קולות של חורים שחורים

מדען בטכניון: הוכחתי קיומה של קרינת הוקינג

מחקר שיוכל לפתור שאלות יסוד בפיזיקה. פרופ' ג'ף סטיינהאואר. תצלום באדיבותו
מחקר שיוכל לפתור שאלות יסוד בפיזיקה. פרופ' ג'ף סטיינהאואר. תצלום באדיבותו

חורים שחורים הם אחת התופעות המוזרות ביותר ביקום. למעשה, אין מדובר כלל בחור, אלא להיפך – בחומר דחוס ביותר. חור שחור נוצר בסיום חייו של כוכב, כלומר שמש, גדול בהרבה מהשמש שלנו. בתנאים הפיזיקליים המתאימים קורס הכוכב אל תוך עצמו, והמסה העצומה נדחסת בתוך שטח זעיר ביותר: כוכב הגדול פי עשרה מהשמש שלנו, יהפוך לחור שחור שקוטרו קילומטרים אחדים. החומר הזה כ"כ צפוף, שכפית אחת מאדמתו (לו היה אפשר לאסוף אותה בכפית, כמובן) שוקלת עשרות מיליארדי טונות. ליישות כזו יש גם כבידה אדירה – כ"כ חזקה עד ששום דבר אינו יכול להימלט ממנה, אפילו לא אור. לכן אין לנו אפשרות לראות חורים שחורים – הם בולעים כל אור שעובר לידם ואינם פולטים דבר. כמעט.

האור נכנע לכבידה

הרעיון של כוכב כה כבד עד שהוא בולע אפילו אור נולד כבר בסוף המאה ה-18 במוחותיהם של כמה מדענים. ואולם, את ההכרה הכללית בהיתכנותו הוא קיבל בזכות תורת היחסות הכללית שפרסם אלברט איינשטיין (Einstein) ב-1915. איינשטיין הראה בין השאר כי הכבידה מכופפת גם את גלי האור, ופתרונות של המשוואות שפרסם העלו כי אכן, בתנאים מתאימים, יכולים להיווצר גופים כה כבדים ודחוסים, עד שיבלעו הכל. בעשורים הבאים המשיכו פיזיקאים לחקור את ההיבטים התיאורטיים של גופים כאלה (אחד החוקרים הבולטים בתחום היה רוברט אופנהיימר, (Oppenheimer) המוכר יותר כאבי פצצת הגרעין האמריקנית) ובהדרגה הבינו החוקרים כי יישויות כאלה אכן יכולות להתקיים בפועל, ואינן רק מושג תיאורטי, כפי שסבר איינשטיין בשעתו. בשנת 1967 טבע ג'ון ווילר (Wheeler), את המושג "חור שחור", שנקלט במהרה – אף על פי שכאמור אין מדובר כלל בחורים.

