חור שחור סוני מיוצר במעבדה בטכניון בישראל!

חור שחור סוני [קולי] מיוצר במעבדה בטכניון בישראל!

פיזיקאים מהטכניון יצרו אנלוגיה לחור שחור שיכול ללכוד קול באותו האופן שבו חור שחור אסטורפיזיקאלי לוכד אור. המערכת שמורכבת מ”עיבוי בוז-אינשטיין הפוכת צפיפות” יכולה להציג את אחד מהסיכויים הטובים ביותר לגלות את קרינת הוקינג. חדשה מסעירה מישראל!

עיבוי בוז-אינשטיין הוא מצב של החומר שמופיע כאשר האטומים מתנהגים בטמפרטורה מאוד קרה – בערך 100 מיליארדי מעלות מעל האפס המוחלט, עקב התופעה שידועה כהגברה או הגברת בוז כל האטומים שואפים לפעול באותה הדרך. זה גורם להם לפעול כמו גל חומרי אחד מקרוסקופי, במקום כאוסף של אטומים אינדיבידואלים. אחת מהתכונות המוזרות של עיבוי בוז אינשטיין היא שזרימת קול דרכם נשלטת על ידי אותן המשוואות שמתארות כיצד האור מתעקם על ידי השדה הכבידתי. זה פותח את הדלת לכל מיני סוגים של אפשרויות: בתיאוריה, פיזיקאים יכולים לשחזר בעזרת הקול ועיבוי בוז-אינשטיין את מה שהכבידה יכולה בעזרת האור… ואכן הפיזיקאים מהטכניון יצרו עכשיו את המקבילה הסונית לחור השחור בעיבוי בוז-אינשטיין. מסתבר שהפיזיקאים חשבו על האפשרות הזו מזה 30 שנה, ומספר קבוצות שיש להן האפשרות ליצור את עיבוי בוז-אינשטיין כבר רדפו אחר האפשרות ליצור חורים שחורים אקוסטיים… אבל כמובן שישראל שלנו הגיעה ראשונה!

 

מה הוא חור שחור אסטרופזיקאלי? חור שחור אסטרופיזיקאלי הוא אזור בחלל שהוא כל כך צפוף שהכבידה במרכזו שואפת לאינסוף. מסביב לאזור זה ישנו מה שנקרא אופק האירועים. אחרי אופק האירועים של החור השחור כלום – אפילו האור – לא יכול לברוח.

אינשטיין לא מאמין בחורים שחורים 

בחורף 1916 קרל שוורצשילד שלח לאינשטיין מאמר שאותו אינשטיין קרא בפני האקדמיה הפרוסית. את הרעיון של שוורצשילד אינשטיין מצא כבלתי יאומן, רעיון זה לבסוף הוביל לזיהוי של מה שאנו מכנים היום חורים שחורים. חור שחור הוא עצם שהשדה הכבידתי שלו הוא כה חזק שבעוד הכל יכול ליפול לחור, דבר, ואפילו לא האור, לא יכול לברוח החוצה שוב פעם. שוורצשילד עצמו חקר מה יקרה אם המסה של כדור נוזלי – כוכב אידיאלי זאת אומרת – הייתה נמחצת לכדור קטן יותר ויותר. הוא מצא שככל שכוכב המודל שלו התכווץ, היה גודל קטן מסוים שבו מסתו הגיעה למה שקרוי צפיפות קריטית. בנקודה זו, השדה הכבידתי של הכוכב היה מספיק חזק כדי לעקם את המרחב-זמן כל כך חזק עד כי הוא ייסגר על עצמו ויצור לולאה אטומה. כפי שפיזיקאים הבינו מאוחר יותר, כאשר זה מתרחש, דבר ואפילו לא האור, לא יכול לחמוק מתוך האי הבודד הזה של המרחב-זמן אשר נוצר. במקום זאת, בגלל שהאור, כמו כל השאר ביקום, צריך לנוע לאורך עקומות המרחב-זמן, כל דבר בתוך לולאה אטומה זו צריך להישאר בתוכה מנותק לנצח מהיקום שמעבר. פיזיקאים עתה משתמשים במושג “אופק אירועים” כדי לתאר את הנקודה שבה המרחב-זמן נהפך למעוות בצורה כה חזקה עד כי כל דבר שנופל לתוך אופק האירועים לא מצליח לצאת החוצה. אין כל דרך שיבה מעבר לשפות שוורצשילד שאותן שוורצשילד היה הראשון לזהות – שום דרך יציאה ושום אפשרות בריחה.     

