מדען בטכניון: הוכחתי קיומה של קרינת הוקינג
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.
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: