האם חורים שחורים באמת שחורים? מבחן המעבדה תומך בתיאוריה של סטיבן הוקינג

ג

ג'ף סטנהאואר עומד עם מכונה המסוגלת לדמות תנאי חורים שחורים במעבדה. (קרדיט תמונה: ניצן זוהר, דובר הטכניון)





האם חורים שחורים באמת שחורים? ניסוי מעבדה חדש מצביע על 'לא'.

בעזרת חור שחור מדומה העשוי גלי קול, מדענים צפו בתופעה המכונה קרינת הוקינג: פליטת אנרגיה חלשה שנוצרת, בתיאוריה, ממש בקצה אופק האירועים של החור השחור, או הנקודה שמעבר לה אפילו אור אינו יכול לברוח .

אם קרינת הוקינג מגיע מחורים שחורים אסטרופיזיים (לא רק אלה שנוצרו במעבדה), זה אומר שאובייקטים אלה אינם כהים לחלוטין. זה יכול גם לסייע למדענים לפתור פרדוקס הנשקף מחורים שחורים, ואולי לשפוך אור על אחת הבעיות המשמעותיות ביותר העומדות בפני הפיזיקה המודרנית. [החורים השחורים המוזרים ביותר ביקום]



חורים שחורים הם אזורים מוזרים שבהם כוח הכבידה חזק מספיק כדי לכופף אור, לעוות את המרחב ולעוות את הזמן. [ראה כיצד חורים שחורים פועלים באינפוגרפיקה זו של guesswhozoo.com.]

חורים שחורים הם אזורים מוזרים שבהם כוח הכבידה חזק מספיק כדי לכופף אור, לעוות את המרחב ולעוות את הזמן. [ראה כיצד חורים שחורים פועלים באינפוגרפיקה זו של guesswhozoo.com.](אשראי תמונה: קארל טייט, תורם guesswhozoo.com)

ג'ף סטנהאואר, פיזיקאי ניסוי בטכניון - המכון הטכנולוגי בישראל, ומחבר ראשי במחקר החדש, אמר ל- guesswhozoo.com.



לדברי סטנהאואר, חישובים קודמים של הקוסמולוג סטיבן הוקינג (שהמציא את התיאוריה הנושאת את שמו) שילב את התיאוריות של פיזיקה קוונטית וכוח משיכה. הניסוי הנוכחי בודק את החישובים האלה, ומספק את הראיה החזקה הראשונה שהם נכונים, אמר שטיינהאואר.

'חור שחור הוא אמצעי בדיקה לחוקי הפיזיקה,' אמר שטיינהאואר.

שחייה נגד הזרם

יש מושג מסובך בפיזיקה שאומר שזוגות חלקיקים כל הזמן מהבהבים לקיום ברחבי החלל. האחד הוא חלקיק של חומר נורמלי והשני הוא ההפך הגמור שלו, או אנטי חלקיקי, ולכן השניים מחסלים זה את זה, ואין שינוי במאזן האנרגיה של היקום. אלה נקראים חלקיקים וירטואליים. כאשר זה קורה ליד הקצה, או אופק אירועים , של חור שחור, החלקיקים יכולים להימנע מהרס מוחלט; אחד יכול ליפול פנימה בעוד השני בורח.



אבל ההתבוננות באינטראקציות כאלה בטבע נותרה קשה, קרינת הוקינג סביב חור שחור (אם קיים) כה קלושה עד שלא ניתן לראות אותה מכדור הארץ סביב חורים שחורים ידועים (רובם רחוקים מאוד). בנוסף למרחק, ככל הנראה קרינת הוקינג מוצפת מקרינה ממקורות אחרים, אמר שטיינהאואר.

'זה כמעט בלתי אפשרי לראות את הקרינה הקלה הזו מאוד מגיעה מהחור השחור,' אמר.

אותה בעיה חלה במעבדה, שבה כל חום יכול ליצור קרינת רקע המציפה את קרינת הוקינג המיוצרת במעבדה. כדי לחסל את הבעיה, הניסוי של שטיינהאואר רץ בפחות ממיליארד תואר מעל האפס המוחלט.

בחור השחור האנלוגי, שורה של אטומי רובידיום קרים זורמים מלייזר ליצירת צורת חומר הידועה בשם מעובה של בוס-איינשטיין . הגז הקר זורם מהר יותר ממהירות הקול בכיוון אחד, כך שגל קול המנסה ללכת נגד הזרם לא מצליח להתקדם. מבחינה זו, גל הקול הנע יותר הוא כמו חלקיק המנסה להימלט מחור שחור.

'זה כמו לנסות לשחות נגד הנהר,' אמר שטיינהאואר. 'אם הנהר עובר מהר יותר ממה שאתה יכול לשחות, אתה הולך אחורה, למרות שאתה מרגיש שאתה הולך קדימה.'