לבסוף, הפירוש וההרחבה לעבודתו של שוורצשילד הדגימה שמשוואות היחסות הכללית יכולות להניב מקרים שבהם עקמומיות המרחב-זמן נעשית אינסופית. אינסופיות כאלה נקראות “סינגולאריות” והן מספקות את התיאור המתמטי הפורמאלי לשבירת הפיזיקה. במלים אחרות, המסגרת הקונבנציונאלית של היחסות הכללית עובדת מצוין עד לאופק האירועים של החור השחור. היא אפילו מאפשרת לפיזיקאי לתאר את התנאים שיכולים ליצור חור שחור. אבל, בדיוק למדי כמו שמשה הציץ בארץ המובטחת בעוד היה אסור לו להיכנס אליה, כך היחסות הכללית לא יכולה לחדור לגמרי אל החור השחור. היא נכשלת כתיאור מפורט של האירועים שמתרחשים בתוך המרחב-זמן שהוא בצורה בלתי יאומן מעוקם ואשר מונח בתוך מה שאנו מכנים סינגולאריות שוורצשילד. שוורצשילד המשיך לעבוד על היחסות הכללית, אבל ככל שנכנס לו החורף הוא התחיל להרגיש יותר ויותר גרוע. במרץ 1916 הוא פונה לברלין. הוא נשאר בבית החולים בבירה הגרמנית במשך החודשיים הבאים, כאשר אבחנו אצלו מחלת עור, פמפיגוס, שלא היה קיים לה שום טיפול והוא נפטר ב-11 למאי בגיל 42. אינשטיין הושפע מלכתו.

אינשטיין עצמו תמיד החשיב את הפתרונות של שוורצשילד ליחסות הכללית כפתולוגיות מתמטיות במקום כתיאורים של עצמים פיזיקאליים ממשיים. אינשטיין טען שהסינגולאריות של שוורצשילד היא לא הגיונית, לא פיזיקאלית, ולכן הוא דחה את הניבוי הזה שנבע מהתיאוריה של עצמו. אינשטיין ניסה להוכיח ש”הסינגולאריות של שוורצשילד לא קיימת במציאות הפיזיקאלית [בגלל] שהחומר לא יכול להיות מרוכז בצורה שרירותית”. הוא קבע ששום גוף ובטח ששום כוכב לא יכול להידחס לגודל קטן יותר מרדיוס שוורצשילד שלו. הוא סרב לבחון ב-1939 מאוחר יותר אפילו את הרעיון שכוכבים עלולים לקרוס לחלוטין. אינשטיין טעה.

בעוד שזה בלתי אפשרי לראות חור שחור כשלעצמו – ככלות הכל, כאמור שום אור לא יכול לברוח מלכידתו – חורים שחורים נתגלו באופן עקיף על ידי תצפיות של האפקט של השדות הכבידתיים על עצמים סמוכים ועל ידי זיהוי הקרינה שמשוחררת בעוד עצמים חוצים אופק אירועים. כפי שעבודתו של שוורצשילד רמזה, ורוברט אופנהיימר וג’ורג’ וולקוהף הראו ב-1938, חורים שחורים יכולים להיווצר כאשר כוכבים קורסים. תחת תנאים מסוימים סיום חייו של הכוכב, קריסה כזו, ממשיכה עד שמה שנותר מהכוכב מגיע לצפיפות גבוהה מספיק כדי ליצור אופק אירועים של חור שחור.

מתחילת שנות ה-1950 המאוחרות חקירת חורים שחורים התרחבה לנקודה בה גילו שהם מעורבים באירועים הדרמטיים ביותר ביקום. חורים שחורים יכולים להיווצר באמצעות תהליכים אחרים מאשר קריסת כוכבים בודדים. בתנאים של יצירתן של גלקסיות שלמות, חורים שחורים ענקיים יכולים להופיע כאשר הצבירים הצפופים שאוספים יחד את החומר במרכז הגלקסיות בתחילת הדרך מתחילים בנפילה פנימה למשוך על ידי הכבידה ההדדית את הכל בסביבה. חורים שחורים ענקיים כאלה מעורבים כמנועים שמניעים את האנרגיות הסוערות שמצויות בעצמים המסתוריים שקרויים קוואזרים, שקשורים בשלבים המוקדמים של האבולוציה הגלקטית. ב-1968 ג’ון ארצ’יבלד ווילר הציג את המושג “חורים שחורים”.

