אנלוגיה חדשה לחור שחור במעבדה

אנלוגיה לחור שחור במעבדה באמצעות התקנים על-מוליכים של התאבכות קוונטית

ביוני בטכניון מצאו אנלוגיה לחור שחור במעבדה על ידי בנית חור שחור סוני. לא עברו חודשיים והנה הטכניון משתף פעולה עם חוקרים מדארטמות’ לבניית אנלוגיה לחור שחור במעבדה באמצעות התקנים על-מוליכים של התאבכות קוונטית. וכל זאת במירוץ אחרי קרינת הוקינג המפורסמת.

זוכרים את החור השחור הסוני מהטכניון? ובכן היום קיים טרנד חדש במדע, שנשמע הזוי למדי, משהו כמו מדע בדיוני, לשחזר חורים שחורים במעבדה. לא מספיק שהפחידו אותנו שיתכן כי מאיץ החלקיקים הגדול בג’נבה יכול ליצור חור שחור ענק ולבלוע את כדור הארץ, המדענים מנסים לשחזר חור שחור כזה במעבדות שלהם. אין מדובר בחור שחור מסוכן חלילה ששום אור וכל החומר שלנו יבלע לתוכו כמו לתוך מפלצת מפחידה. אלא מדובר במודל שיכול לחקות בכל המובנים את ההתנהגות של החור השחור. והרי מה עושה המודל? המודל הוא משהו זעיר-ממדים, שבונים במעבדה והוא מתנהג כמו החור השחור העצום הגלובאלי האסטרונומי – בולע את הקרינה ולוכד אותה –  אולם מדובר במודל בנוי. והנה שוב הטכניון עולה לכותרות בנושא זה. מדען מהטכניון בשם אייל בוקס ומדענים ממכללת דארטמות’ – פול ניישן, מילס בלנקוו ואלכסנדר רימברג תכננו את המודל החדש ופרסמו את ממצאיהם ב-20 לאוגוסט בכתב העת Physical Review Letters.

החור השחור וקרינת הוקינג

חור שחור 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. החור השחור בולע את כל החומר והאור בתוך אופק האירועים והוא נהפך בהדרגה עם הזמן למסיבי. כך עד 1974 ניתן היה לומר שהחור השחור הוא גוף אסטרונומי שחור משחור.

אפילו אינשטיין החשיב את פתרון החור השחור כפתולוגיה מתמטית במקום כתיאור של עצם פיזיקאלי ממשי. אינשטיין טען שהחור השחור הוא לא הגיוני, לא פיזיקאלי, ולכן הוא דחה את הניבוי הזה שנבע מתורת היחסות הכללית של עצמו. אינשטיין ניסה להוכיח ש”ה[חור השחור] לא קיים במציאות הפיזיקאלית [בגלל] שהחומר לא יכול להיות מרוכז בצורה שרירותית”. הוא קבע ששום גוף ובטח ששום כוכב לא יכול להידחס לגודל קטן כל כך. הוא סרב אפילו לבחון את הרעיון שכוכבים עלולים לקרוס לחלוטין.

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.

מכאן.

במשך זמן רב, המושג של החור השחור – כשמו כן הוא – נחשב לשחור משחור. אולם לפני 35 שנה סטיבן הוקינג הציע את מה שידוע כיום בשם “קרינת הוקינג”. הוקינג אמר כי חורים שחורים הם ככלות הכל לא שחורים. פלוקטואציות קוונטיות באופק האירועים של החור השחור יגרמו לו בהדרגה להתנדף. אם זוג של חלקיק-אנטי חלקיק נוצרו ופגעו באופק האירועים של החור השחור, החלקיק שהיה הקרוב ביותר לחור השחור ייפול פנימה בעוד שהאחר יברח. הסכום של החלקיקים הבורחים ירכיב את מה שקרוי קרינת הוקינג, ויכול לחשוף את נוכחות החור השחור.

לא נתן לבצע מדידות אלה בחורים שחורים אסטרונומיים. כי החורים השחורים פולטים קרינה בהתאם לספקטרום התרמי שלהם. והטמפרטורה של קרינת הוקינג תהיה הרבה יותר נמוכה מקרינת הרקע של היקום (בשפה מתמטית: הטמפרטורה של הקרינה משתנה ביחס הפוך למסת החור השחור). מסיבה זאת מאוד קשה להבדיל בין קרינת הוקינג לבין קרינת הרקע של היקום.

ויליאם אונרו הציע פתרון. ליצור אנלוגיה לחורים שחורים במעבדה ולהפחית את טמפרטורת הרקע. במרוצת השנים חוקרים שונים ניסו ליצור מערכות שונות שיחקו חורים שחורים כדי לגלות את קרינת הוקינג.

למעשה אונרו הציע את האפשרות לצפות בקרינת הוקינג במערכת חומר מעובה, תוך שהוא חשף את האנלוגיה שבין גלי קול בנוזל ושדה סקאלרי במרחב זמן עקום.