פיצול זוגי

במשך שנים רבות סברו המדענים כי אכן שום דבר לא יוכל להיפלט מתוך חור שחור. ואולם, ב-1974 הפתיע הפיזיקאי הנודע סטיבן הוקינג (Hawking) עם תחזית כי חור שחור אמור לפלוט קרינה. ליתר דיוק, הוקינג סבר כי זוגות של חלקיקים נוצרים באופן ספונטאני – יש מאין – בגבול אופק האירועים: זה גבול ההשפעה של החור השחור – כלומר המקום שמעבר לו, שום דבר אינו יכול להימלט מהכבידה האימתנית. הזוגות האלה, לפי התחזית של הוקינג, אמורים להתפצל. חלקיק אחד ייבלע בחור, והאחר ייפלט ממנו בצורת קרינה חלשה, כמו גלי רדיו. את התחזית הזו ביסס הוקינג על עבודתו של מדען ישראלי, פרופ' יעקב בקנשטיין (Bekenstein). בעבודת הדוקטורט שלו באוניברסיטת פרינסטון (אצל אותו ג'ון ווילר שהזכרנו קודם), עסק בקנשטיין בפרדוקס האנטרופיה של חורים שחורים. אנטרופיה היא אי סדר שקיים בכל מערכת בטבע. לפי החוק השני של התרמודינאמיקה, האנטרופיה ביקום אינה יכולה לקטון לעולם, רק לגדול. ואולם, כשחור שחור בולע משהו – כוכב למשל – הוא בולע גם את האנטרופיה שלו והיא אמורה להיעלם. כלומר – אי הסדר בעולם צפוי לקטון תוך הפרת חוק כה בסיסי במדע. בקנשטיין הוכיח כי בניגוד למה שחשבו עד אז, גם לחור שחור יש אנטרופיה משלו, ותוספת האנטרופיה מתבטאת בגידול מסויים של שטח אופק האירועים. התגלית המהפכנית הזו (המכונה כיום גם אנטרופיית בקנשטיין-הוקינג), הניחה את היסודות לקביעה של הוקינג כעבור שנתיים, כי חור שחור אכן אמור לפלוט מעט קרינה, הקרויה על שמו: קרינת הוקינג. ואולם, עד עתה דבר קיומה של קרינת הוקינג לא הוכח מעולם, משום שהיא כה חלשה, עד שאין לנו שום אפשרות למדוד אותה בחור שחור אמיתי.

חלופה קוונטית

העובדה שאי אפשר למדוד את קרינת הוקינג, אינה מרפה את ידיהם של כמה מדענים, המבקשים להוכיח את קיומה בדרכים אחרות. אחד מהם הוא פרופ' ג'ף סטיינהאואר (Steinhauer) מהטכניון. ב-2009 הצליח סטיינהאואר לפתח במעבדה התקן המדמה את פעילותו של חור שחור, בקנה מידה הרבה יותר קטן. החור השחור שלו מבוסס על תופעה קוונטית, המתרחשת בטמפרטורה קרובה מאוד לאפס המוחלט (273.15 מעלות מתחת לאפס). כשמקררים אטומים לטמפרטורה כזו, רק מיליארדית המעלה מעל האפס המוחלט, הם עוברים מעין קריסה למצב יסוד, כלומר מתנהגים כמו גלי אור, או כמו נוזל בעל תכונות מיוחדות. במתקן של סטיינהאואר, יש שתי קבוצות כאלה של אטומי רובידיום, והרווח הזעיר ביניהן מאפשר לאטומים לעבור במהירות מקבוצה לקבוצה. בתנאים האלה נוצרים גלי קול בשל התופעות הקוונטיות, אך הם איטיים הרבה יותר מן האור, ואינם יכולים לחמוק החוצה. כך הדגימו המדענים את קיומו של אופק אירועים בהתקן הזה – אזור שמעבר לו גלי קול נבלעים ואינם יכולים להיחלץ.

משוואות דומות

בחמש השנים שעברו מאז, שקדו סטיינהאואר ותלמידיו על שכלול המערכת, בנסיון ללכוד את הממצא החמקמק מכל: קרינת הוקינג. בעת האחרונה הם סוף-סוף הצליחו, וראו שממש כמו בתחזית לפני ארבעים שנה, נוצרו באופק האירועים שלהם זוגות של גלי קול, אחד מהם נבלע בכיוון החור, והאחר נחלץ ממנו. את הממצאים פרסם סטיינאואר בעת האחרונה בכתב העת Nature Physics. לדבריו, המשוואות המתארות התנהגות של גלי קול דומות מאוד לאלה המתארות גלי אור או סוגים אחרים של קרינה אלקטרו-מגנטית, ולכן הניסוי שלו מוכיח בוודאות שקרינת הוקינג אכן קיימת. כמה מדענים טוענים שעדיין לא הוכח כי החור השחור הקולי אכן מדמה במידה מספקת את האירועים בחור שחור אמיתי, ואולם מדענים אחרים אומרים כי על אף המגבלות הטבעיות במערכת הניסוי, הממצאים של סטיינהאואר מגיעים לרמת הקרבה הטובה ביותר שאפשר לגילוי קרינת הוקינג.

