، مما يترك نمطًا غير متوازن في الطيف. إن عدم التماثل هذا، الذي كان غائبًا في التجارب السابقة، هو بصمة رد الفعل الخلفي، أو الارتداد – حيث يدفع الثقب الأسود التناظري بهدوء ثمن الطاقة مقابل توهجه الخاص.

الطريق إلى تجربة الكم

وتتحدث النتيجة أيضًا عن واحدة من أكثر الألغاز الشائكة في فيزياء الثقب الأسود: مشكلة ما وراء بلانك. تتبع إشعاع هوكينج إلى حيث ولد، وتمتد الحسابات إلى منطقة لا يمكن لأي فيزيائي أن يضمنها – مقياس بلانك، وهو الحجم الصغير المتلاشي الذي يُعتقد أن المكان والزمان يفقدان معناهما المألوفين وتكشف عنه جميع الفيزياء المعروفة. وبعبارة أخرى، يبدو أن توقعات هوكينج ترتكز على أساس قد لا يكون موجودا.

وقال ليوناردت: “أي ضوء يبتعد عن الأفق يمتد بشكل هائل”. “لذلك يجب أن تأتي من موجات أصغر من أصغر نطاق في الطبيعة، حيث الفيزياء غير معروفة. هل سيظل ذلك يعطي إشعاع هوكينج؟ كان هذا هو السؤال، وقد أجبنا عليه في تجربتنا.” ومن اللافت للنظر أن التوهج ظل حراريًا تمامًا حتى في هذا النظام المتطرف.

الخطوة التالية للفريق ملموسة. حتى الآن، استخدموا ضوء الليزر العادي، الذي يعيد إنتاج طيف إشعاع هوكينج، ولكن ليس أعمق غرابته الكمومية. وقال ليونهاردت إن الفريق يخطط بعد ذلك للتحول إلى الكم. “سوف نستكشف كيفية الدخول إلى النظام الكمي ومراقبة السمات الكمومية مثل تشابك“- الرابط الشبحي الذي يجب أن يربط كل جسيم هارب من هوكينج بشريكه المفقود.

تعرف على مقدار ما تعرفه عن الثقوب السوداء من خلال موقعنا مسابقة الثقب الأسود!