با استفاده از چگالش بوز-اينشتينِ (BEC) اتم‌هاي فوق سرد،‌ ‌مشابه آزمايشگاهيِ تابش ليزر از يك سياهچاله توليد شده است. اين كار توسط جف اشتاين‌هاور (Jeff Steinhauer) در تكنيون اسرائيل انجام شده و مي‌تواند مدرك محكمي بر وجود «تابش هاوكينگ» باشد. گرچه تعاريف موجود براي اين مفهوم متعدد است و نوعي كه نظريات انقلابي‌تري دارد هنوز مشاهده نشده است.

هنگامي كه سياهچاله‌هاي نجومي براي نخستين بار پيشنهاد شدند،‌ فكر مي‌شد كه آن‌ها كاملا سياه و بدون مشخصه هستند. اما در 1974،‌استفان هاوكينگ نشان داد كه نظريه‌ي ميدان كوانتومي پيش‌بيني مي‌كند كه در اطراف افق رويداد سياهچاله- نقطه‌اي كه حتي نور هم نمي‌تواند از كشش گرانشي سياهچاله فرار كند- جفت فوتون‌هاي به وجود مي‌آيند. فوتونِ داخلِ افق «انرژي منفي» دارد و به درون مي‌افتد. فوتونِ ديگر،‌ كه انرژي مثبت دارد، فرار مي‌كند. به اين ترتيب،‌سياهچاله بايد تابش داشته باشد.

جيمز انگلين (James Anglin) از دانشگاه كايزرس لاترن در آلمان توضيح مي‌دهد كه چنين ايده‌اي شگفت انگيز است زيرا پيشنهاد مي‌دهد كه سياهچاله‌ها مانند جسم سياه با دماي معين رفتار مي‌كنند. هاوكينگ همچنين نشان داد كه،‌ در هندسه‌ي فضا-زمان،‌ سياهچاله‌ها را مي توان با سه مشخصه كاملاً تعريف كرد. به نظر مي‌رسيد اين دو نتيجه حاكي از آن است كه اصول بنيادي ترموديناميك، كه در آن دما به صورت ميانگين انرژي در تعداد زيادي درجه‌ي آزادي تعريف مي شود، نياز به بازبيني دارند. انگلين مي گويد، «تصور اينكه چطور چيزي كه فقط سه عدد را به همراه اسمش دارد مي تواند احتمالاً دما داشته باشد بسيار سخت بود. موضوع بالقوه به بازتعريف ترموديناميك از طريق همراه كردنش با نسبيت عام و مكانيك كوانتومي مربوط مي‌شد و همه را به هيجان آورد!». اما مسئله اينجاست كه «دماي» همه‌ي سياهچاله‌هاي شناخته شده كمتر از دماي تابش زمينه‌ي كيهاني خواهد بود كه آشكار‌سازي چنين تابشي را در عمل ناممكن مي‌كند.

سيال‌هاي در حال شارش

در 1981،‌ ويليام آنروه (William Unruh) از دانشگاه بريتيش كلمبيا نشان داد كه معادلاتي كه تابش هاوكينگ را پيش‌بيني مي‌كنند بايد در مورد امواج صوتي در شارش سيالات هم صادق باشند. اكنون، جف اشتاين‌هاور از BEC استفاده كرده است تا سياهچاله‌اي را با دو افق شبيه‌سازي كند- يكي افق رويدادِ‌ اصلي و ديگري «افق داخلي». در كيهان‌شناسي،‌ اين حالت وقتي مي‌تواند رخ دهد كه سياهچاله در حال چرخش بوده يا بار داشته باشد. فوتون‌هايي كه به درون سياهچاله مي افتند نمي توانند از افق داخلي عبور كنند،‌ پس بازتاب شده و به سمت افق رويداد اصلي بر‌مي‌گردند- گرچه اين پيشنهاد جاي بحث دارد زيرا براي وقوع چنين اتفاقي فوتون‌ها بايد با سرعتي بيشتر از سرعت نور حركت كنند.

