محمود حاج‌زمان
بسیاری از ما انتظار داریم که سیاه‌چاله‌ها همان‌طور که از اسمشان پیداست، تاریک باشند و هیچ چیز نتواند از آنها خارج شود. اما چند دهه قبل استیفن هاوکینگ در محاسبات خود نشان داد که سیاه‌چاله‌ها باید از خود نور بتابانند. اکنون و برای اولین بار، گروهی از فیزیک‌دانان ادعا کرده‌اند که این تابش عجیب را در آزمایشگاه دیده‌اند.
به گزارش نیوساینتیست، اولف لئون‌هارت از دانشگاه سنت اندروز انگلستان، رهبر گروهی از دانشمندان که در سال 2008 / 1387یک شبه سیاه‌چاله را با استفاده از پالس‌های لیزری ایجاد کردند، می‌گوید: «این آزمایش نخستین مشاهده تابش هاوکینگ است. تابش هاوکینگ نه یک رویای نظری محض که پدیده‌ای واقعی است.»
شواهد ارائه شده هنوز همه دانشمندان را متقاعد نکرده است. برخی نیز استدلال می‌کنند که تابش هاوکینگ نمی‌تواند از جسمی غیر از یک سیاه‌چاله واقعی ساطع شود. با این وجود اگر آزمایش‌های بعدی تایید کنند که اندازه‌گیری‌های انجام شده در دانشگاه اینسوربیا ایتالیا نوعی از تابش هاوکینگ است، پنجره جدیدی به بخشی از عجیب‌ترین موضوعات عالم باز خواهد شد. این یافته همچنین نشان می‌دهد که فیزیک نامانوس (Bizarre Physics) که قبل از این تصور می‌شد تنها مختص سیاه‌چاله‌ها است، در حقیقت دامنه بسیار گسترده‌تری دارد.
سیاه‌چاله و اصل عدم قطعیت
سیاه‌چاله، توده متمرکز بسیار سنگین و کوچک از جرم با میدان جاذبه فوق‌العاده قوی است. این جاذبه به اندازه‌ای قوی است که از فاصله‌ای مشخص از سیاه‌چاله که افق رویداد نامیده می‌شود، هیچ چیز حتی نور که با سرعت 300هزار کیلومتر بر ثانیه سریع‌ترین موجود این دنیا است، نمی‌تواند از سیاه‌چاله خارج شود. به همین دلیل است که سیاه‌چاله را حفره تاریک می‌نامند.
در سال 1974 / 1353 هاوکینگ با استفاده از نظریه کوانتوم نشان داد که سیاه‌چاله‌ها هم باید تابش داشته باشند. این نتیجه‌ای از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که بیان می‌کند هرگز نمی‌توان مطمئن بود که یک فضای به ظاهر تهی، واقعا خالی باشد. در عوض ذرات مجازی همواره به صورت جفت ظاهر می‌شوند. این جفت ذرات از ماده و پادماده متناظر آن ساخته شده‌اند که لحظه‌ای بسیار کوتاه دوام می‌آورند و پس از آن، به سرعت همدیگر را خنثی کرده و ناپدید می‌شوند. قبل از هاوکینگ، دانشمندان معمولا این ذرات را نادیده می‌گرفتند.
با این حال اگر یک جفت از این فوتون‌ها در افق رویداد سیاه‌چاله تشکیل شوند، این فرصت پیش می‌آید که در همان زمان بسیار کوتاه، یکی از ذرات از سیاه‌چاله فرار کند و فقط یکی به درون سیاه‌چاله کشیده شود. به این ترتیب هر کدام از این ذرات در یک سمت سیاه‌چاله قرار می‌گیرند. یکی از آنها در خارج از سیاه‌چاله آزادانه حرکت می‌کند و دیگری برای ابد در سیاه‌چاله به دام می‌افتد. این پدیده مانع از آن می‌شود که دو ذره مجددا با یکدیگر ادغام و نابود شوند و بنابراین، به نظر می‌رسد که سیاه‌چاله در حال تابش و از دست دادن انرژی است.
هاوکینگ پیش‌بینی کرد که سیاه‌چاله‌ها باید شدت ثابتی از این تابش داشته باشند، مساله‌ای که از سوی اغلب دانشمندان مورد پذیرش قرار گرفت. تنها مشکل این بود که هیچ‌کس این تابش را مشاهده نکرده بود.
سرعت فرار
در سال‌های اخیر، دانشمندان مشغول کار با ابزارهای آزمایشگاهی بودند که به نوعی افق رویداد را بازسازی می‌کرد. افق رویداد مشخص‌کننده نقطه‌ای است که فرار از سیاه‌چاله غیرممکن است. غیرممکن بودن فرار به این دلیل است که سرعت لازم برای انجام چنین کاری از سرعت نور که حد سرعت کیهانی است، بیشتر است.
شبه سیاه‌چاله‌ها نقطه‌ای مشابه دارند که عبور از آن به دلیل سرعت بالایی که مورد نیاز است، امکان‌پذیر نیست. با توجه به اینکه دانشمندان نمی‌دانند چطور باید یک سیاه‌چاله واقعی را ایجاد کرد، بر خلاف سیاه‌چاله واقعی که افق رویداد آن توسط میدان جاذبه شدید ایجاد می‌شود، این کار در آزمایشگاه با استفاده از مکانیزم‌های دیگری مانند امواج صوت یا نور انجام می‌شود. با این وجود، هیچ شخصی نتوانسته بود فوتون‌هایی را که نشان دهنده تابش هاوکینگ ایجاد شده توسط این شبه سیاه‌چاله‌ها است، مشاهده کند.