החידוש של החוקרים ממכללת דארטמות’ ומהטכניון

החוקרים במחקר החדש יצרו אנלוגיה לחור שחור קורן על ידי השימוש במה שקרוי “התקנים על-מוליכים של התאבכות קוונטית” או SQUID. למה הכוונה? התקנים של SQUID הם מכניזם שמשמש למדידת סיגנלים חלשים ביותר, כמו למשל שינויים קלים בשדה האנרגיה האלקטרומגנטי בגוף האדם. תוך שימוש במה שקרוי צומת ג’וזפסון (רכיב על מוליך שבנוי משני על-מוליכים), ל- SQUIDיש יכולת לגלות שינויי אנרגיה חלשים של עד פי 100 מיליארד יותר חלש מאשר האנרגיה האלקטרומגנטית שמניעה מחט של מצפן! התקן ה- SQUIDמורכב מלולאות זעירות של על-מוליכים כאשר הוא עושה שימוש בצמתי ג’וזפסון כדי להשיג את האפקט הקוונטי שקרוי סופרפוזיציה – כלומר, כל אלקטרון נע בו-זמנית לשני הכיוונים. בגלל שהזרם נע לשני כיוונים מנוגדים, האלקטרונים למעשה מתפקדים כמו מה שקרוי “קיוביטים” (במידע קוונטי). לכן משתמשים ב- SQUID למטרות בדיקות שדורשות רגישות רבה, כולל מטרות הנדסיות, רפואיות וציוד גיאולוגי. מכיוון שהם מודדים שינויים בשדה המגנטי ברגישות רבה, הם לא באים במגע עם המערכת שאותה הם בודקים.

ועתה נמצא שימוש נוסף ל- SQUID, אנלוגיה לחור שחור קורן במעבדה. החוקרים בנו מבנה הנדסי שבו שולבו מערך של התקנים של SQUID במטרה לבדוק קרינת הוקינג.

כיצד החוקרים בנו את האנלוגיה לחור השחור הקורן?

באפריל השנה החוקרים פרסמו בפעם הראשונה את מחקרם והם הסבירו, שהם הציעו להשתמש במה שקרוי מטא-חומרים (בעגה העממית מטא-חומרים קרויים “פיזיקת הארי פוטר”, כי הם עלו לכותרות בכל שנוגע להעלמת עצמים וגלימות העלמות). עתה במאמר החדש הם הסבירו שהמערכת הזו היא קו תמסורת של מיקרוגל, שנותן פולסים של שדה מגנטי, הנוצר ממערך של dc-SQUID (זרם-ישר).

כיצד נוצר אופק האירועים? החוקרים בצעו מודלוציה של מהירות ההתפשטות, שדרושה ליצירת אופק האירועים של האנלוגיה לחור השחור. הם השיגו זאת באמצעות יישום של שטף חיצוני תוך שימוש במערך ה-SQUID. תחת תנאים מתאימים, מבנה זה מספק מימוש על-מוליך של מערכת שהיא אנלוגית לשדה סקאלרי במרחב-זמן עקום. כלומר, מספק מימוש למערכת שהיא אנלוגית לחור השחור. זאת כאשר היתרון הוא במערך ה-SQUID-ים בעלי הפרמטרים שהם קרובים לאלה שדרושים לתצפית של אפקט הוקינג.

החוקרים מראים (בעזרת משוואות מתחום החומר המעובה, שמייצגות את המודל שאותו הם בנו, ותוך השוואה למשוואות של מרחב-זמן עקום), כיצד המודל שלהם מוביל למטריקת מרחב-זמן שהיא אפקטיבית מכילה אופק אירועים וגם את טממפרטורת הוקינג שקשורה אליה. במלים אחרות, הם מראים כיצד המודל שלהם מוביל לחור שחור ולאפקט הוקינג.

לפיכך, המבנה הזה כולו לא רק שמשחזר חור שחור קורן, אלא עושה זאת במערכת שבה האנרגיה הגבוהה והתכונות המכניות הקוונטיות מובנות היטב וניתן לשלוט בהן היטב במעבדה. ולכן בעקרון מבנה זה מאפשר את החקירה האנלוגית של אפקטים כבידתיים קוונטיים. בהיות המבנה כולו רכיב קוונטי מכני, הוא מאפשר חקירה של אפקטים קוונטיים בתהליך הוקינג.

במבנה הזה בנוסף ניתן לתמרן את העוצמה של השדה המגנטי המיושם, כך שמערך ה- SQUID ישמש לבדיקת קרינת החור השחור, אפילו מעבר למה שהוקינג עצמו חשב. כך טוענים החוקרים של המחקר החדש. החוקרים סבורים שהשיטה החדשה, שעושה שימוש ב- SQUID, היא שיטה ישירה יותר לגילוי קרינת הוקינג מהשיטות שהוצעו בעבר לבניית אנלוגיות לחור שחור במעבדה, כולל החור השחור הסוני של החוקרים מהטכניון שהוצע לא מכבר.

המאמר:

Phys. Rev. Lett. 103, 087004 (2009) [4 pages]

Analogue Hawking Radiation in a dc-SQUID Array Transmission Line

P. D. Nation,1 M. P. Blencowe,1 A. J. Rimberg,1 and E. Buks2
1Department of Physics and Astronomy, Dartmouth College, Hanover, New Hampshire 03755, USA
2Department of Electrical Engineering, Technion, Haifa 32000 Israel

Received 23 April 2009; published 20 August 2009

We propose the use of a superconducting transmission line formed from an array of direct-current superconducting quantum interference devices for investigating analogue Hawking radiation. Biasing the array with a space-time varying flux modifies the propagation velocity of the transmission line, leading to an effective metric with a horizon. Being a fundamentally quantum mechanical device, this setup allows for investigations of quantum effects such as backreaction and analogue space-time fluctuations on the Hawking process.

©2009 The American Physical Society

 

 

Advertisements