חומר מקיף חור שחור. (NASA/Dana Berry/SkyWorks Digital)
מקיף חור שחור. (NASA/Dana Berry/SkyWorks Digital)

פיזיקה חדשה

אם אכן יתברר כי סטיינהאואר הצליח להוכיח את קיומה של קרינת הוקינג, הממצאים יהיו בעלי השלכות מרחיקות לכת. ראשית, זו תהיה עוד הוכחה לגדולתו של המדען המשותק ועטור הפרסים, ואולי היא תספק את הדחיפה לזכייתו בפרס היחיד כמעט שבו עדיין לא זכה – פרס נובל (ואין סיבה שגם בקנשטיין לא יהיה שותף לפרס הזה). אבל מעבר לכבוד ולאגו של הוקינג, החוקרים מקווים כי הבנה טובה יותר של החורים השחורים תאפשר לפתור כמה מבעיות היסוד של הפיזיקה. הבעיה העיקרית היא העדרה של תאוריה מאוחדת, הכוללת הן את המשוואות הקוונטיות שבבסיסו של החור השחור הקולי, הן את תורת היחסות הכללית, שהיתה הבסיס העקרוני לגילוי החורים השחורים. שילוב בין תורת היחסות לתורת הקוונטים יאפשר אולי סוף סוף להבין כיצד הכבידה מגיבה עם כוחות פיזיקליים אחרים, ולקדם את הפיזיקאים לקראת פיתוחה של תיאוריה אחת המסבירה את כל התופעות ביקום, לפחות אלה שאנו מכירים.

בעיה נוספת שעשויה להיפתר בעזרת הבנה של קרינת הוקינג מכונה "פרדוקס המידע": על פי תורת הקוונטים, כל חלקיק קוונטי (למשל חלקיק אור), נושא עמו מידע מסויים: המהירות שלו, התנע, כיוון הסיבוב העצמי וכו'. המידע הזה, אינו אמור להיעלם. כשחלקיק כזה נבלע בתוך חור שחור, אנו יכולים להניח שהמידע נשמר בתוכו. ואולם, מכיוון שפליטה של קרינת הוקינג גורמת לחור השחור לאבד כמות זעירה של מסה, החור השחור בעצם מתכלה, אט אט. אמנם, ההתכלות הזו כה איטית עד שגם הזמן הדרוש להיעלמות החור השחור הקטן ביותר הוא מיליארדי שנים (ארוך בהרבה מגיל היקום, שהוא בסה"כ בן 13.8 מיליארד שנה), אבל אם החור השחור ייעלם, גם המידע שנבלע ייעלם יחד איתו, והדבר סותר את חוקי היסוד של תורת הקוונטים. אחת הדרכים האפשריות ליישוב הפרדוקס היא להוכיח שקרינת הוקינג נושאת עמה מידע קוונטי, דבר שעד כה לא היה אפשרי, בלי הוכחה מוחשית שהקרינה הזו אכן קיימת. הוכחת קיומה של קרינת הוקינג תוכל לסלול את הדרך לפתרון הפרדוקס – דרך שאולי תוביל אותנו אל אופקים חדשים לגמרי בפיזיקה.

לכתבה באתר רשת ב' עם אפשרות להאזנה

מאמר המחקר בכתב העת Nature Physics

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

214 תגובות

  1. אחרון להיום.. לא היו צריכים לעשות מחקרים מסובכים כדי להוכיח את הקרינה. מספיק שהיו מפעילים צינור מים ליד שיירת נמלים שהולכות בזוגות כדי לראות איך מגבול מסוים הן נשטפות ומעבר לו- הן לא.

  2. יהודה- אמרת באחת התשובות ש"לכן כל החלקיקים שהתנגשו בדרך איבדו את המידע שלהם על גרביטציה כי אחרי ההתנגשות הם הפכו אקראיים. "
    איך תיתכן אקראיות כלשהי? כל מצב נגרם בגלל משהו שגרם אותו ולעיתים שילובי הכוחות מורכבים מדי עבורנו כדי לעקוב אחריהם כך שאנו קוראים לזה אקראיות.