הניסיון במעלה הזרם מקביל לאור בחור שחור המנסה להימלט, אמר. גלי קול המנסים לנוע קדימה במקום נופלים לאחור. אם שני חלקיקים וירטואליים נוצרו בסמוך לקצה אופק האירוע, חלקיק אחד יכול להיות נצרך על ידי החור השחור (הזרם המהיר), ואילו השני בורח, תוך הימנעות מהרס. החלקיקים הנמלטים נקראים קרינת הוקינג.

שיטה ליצירת חור שחור באמצעות גלי קול הוצעה בשנת 1981, ומאז התקשו מדענים לדמות קרינת הוקינג במעבדה. לפני שנתיים ביצע סטנהאואר ניסוי שמדד את קרינת הוקינג לאחר שמשהו התרסק במכוון אל אופק האירועים של החור השחור האנלוגי. הניסוי החדש הזה נקט יותר בעמדה של לחכות ולראות, וחיכה לזוג החלקיקים-חלקיקים להופיע ללא גירוי חיצוני, יותר כמו מה שקורה במעמקי החלל.

בדיוק כפי שהאקינג הניח תיאור, החור השחור המדומה יורק את החלקיקים הצפויים, סימן לקרינת הוקינג.

'מה שראיתי מעיד על כך שחור שחור אמיתי עשוי לפלוט משהו,' אמר שטיינהאואר.

לממצא החדש יש גם השלכות גדולות יותר על תחום הפיזיקה, אמר. אחת התעלומות הגדולות ביותר בפיזיקה היא מדוע תורת הכבידה של איינשטיין (המתארת ​​אינטראקציות בקנה מידה גדול ביקום) אינה נראית תואמת את מכניקת הקוונטים (המתארת ​​אינטראקציות בקנה מידה קטן מאוד).

'שילוב הכבידה עם הפיזיקה הקוונטית היא אחת המטרות העיקריות של הפיזיקה כיום', אמר שטיינהאואר. 'הוקינג עשה את הצעדים הראשונים לקראת זה'.

החור השחור המדומה בדק את המשוואות של הוקינג.

'החישובים שלו ניבאו שצריך להיות אור מחור שחור,' אמר שטיינהאואר. 'מסתבר שהחישובים שלו היו נכונים'.

לפתור פרדוקס?

תוצאה מסקרנת אחת של החור השחור המלאכותי כללה תובנה לגבי פרדוקס המידע . על פי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, כל מה שחוצה את אופק האירועים של חור שחור נצרך, כולל מידע. כשהחלקיק הנמלט גונב אנרגיה מחור שחור, החפץ המאסיבי יכול להתכווץ עם הזמן, ובסופו של דבר להתאדות לשום דבר. כמובן שההנחה היא שהפסיקה לצרוך חומר בקרבת מקום ובכך אינה מעלה משקל חדש. תיאורטית, חור שחור יכול להתכווץ לשום דבר, ולוקח עמו את המידע שנושא על ידי החלקיקים שהוא צרך או אודותיו.

'המידע נעלם,' אמר. 'זה כאילו נכנס לחור השחור ונעלם'.

מכיוון שמכניקת הקוונטים מצביעה על כך שאי אפשר לאבד מידע, זה מעלה פרדוקס.

על פי חישובי הוקינג, החלקיקים ששרדו אינם מכילים מידע שימושי על האופן שבו נוצר החור השחור ומה הוא צרך, דבר המצביע על כך שמידע נעלם עם החור השחור עצמו.

החור השחור של סטנהאואר גילה כי זוגות חלקיקי האנרגיה הגבוהה יותר נותרו סבוכים, גם לאחר שאחד נבלע באופק האירוע. חלקיקים סבוכים מסוגלים לשתף מידע באופן מיידי, גם כשהם מופרדים במרחקים גדולים, תופעה המתוארת לעתים כ'פעולה מפחידה מרחוק '.

'חלק מהפתרונות ל [פרדוקס] זה כנראה מסתמכים על הסתבכות', אמר שטיינהאואר.

מדענים שאינם קשורים למחקר שהתראיינו על ידי חדשות הטבע ו עולם הפיזיקה שניהם אמרו כי למרות שהניסוי מדד קרינת הוקינג, הוא לא בהכרח מוכיח שקרינת הוקינג קיימת סביב חורים שחורים בחלל.

המחקר פורסם באינטרנט בכתב העת פיזיקת טבע .

עקוב אחר נולה טיילור רד בטוויטר @נולהטרד אוֹ Google+ . עקוב אחרינו ב @Spacedotcom , פייסבוק אוֹ Google+ . פורסם במקור ב- guesswhozoo.com .