ساخت سیاهچاله مصنوعی

در اصل، نظریه پرداران زمانی مطالعات خودشان را بر روی سیاه چاله ها متمرکز کردند که می خواستند نظریه نسبیت عام انیشتین (که بیان می کرد که چگونه جرم ناشی از اشیا از خمیدگی فضا-زمان ناشی می شود) را قبول کنند. پس از آن در سال 1974 فیزیکدان دانشکاه کمبریج، استفن هاوکینگ بر پایه کار یاکوب بکنشتینJacob Bekenstein نشان داد که مکانیک کوانتومی را باید با نسبیت عام پیوند دهیم.

 

هاوکینگ پیشنهاد داد که لبه ی منطقه ای که دیگر نور هم نمی تواند از آن بگذرد-افق رویداد- خودش می بایستی ذراتی مانند نوترینو یا فوتون را منتشر کند. در مکانیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به ذرات اجازه می دهد که از مناطق خلا در هر زمانی خارج شوند، اگر چه معمولا خیلی سریع بعد از آن از بین می روند. ولی اگر دو ذره یکی در منطقه افق رویداد و دیگری بیرون از آن باشد آن گاه ذره ای که در داخل محدوده ی افق رویداد باشد توسط سیاه چاله جذب خواهد شد و دیگری که بیرون از محدوده است می تواند به راحتی حرکت کند. برای ناظر در این حالت سیاه چاله همانند یک جسم حرارتی و این ذرات "تابش هاوکینگ" سیاه چاله خواهند بود.

 

این در نظریه و تئوری خوب عمل می کند ولی در واقعیت و عملی، تابش های هاوکینگ خیلی ضعیف تر از آن هستند که بتوان بر روی تابش های درای نویز پس زمینه ای کیهانیCMB که از زمان بیگ بنگ تا به حال به جا مانده اند آن ها را مشخص کرد.سیاه چاله ها بسیار سرد هستند. حتی کوچک ترین سیاه چاله ها، که با توجه به هاوکینگ می بایست گرم ترین دما را داشته باشند باز هم 8 برابر از CMB سردتر است.

 

به خاطر مواجه شدن با این مشکلات فیزیکدانان این تصمیم را گرفتند تا یک سیاه چاله ی گرم تر را در آزمایشگاه ها بسازند. مشخصا جمع آوری یک مقدار بسیار بزرگ گرانش در یک جا بسیار خطرناک است و غیرممکن است که بتوان به آن نزدیک شد.سیاه چاله های مصنوعی را می توانیم بر پایه سیستمی شبیه به حالتی که خمیدگی فضا-زمان توسط پارامتری دیگر که از انتقال موج متاثر می شود، بسازیم.

 

"ما نمی توانیم قوانین گرانشی را در محیط خودمان عوض کنیم."این را Ulf Leonhardt در دانشگاه سنت آنریوز University of St Andrews در انگلستان به physicsworld.com گفت. "ولی ما می توانیم پارامتر های متشابه در یک سیستم منقبض شده را عوض کنیم." گروه لئونارد در سنت آندریوز اولین گروهی هستند که می خواهند یک سیاه چاله ای مصنوعی بسازند تا تابش هاوکینگ را بتوان به وسیله ی آن مشخص کرد.

 

ایده ی استفاده از سیستم های مشابه اولین بار توسط ویلیام آنروWilliam Unruh در دانشگاه بریتیش کلمبیا در سال1981 مطرح شد. او تصور کرد که یک ماهی بر خلاف جهت جریان آب قصد گریز از آبشاری را دارد که ما در این حالت آبشار را به عنوان سیاه چاله فرض کرده ایم.و در یک منطقه نزدیک به آبشار جریان آب آن قدر شدت می یابد که دیگر ماهی قدرت گریز را نخواهد داشت مانند یک افق رویداد. آنرو همچنین تصور کرد که چه اتفاقی خواهد افتاد اگر موج هایی از طرف دریا به طرف دهانه ی رود روانه شوند.چون جریان در بالادست رود قوی تر می شود، امواج فقط می توانند تا یک جای معینی بالا بیایند(برخلاف جهت جریان آب) و بعد برگشت می خورند(در جهت جریان آب). در این حالت رود به یک سفیدچاله تبدیل می شود و هیچ چیز نمی تواند به آن واردشود.