  3. למה מתייחסים לכך כאל קרינה? מדובר על זוג חלקיקים שנוצרו יש מאין על גבול אופק הארועים ואחר מהם נמשך לחור השחור בעוד השני לא. לא מדובר על קרינה שנפלטה מהחור אלא על אפקט סביבו.
    אפקט דומה יכול להיווצר בכל מקום בו יש השפעה על צמד החלקיקים. נניח קרינת מיקרוגל משפיעה עליהם בצורה כלשהי, הייתי מצפה שבגבול השפעת קרינת המיקרו יהיה שינוי על אחד מצמד החלקיקים וזה יבוא לידי ביטוי אכשהו. אולי יהיה קשה למדוד את זה.אלא אם הם נוצרים ומופיעים באותו מיקום יחדיו, מה שיפיל את כל התיאוריה.

  4. לניסים
    אכן ניכנסתי ללינק. אין כאן הוכחה למשהו. ס"ה נאמר שם שייתכן והג'י פי אס יוכל לחקור ואולי לגלות את התופעה. אני לצערי מהספקנים. אבל אני אהיה מהראשונים להצדיע למגלים
    בהצלחה!
    יהודה

  5. אלבנזטו,
    יש לי שאלה הקשורה לכוח המשיכה שמפעיל חור שחור בהיבט הקוונטי.
    השאלה העיקרית: האם חור שחור "מפריע מאוד" לעצמו לייצר משיכה?
    המוטיבציה לשאלה מגיעה מכך שהחור מפריע לאור מלצאת אז ובאותו האופן הוא מפריע לגרוויטונים לצאת וההסבר למשיכה עובר דרך חלקיקים וירטואליים. האם עוצמת השמיכה לכן פחותה ממה שהיינו מצפים מגוף בעל מסה דומה שאינו חור שחור?

    אני מניח שהתשובה היא שלילית לחלוטין אבל הרי אין שאלות טיפשיות יש רק אנשים…

  6. אלבנזו, בקצרה:

    איפה אמרתי לך אי פעם שאתה טועה?

    איפה הצגתי אי פעם את התיאוריה שלי בכלל, ובחוסר ענווה בפרט?

    איזה מידע הצגת לי שסותר את הרעיון שלי? מהו בכלל הרעיון שלי?

    מהו הרעיון של יהודה? קראת את "תאוריית היקום הפשוט שלו"?

    מתי אמרתי שאני מסכים עם התיאורייה של יהודה או שהיא מסבירה את עקומת הסיבוב? הנה מה שכתבתי:

    "לא שאני מסכים איתה, אבל היא די קונסיסטנטית עם אנומליית הסיבוב בגלקסיות".

    האם פושינג גרביטי – בתוספת שינוי הכרחי שאותו ניסיתי לעלות בפני יהודה ללא הצלחה אינה קונסיסטנטית עם אנומליית הסיבוב? האם אתה מתמצא בתיאוריית לסאז', שהתאורייה של יהודה הינה הרחבה שלה?

    בנוגע לשזירה:

    אם לדייק – מעולם לא הגענו לדיון בנושא העברת האינפורמציה.

    אם אינך מעוניין לדון בנושא, זכותך. אך אם כן – וכולנו נשמח אני מאמין אם תעשה זאת – השאלה הראשונה שצריכה לקבל תשובה היא שאלת המטבעות: אם שני מטבעות בחדרים נפרדים נופלים תמיד על אותו הצד, ואין משתנים חבויים, דהיינו מצב המטבעות לא נקבע כאשר הם הופרדו אלא נקבע בזמן הנפילה, כיצד ניתן להגיד שלא עברה אינפורמציה בין החדרים?

    בקשר ליחסות:

    אתה אומר: "אם מנקודת המפץ הגדול ועד היום היה יושב מישהו עם שעון בשקט ומחזיק שעון, הוא היה רואה כ-14 מיליארד שנה שעוברות. זה לא אומר שזה הזמן שהיה מודד צופה הנע במהירויות יחסותיות".