 

חור שחור הוא לא כל כך שחור

 

במשך זמן רב, המושג של החור השחור – כשמו כן הוא – נחשב לשחור משחור. ב-1974 סטיבן הוקינג, כאשר הוא נשען על עבודתו של יעקב בקנשטיין מהאוניברסיטה העברית בירושלים, הראה כי חורים שחורים הם לא בהכרח שחורים. החישובים של הוקינג הצביעו על כך שאם זוג של חלקיק-אנטי חלקיק נוצרו ופגעו באופק האירועים של חור שחור, החלקיק שהיה הקרוב ביותר לחור השחור ייפול פנימה בעוד שהאחר יברח לו. הסכום של החלקיקים הבורחים ירכיב את מה שקרוי קרינת הוקינג, ויכול לחשוף את נוכחות החור השחור.

הבעיה היא שהטמפרטורה של קרינת הוקינג תהיה הרבה יותר נמוכה מקרינת הרקע של היקום, ולכן יהיה מאוד קשה להבדיל ביניהן. מסיבה זו, מספר קבוצות מחקר ניסו זה מכבר ליצור חורים שחורים אנלוגיים במעבדות – כאשר במעבדה ניתן להפחית את טמפרטורת הרקע. אולם עד כה אף אחת ממערכות אלה – שכללו סיבים אופטיים ונוזלים קוונטיים – לא הניבה את גילוי קרינת הוקינג.

ב-1980 ויליאם אונרו הציע רעיון מבריק: הבה ניצור חור שחור במעבדה תוך שימוש בקול במקום באור. אונרו קרא לחורים שחורים אלה “חורים אילמים”. לקח 29 שנה ליצור חור אילם במעבדה…

והנה ג’ף סטיינהאור, אורי להב וקבוצת המחקר שלהם מהטכניון בחיפה צעדו צעד אחד קדימה לעבר מטרה זו שאותה הציע אונרו.

sonic-hole_wa

ג’ף סטיינהאור מהטכניון נראה כאן עם המכשור שבו הוא והקולגות שלו השתמשו כדי ליצור את החור השחור הסוני. כדי ליצור את החור השחור הסוני, המדענים הישראלים תחילה יצרו עיבוי בוז-אינשטיין, ענן אטומים שקורר כמעט לטמפרטורת האפס המוחלט ופועל כאילו היה גל אור. הרעיון המרכזי הוא שנוזל שזורם מהר יותר ממהירות הקול שלו באזור מסוים גלי הקול שלו לא יכולים לברוח ופועלים כמו חור שחור סוני. Sonic Master 

שלבי הניסוי בחור השחור הסוני

זרימה סופר סונית בגז סופר נוזלי: הרכיב של הקבוצה מהטכניון מורכב משני ענני אטומי רובידיום 87 שמקוררים קרוב לאפס המוחלט, בדיוק בחמישים ננו קלווין ומופרדים על ידי מרווח זעיר. המרווח בין שני ענני האטומים, קרוי “היפוך צפיפות”.  האזור הקטן הוא בעל צפיפות נמוכה ביותר, מה שמאפשר לאטומים לעבור מענן אחד לאחר כמעט ללא עיכוב. אטומי הרובידיום 87 עושים זאת במהירות מאוד גבוהה, כמעט שלושה מילימטרים לשנייה, ובסקאלה זה בערך פי ארבעה ממהירות הקול, או 343 מטרים לשנייה. הווה אומר, שגל קול שנע בין שני העננות בהדרגה יתרחק יותר ויותר מהאטומים שנעים בין שני המבנים, בגלל שהאטומים נעים פי ארבע מהר יותר מגלי הקול. לפיכך הגלים נשאבים פנימה למרווח ולא יכולים לברוח, אולם במקרה זה מדובר בגלי קול ולא באור. בעקרון לגלים שמנסים לברוח אף פעם לא תהיה מספיק מהירות לברוח ממעגל קסמים זה והם יגררו אחרי האטומים במעגל אינסופי, ויישארו לכודים בתוך החור השחור הסוני. “זה בדיוק כמו לנסות לשחות לאט כנגד זרם מהיר”, אומר סטיינהאור. גלי הקול פוגעים מאחור בגלל שהזרם נע מהר יותר מהגלים.

חור שחור סוני במעבדה בטכניון

אל דאגה החור השחור במעבדה בטכניון לא יבלע אותכם כאן בתל אביב, או בירושלים או בחיפה. וגם לא יבלע את ארה”ב או את כדור הארץ כולו (הגברת הילארי והנשיא אובמה יכולים להרגע). זה לא החור השחור שחשבו שפתאום יצמח במאיץ ההדרונים בג’נבה… מדובר באנלוגיה לחור שחור.  