 

در آزمایش سنت آندریوز، که از ضریب شکست یک فیبر نوری به عنوان میدان گرانشی استفاده شد هم سیاه و هم سفید چاله را در بر می گیرد. در این جا ما به این نکته باید توجه کنیم که سرعت نور در حالت عادی فقط به طول موج بستگی ندارد بلکه به ضریب شکست محیط هم بستگی دارد.

 

گروه کار خودشان را این گونه آغاز کردند که با فرستادن یک پالس نوری در فیبر نوری با استفاده از نتیجه اثر کر ضریب شکست محیط را اصلاح کردند. کم تر از یک ثانیه بعد آن ها یک نور آزمایشی را می فرستند که دارای طول موجی بلند است تا پالس نور را بگیرد. ولی با توجه به ضریب شکست اصلاح شده ی محیط اطراف پالس نوری، نور آزمایشی ما همیشه به اندازه ی کافی دچار کاهش سرعت می شود تا مانع پیشی گرفتن از پالس نوری بشود-بنابراین پالس مانند یک سفیدچاله می ماند. حال اگر گروه نور آزمایشی را از طرف مخالف بفرستد آن گاه نور آزمایشی به پالس نوری می رسد ولی نمی تواند از آن عبور کند-بنابراین پالس نوری مانند یک سیاه چاله می شود.

 

در حالی که ما معتقدیم که تابش هاوکینگ توسط سیاه چاله های گرانشی ایجاد می شوند حداقل خواصی که ما برای ایجاد آن در آزمایشگاهمان بدان نیازمندیم چیست؟
 

لئونارد و هم گروهانش ثابت کردند که افق رویداد سیاه و سفید چاله هایمان را می توانیم با مشخص کردن سرعت نور آزمایشیمان که هیچ گاه بیش تر از سرعت پالس نوری نمی شود، تعیین کنیم. مهمم تر از آن، آن ها این را هم محاسبه کردند که باید ممکن باشد که ذرات تابش هاوکینگ ایجاد شده در دو طرف افق رویداد را با فیلتر کردن نور های باقی مانده در دو طرف فیبر، مشخص کنیم.

 

مشخص کردن تابش هاوکینگ به فیزیکدانان کمک خواهد کرد تا پلی میان شکاف موجود بین نسبیت عام و مکانیک کوانتمی ایجاد کنند، دو نظریه ای که هنوز کامل نشده است. همچنین این آزمایش می تواند به فیزیکدانان کمک کند تا راز های موجود در طول موج فوتون های تابشی از افق رویداد را بررسی کنند که تصور می شود که از صفر شروع شود قبل از این که تقریبا بینهایت فشرده شود توسط گرانش.

 

با این وجود، ریناد پارنتانی معتقد است که ممکن است در مدل های آینده ی سیستم های گروهی ممکن است ما تابش یک افق رویداد را ببینیم. تابش ممکن نیست که تمام ویژگی هایی را که ما از یک تابش هاوکینگی که توسط یک سیاه چاله ی اخترفیزیکی انتظار داریم داشته باشد را دارا باشد. برای مثال فیبر نوری به خاطر تجزیه ی نور و پراکندگی دارای محدودیت هایی است یعنی طول موج فوتون های تولید شده در افق رویداد خیلی فشرده نخواهند بود. پارنتی پرسید "در حالی که ما معتقدیم که تابش هاوکینگ توسط سیاه چاله های گرانشی ایجاد می شوند حداقل خواصی که ما برای ایجاد آن در آزمایشگاهمان بدان نیازمندیم چیست؟". "جواب حتی در تئوری هم مشخص نیست. ولی این آزمایشات به ما جسارت این را می دهد تا بر روی مسئله عمیق تر توجه کنیم."