برای ساخت افق رویداد در مقیاس آزمایشگاهی، دانیله فاچیو از دانشگاه هریوت وات انگلستان، به همراه فرانچسکو بلجیورنو از دانشگاه میلان و همکارانشان، پالس‌های فوق کوتاه نور لیزر فروسرخ با طول موج 1055 نانومتر را درون قطعه‌ای شیشه‌ای متمرکز کردند. شدت فوق‌العاده بالای این پالس‌ها که میلیون‌ها برابر نور خورشید است، ویژگی‌های شیشه را به طور موقت تغییر می‌دهد. این پالس‌ها ضریب شکست شیشه را به اندازه‌ای تقویت می‌کنند که باعث می‌شود سرعت حرکت نور در داخل شیشه کاهش یابد.
نتیجه کار، نقطه‌ای متحرک با ضریب شکست بسیار بالا است که معادل یک تپه فیزیکی است و به صورت یک افق عمل می‌کند. فوتون‌هایی که وارد شیشه اطراف این تپه می‌شوند، سرعت خود را هنگام بالا رفتن از این تپه از دست می‌دهند و نمی‌توانند از میان آن عبور کنند. در مقایسه با پالس لیزر و تا زمانی‌که این پالس از طول شیشه عبور کند، این فوتون‌ها متوقف می‌شوند و پشت سر پالس لیزر باقی می‌مانند.
فوتون‌های مرموز
برای فهمیدن اینکه آیا این افق رویداد آزمایشگاهی تابش هاوکینگ را تولید می‌کند، محققان یک آشکارساز نوری را در نزدیکی شیشه و عمود بر مسیر پرتو لیزر قرار دادند. بعضی از فوتون‌هایی که آنها آشکار کردند، ناشی از اثر متقابل لیزر فروسرخ با نواقص موجود در شیشه بود. این پدیده باید نوری با طول‌موج مشخص بین 600 تا 700 نانومتر تولید کند. (هر نانومتر، یک‌میلیاردیم متر است)
اما بسته به مقدار انرژی پالس لیزر، در برخی از آزمایش‌ها فوتون‌های اضافی و مرموزی با طول‌موج بین 850 تا 900 نانومتر و در برخی دیگر، فوتون‌هایی با طول موج 300 نانومتر نیز مشاهده شد. به دلیل اینکه ارتباط بین انرژی پالس و طول‌موج مشاهده شده با محاسبات انجام شده بر مبنای جفت‌های جداگانه فوتون‌های مجازی تطابق دقیقی داشت؛ گروه فاچیو نتیجه گرفتند که فوتون‌های اضافی باید همان تابش هاوکینگ باشند.
اما همه با این نتیجه‌گیری موافق نیستند. آدام هافر از دانشگاه میسوری معتقد است که تابش هاوکینگ تنها به سیاه‌چاله‌های واقعی با میدان‌های گرانشی اختصاص دارد. وی می‌گوید: «مسلما بین آنها (فوتون‌ها و تابش هاوکینگ) نوعی همتایی وجود دارد. با این حال تجربیات آزمایشگاهی با وجود اینکه جذاب هستند، اما با مسائل عمیق مخصوص سیاه‌چاله‌ها ارتباطی ندارند.»
درهم‌تنیدگی کوانتومی
تد جیکوبسن از دانشگاه مریلند قصد دارد آزمایش‌هایی را برای بررسی یک ویژگی کلیدی تابش هاوکینگ انجام دهد. وی می‌خواهد درهم‌تنیدگی فوتون‌های جفتی را که توسط افق رویداد از هم جدا شده‌اند، بررسی کند. فاچیو می‌گوید که استفاده از یک فیبر نوری به جای قطعه شیشه‌ای، مشابه آن‌چه لئون‌هارت و همکارانش در سال 2008 / 1387 انجام دادند، می‌تواند امکان جداسازی فوتون‌های جفت را توسط یک افق لیزری فراهم کند. بنابراین می‌توان درهم‌تنیدگی آنها را بررسی کرد.
تابش هاوکینگ در انواع دیگری از پدیده‌های همانند شبه سیاه‌چاله می‌تواند ایجاد شود. در ماه آگوست / مردادماه گروهی به سرپرستی سیلک وینفرتنر از دانشگاه بریتیش کلمبیا در کانادا اعلام کردند نسخه موج آبی تابش هاوکینگ را مشاهده کرده‌اند. در آزمایش آنها سرعت امواجی که از سطح افق شروع می‌شدند، به تدریج کاهش می‌یافت تا متوقف شود. مت ویسر از دانشگاه ویکتوریا در نیوزلند می‌گوید: «در هر جایی که شما یک افق از هر نوعی دارید، تابش هاوکینگ در حال تبدیل شدن به یک پدیده عام است.»
این مساله که یک رشته از حوادث منجر می‌شود تا مانند سیاه‌چاله‌های واقعی، تابش هاوکینگ در شبه افق‌های رویداد ایجاد شود، تنها ویسر را مجذوب خود نکرده است. بیل آنرو می‌گوید: «خط سیر دلایل، جامع‌تر از آن چیزی است که در نگاه اول دیده می‌شود. این مساله باعث تقویت این عقیده می شود که ممکن است چنین چیزی در مورد سیاه‌چاله‌ها نیز درست باشد.» آنرو در انجام آزمایشات با وینفرتنر همکاری کرده و برای کشف «تاثیر آنرو» شهرت دارد. تاثیر آنرو پدیده‌ای قابل پیش‌بینی و مشابه تابش هاوکینگ است، اما خارج از یک سیاه‌چاله رخ می‌دهد.
فاچیو می‌گوید: «به نظر می‌رسد که تمام قطعات این پازل ناگهان و در یک زمان در جای خود قرار گرفته‌اند. این خیلی هیجان‌انگیز است.»