המדענים קודם יצרו עיבוי בוז-אינשטיין – אוסף של אטומים שמקורר כמעט לטמפרטורת האפס המוחלט, ונע בצורה קוהרנטית באותו מצב קוונטי ולפיכך לצורך התיאור כאן הוא מתנהג כמו גל אור. עיבוי האינשטיין-בוז מטופל בעזרת שדות מגנטיים ובעזרת קרן לייזר. החוקרים יצרו עיבוי בוז-אינשטיין ראשוני בצורת סיגר שמורכב מ-1×105 אטומי רובידיום שמוכלים בתוך מלכודת מגנטית בעלת שני תאים. ראו כאן.

 הרעיון הכללי הוא לגרום לזרימה סופרסונית של האטומים בתוך עיבוי בוז-אינשטיין. כלומר, אם גלי קול מתקרבים לאטומים בכיוון הנגדי לתנועתם, הם יגיעו לאטומים אבל אף פעם הם לא יהיו מסוגלים לעזוב. ברגע זה, האטומים הנעים פועלים כמו “חור שחור סוני”, שממנו שום קול לא יכול לעזוב. האזור שבו הזרימה משתנה מתת-סונית לסופר סונית היא אופק האירועים. כל גל קול (או מה שקרוי פונונים) שנוצר בתוך אופק האירועים אף פעם לא יכול לברוח בגלל שהזרימה שם היא סופרסונית. זהו החור השחור.

החוקרים מהטכניון גרמו לזרימה סופר סונית על ידי יצירת בור פוטנציאל עמוק במרכז עיבוי בוז-אינשטיין שמושך אטומים. האטומים זורמים אל תוכו, אבל לא יכולים לוותר על האנרגיה שלהם כאשר הם מגיעים כי הם כבר במצב האנרגיה הנמוך ביותר. כך הם זורמים על פני הבור במהירות סופר סונית. התוצאה היא אזור בתוך עיבוי בוז-אינשטיין שבו האטומים נעים במהירות סופר סונית. זהו החור השחור: כל פונון שהוא לכוד בתוך אזור זה לא יכול לברוח משם.

ולהפך, אם זרימת האטומים משתנה – כלומר אם גרדיאנט המהירות של זרימת האטומים משתנה, או אז גל הקול אף פעם לא יוכל להגיע לאטומים, ובמקרה זה הם יפעלו כעצם ההפוך לחור השחור: כלומר כ”חור לבן”.

וכאן באה תמיהה מדע בדיונית… ומה עם חור תולעת סוני שיקשר ביניהם?…

לחור השחור הסוני צריכה להיות קרינת הוקינג, אבל במקום חלקיקים הוא צריך לפלוט גלי קול קוונטיים, כלומר פונונים. לכן, מכניקת הקוונטים מנבאת שזוגות של פונונים “וירטואלים” בעלי תנע שווה ומנוגד צריכים כל הזמן להווצר ולההרס בעיבוי בוז-אינשטיין. אם אחד מזוגות אלה יחצה את אופק האירועים, הוא ישאב לתוך החור השחור ואף פעם לא יברח. האחר יהיה חופשי לנוע לדרכו. מי שיהיה חופשי לדרכו יהיה קרינת הוקינג המפורסמת.

קראו כאן

המאמר: ראו כאן המאמר.

A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein condensate

Authors: O. Lahav, A. Itah, A. Blumkin, C. Gordon, J. Steinhauer

(Submitted on 7 Jun 2009)

Abstract: We have created the analogue of a black hole in a Bose-Einstein condensate. In this sonic black hole, sound waves, rather than light waves, cannot escape the event horizon. The black hole is realized via a counterintuitive density inversion, in which an attractive potential repels the atoms. This allows for measured flow speeds which cross and exceed the speed of sound by an order of magnitude. The Landau critical velocity is therefore surpassed. The point where the flow speed equals the speed of sound is the event horizon. The effective gravity is determined from the profiles of the velocity and speed of sound.

 

Quantum Gases (cond-mat.quant-gas); General Relativity and Quantum Cosmology (gr-qc)

 

arXiv:0906.1337v1 [cond-mat.quant-gas]

Advertisements

0 thoughts on “חור שחור סוני מיוצר במעבדה בטכניון בישראל!

  1. שמחתי לשמוע משהו אחד בנאום ראש הממשלה בנימין נתניהו בבר אילן, פרט שלא מוזכר מאז אותו נאום:

    עמנו כבר הוכיח שהוא מסוגל לעשות את הבלתי ייאמן. במשך 61 שנים – תוך הגנה מתמדת על קיומנו – חוללנו נפלאות. שבבים המיוצרים בישראל מפעילים את מחשבי העולם, תרופות ישראליות מביאות מזור למחלות חשוכות מרפא, טפטפות ישראליות מפריחות אזורים צחיחים בכל העולם וחוקרים ישראליים פורצים את גבולות הידע האנושי.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s