    הנקודה שלי היא שאם נהפוך את היוצרות, ואותו צופה הנע במהירות יחסותית נמצא במנוחה יחסית לקרינת הרקע, אז הצופה שיושב בשקט עם השעון מראה זמן גבוה משלו, דהיינו גבוה מגיל קרינת הרקע, דהיינו גבוה מגיל היקום.

    אבל אותו צופה גם הוא חלק מאותו יקום, ולכן גילו אינו יכול לעבור את גיל היקום.

    בקשר למסה אפלה:

    לא מכיר את הנושא מספיק, וכמו תמיד, אני מוצא שהדרך שלנו של שאלות, תגובות, קצת כסאח, היא דרך מצויינת ללמוד את הנושא בצורה מעניינת.

    לראיה: המאמר שהבאת.

  7. ישראל,

    ההערה בנוגע לזה שאתה רואה רק מה שנוח לך התייחסה לכך שכתבת (כמה פעמים) שהרעיון של יהודה דווקא מסביר את עקומות הסיבוב בגלקסיה. זהו מצג-שווא של הנושא, מפני שהתעלמת מכך שהוא *לא* מסביר את כל הראיות, אלא אחוז קטנטן מתוכן.

    בנוגע לשאלותיך, להלן תשובות (אם כי קצרות):

    1. כדי לחזות בדיוק את התפלגות החומר האפל אנו צריכים לדעת את תכונותיו המלאות, שיקבעו אילו אינטראקציות הוא מבצע עם עצמו ועם שאר החומר הבריוני. אמרתי לך את זה כבר מספר פעמים. מכיוון שאיננו יודעים זאת, יש שני דברים שאנחנו יכולים לעשות כדי להעריך את ההתפלגות: הראשון הוא להתייחס לשיקולים סטטיסטיים , שיתכן שיהיו שגויים אם האינטראקציות של החמר האפל הן קיצוניות לכאן או לכאן. שיקולים אלה, פשוט בגלל גודל הגלקסיה, מראים שהסיכוי שיהיה צביר גדול של חומר אפל ממש צמוד אלינו (במרחק של עד כמה יחידות אסטרונומיות, יותר מזה כבר נתקשה לראות השפעות שלו על מסלולים מדידים) הוא כמעט 0. השיקול השני הוא גרביטציוני – אנחנו יכולים לשאול "איך תראה התפלגות החומר האפל שקיומה יתקן את החריגות בגלקסיית שביל החלב?", והתשובה לשאלה זו נמצאת בספרות. מדובר על התפלגות של הילה שמרוכזת רובה בשולי הגלקסיה (אתה יכול למצוא את ההתפלגות המפורשת אפילו בויקיפדיה). כלומר, אם זה באמת חומר אפל שגורם לסטיות אז צפוי מאוד שלא נמצא אותו בכמות גדולה במערכת השמש שלנו.

    2. מצטער, לא נכנס לזה שוב. אתה שואל בדיוק את אותה שאלה עליה ניסיתי לענות לך כבר 10 פעמים בויכוח שהתפוצץ. בזמנו נתתי לך אמון אנאלוגיות ודוגמאות ואף אחת לא שכנעה אותך (לגיטימי). אם אתה רוצה תשובה שלא משתמעת לשתי פנים, למד כיצד מגדירים אינפורמציה בתורת האינפורמציה וכיצד מחשבים מידע משותף לשתי מערכות (או מעבר של מידע באינטראקציה). אזכיר לך שהראתי לך במפורש שאם לי יש ספין ששזור לספין שני, שמצוי אצלך – אין שום דרך להעביר ביני לבינך מסר אלא אם מלווים תהליך זה בתקשורת קלאסית. אבל אני ממש לא נכנס שוב לכל זה.