چون فوتون‌ها قادر نيستند از افق رويداد بگريزند،‌ بين دو افق رفت و برگشت كرده و يك موج ايستا را شكل خواهند داد. و در همين حال كه به جلو و عقب مي جهند،‌ انرژيشان نيز به طور افزاينده‌اي منفي مي‌شود. به جهت بقاي انرژي در مقدار صفر، ‌انرژي مثبت به شكل نوري تك بسامد با شدتي كه تا ابد افزايش مي‌يابد به خارج از افق رويداد ساطع شده و يك «ليزر سياهچاله‌اي» مي سازد.

در افق: BEC مانند يك سياهچاله ليز مي كند

سناريوي شبيه‌سازي اشتاين‌هاور بر اين اصل تكيه دارد كه براي امواج با طول موج نسبتاً‌ بلند، سرعت صوت در BEC كمتر از mms^-1 1 است. اما صوت با طول موج‌هاي كوتاه مي‌تواند سريع‌تر از اين مقدار حركت كند. او BEC را- اتم‌هاي روبيديوم كه تا خيلي پايين‌‌تر‌‌ از دماي K1 سرد شده و همه در يك حالت كوانتومي قرار دارند- با استفاده از يك پرتوي متمركز شده‌ي ليزر، درون لوله‌ي بلندي قرار داد. آنگاه اجازه داد كه اين BEC در يك جهت شارش پيدا كند و آهنگ شارش را طوري كنترل كرد كه در ناحيه‌ي بخصوصي از لوله چگاليده‌ سريع تر از سرعت موضعي صوت حركت كند، در حالي كه در اطراف اين ناحيه آهنگ شارش در حد فروصوت باشد.

ناحيه‌ي فراصوت

در ناحيه‌ي فراصوت، فقط امواج صوتي با طول موج‌ خيلي كوتاه مي‌توانند خلافِ جهتِ شارش منتشر شوند. به اين ترتيب،‌ مدهايي با انرژي منفي توليد مي‌شوند كه نمي‌توانند از ناحيه‌ي فراصوت خارج شوند. چنين مدهايي به جلو و عقب مي‌جهند و طرح موج ايستا را در BEC شكل مي‌دهند كه دامنه‌اش به مرور افزايش مي‌يابد. در يك طرف ناحيه‌ي فراصوت، امواج صوتي كم فركانس منتشر شده و دامنه‌ي آن‌ها تدريجاً زياد مي‌شود. طبق نظر اشتاين‌هاور، اين امواج مشابه با تابشي هستند كه در خارج از افقِ رويدادِ سياهچاله توليد مي‌شوند. گرچه اين سيستم يك سياهچاله‌ي واقعي نيست اما اشتاين‌هاور مي گويد آزمايش «نشان مي‌دهد كه مكانيسم هاوكينگ كار مي كند. اگر همين مكانيسم در يك سيستم كار كند، پس احتمالاً بايد در سيستم ديگر هم جواب بدهد». ريناد پارنتاني (Renaud Parentani) متخصص سيستم‌هاي شبيه به سياهچاله در دانشگاهِ de Paris-Sud هم تحت تاثير قرار گرفته است. او مي گويد،‌«ديدن اثر ليز،‌در واقع مشاهده‌اي غير مستقيم- اما تقريباً سرراست- از اثر هاوكينگ است. زيرا لازم است اثر هاوكينگ وجود داشته باشد تا عمل ليز اتفاق بيفتد». اگرچه،‌ مدل اشتاين‌هاور به جاي جسم سياه پايدار و تابش كننده‌اي كه هاوكينگ پيش‌بيني كرده بود، به سياهچاله‌اي ناپايدار و منفجر شونده منجر مي شود. انگلين اميدوار است كه آزمايش‌هاي بعدي يا تابش جسم سياه هاوكينگ را بازسازي كنند يا ديدگاه‌هايي كليدي در مورد اينكه چرا نمي‌توان آن را شبيه سازي كرد به دست بدهند. به گفته‌ي انگلين،‌ «در اين راستا، تحقيق حاضر يكي از بزرگترين پيشرفت‌ها در مطالعات مربوط به تابش هاوكينگ است كه از آغاز تاكنون انجام شده است».

اين پژوهش در Nature Physics به چاپ رسيده است.

منبع