    3. אני לא מבין מה הבעיה, אולי תמקד את השאלה. באופן עקרוני, ניתן להגדיר מערכת קואורדינטות למרחב (שהיא כמובן לא יחידה – כל הגדלים המדידים מוגדרים ללא תלות בקואורדינטות). מערכת זו כוללת קואורדינטת זמן. במטריקה של מודל המפץ הגדול, ובמערכת הקואורדינטות הסטנדרטית שלו, ניתן לראות כמה זמן עבר מאז המפץ ועד היום. קואורדינטת הזמן אינה בהכרח הזמן שצופה כלשהו מודד! במודל הספציפי של המפץ הגדול ניתן לראות שהקואורדינטה הסטנדרטית מתיישרת עם הזמן שמודד צופה נייח. כלומר, אם מנקודת המפץ הגדול ועד היום היה יושב מישהו עם שעון בשקט ומחזיק שעון, הוא היה רואה כ-14 מיליארד שנה שעוברות. זה לא אומר שזה הזמן שהיה מודד צופה הנע במהירויות יחסותיות.

    ועכשיו לי יש שאלה אליך: אם אתה מודע לכך שאתה ויהודה לא מעודכנים בפיזיקה מודרנית, לא מכירים את הראיות והמדידות בשלמותן, וכלשונך – "קשה מאוד להשתנות או ללמוד ברצינות", אתה לא חושב שאולי אתם צריכים ללוות את התיאוריות שלכם בטיפה ענווה? טיפה מודעות עצמית? אני לא אומר לכם לקבל כל מה שאני אומר כמו תורה מסיני, אבל אם אני מפנה אתכם למידע שלטענתי סותר את הרעיונות שלכם ושאתם לא מכירים (כמו הראיות לקיום חומר אפל שאינן תלויות בקירוב של שדה חלש במקרה של יהודה, או אי-העברת המידע בין שני ספינים שזורים במקרה שלך) – אתה לא חושב שאתם צריכים ללמוד אותו ולהתייחס אליו לפני שאתם יכולים להגיד לי שאני טועה?

    אין בעיה לא להסכים איתי. אבל אם אתה לא מסכים איתי, הראה לי שאני טועה. אני הראתי לך וליהודה שאתם טועים. לעצום את העיניים והאוזניים, ולסרב להבין את הסיבות בגינן אתם טועים לא אומר שאתם צודקים.

  8. ואם כבר מתחילים אז בשל התנועה אחורה וקדימה בזמן פעמים רבות סטטיסטית יוצא חלקיק מחור שחור , וזה תלוי בממד שלו

  9. משהו שאולי קשור על המרחב ותנועה אחורה בזמן שאולי משפיעה על ה"משיכה" – המרחב עשוי מכלום והחלקיקים יודעים את היחוס שלהם ביחס לחלקיקים האחרים מתנועה אחורה וקדימה בזמן פעמים רבות

  10. לא יעזור, יודה.

    דרך קטנה – חיכוך גדול.

    דרך גדולה – משיכה קטנה.

    דרך ז'בוטינסקי – פקקים.

    דרך בורמה – משוריינים.

    אולי כדאי לחפש דרך אחרת?

    דרך צלחה.

    הכי טוב –

  11. לישראל
    אכן יתכן שהדרך החופשית היא הרבה יותר קטנה אמרתי לך שאני לא סגור על הדרך החופשית .
    אני גם לא סגור על זה שהחיכוך צריך להפריע כי הרי כל הזמן מגיעים חלקיקים למערכת. כך לדוגמא ספינת מפרשים אף על פי שיש לה חיכוך עם הסביבה היא בכל זאת נעה ובמהירות קבועה והיא יודעת גם לנוע נגד כיוון הרוח.
    יש לי כמה ניסויים שאמורים לבדוק את הנושא וגם יש צורך לבדוק אם יש סטייה מניוטון בכוכבים כפולים (לא רק סטיות יחסותיות) ןלנסות להגיע לדרך החופשית האפשרית. מועמד טוב הוא הכפול כפול אפסילון לירה ADS11635.
    יש עוד מה לבדוק .אבל לא הייתי ממהר לזרוק את לה סאז' והיקום הפשוט.
    לילה טוב
    סבדרמיש יהודה

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן