فیزیکدانان با موفقیت استخراج انرژی سیاه‌چاله را در آزمایشگاه بازسازی کردند

برای دهه‌ها، سیاه‌چاله‌ها به عنوان مسیرهای یک‌طرفه نهایی کیهان در نظر گرفته می‌شدند—تله‌های کیهانی که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آن‌ها بگریزد. اما در سال ۱۹۶۹، راجر پنروز، فیزیکدان ریاضی بریتانیایی، یک راه گریز رادیکال را مطرح کرد. او نظریه داد که اگر یک سیاه‌چاله در حال چرخش باشد، ممکن است بتوان مقداری از انرژی چرخشی آن را دزدید. این مفهوم، که به عنوان فرایند پنروز شناخته می‌شود، پیشنهاد می‌کرد که یک تمدن پیشرفته می‌تواند به طور نظری یک شیء را به هاله بیرونی سیاه‌چاله پرتاب کند، آن را به دو نیم تقسیم کند و یک نیمه را با انرژی بیشتری نسبت به شیء اصلی بازیابی کند. انرژی اضافی مستقیماً از چرخش سیاه‌چاله گرفته می‌شود.[1][4]

ریاضیات پشت نظریه پنروز محکم بود و در نهایت به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۰ توسط او کمک کرد. با این حال، آزمایش این نظریه غیرممکن به نظر می‌رسید. نزدیک‌ترین سیاه‌چاله چرخان هزاران سال نوری فاصله دارد و مهندسی مورد نیاز برای ساخت یک ابرسازه در اطراف آن، کاملاً متعلق به قلمرو داستان‌های علمی تخیلی است. برای مدت طولانی، فرایند پنروز یک کنجکاوی ریاضی درخشان اما غیرقابل آزمایش باقی ماند که محدود به تخته‌سیاه‌ها و مقالات اخترفیزیک نظری بود.[4]

این پارادایم اکنون تغییر کرده است. تیمی از فیزیکدانان با موفقیت مکانیک دقیق فرایند پنروز را در یک محیط آزمایشگاهی، با استفاده از یک آنالوگ نوری بسیار پیشرفته، به نمایش گذاشتند. محققان با ایجاد یک «ارگوسفر» مصنوعی—منطقه‌ای از فضازمان پیچیده که یک سیاه‌چاله چرخان را احاطه کرده است—با استفاده از بلورهای نوری غیرخطی و نور لیزر پیچیده، توانستند تقویت دقیق انرژی را که پنروز ۵۷ سال پیش پیش‌بینی کرده بود، مشاهده کنند.[2]

برای درک چگونگی عملکرد این سازوکار، باید به کالبدشکافی یک سیاه‌چاله چرخان نگاه کرد. برخلاف یک سیاه‌چاله ثابت، یک سیاه‌چاله در حال چرخش، خود بافت فضازمان را با خود می‌کشد و یک گرداب چرخشی به نام ارگوسفر ایجاد می‌کند. در داخل این منطقه، فضا سریع‌تر از سرعت نور حرکت می‌کند. شیئی که وارد ارگوسفر می‌شود، مجبور است همراه با سیاه‌چاله بچرخد، صرف نظر از اینکه چقدر انرژی برای ثابت ماندن صرف کند.[1][4]

پنروز متوجه شد که اگر ذره‌ای وارد این منطقه آشفته شود و به دو نیم تقسیم گردد، قوانین فیزیک اجازه یک ترفند حسابداری عجیب را می‌دهند. یک قطعه می‌تواند مجبور به مسیری شود که به آن «انرژی منفی» نسبت به جهان خارج می‌دهد. هنگامی که این قطعه با انرژی منفی از افق رویداد عبور کرده و بلعیده می‌شود، سیاه‌چاله عملاً یک کسری را می‌بلعد. برای موازنه دفتر کل کیهانی، نیمه باقی‌مانده ذره به شدت به بیرون پرتاب می‌شود و انرژی اصلی به علاوه بخشی دزدیده شده از جرم چرخشی سیاه‌چاله را با خود حمل می‌کند.[4]

ترجمه این خشونت اخترفیزیکی به یک آزمایش رومیزی، نیازمند یک جهش مفهومی بود که اولین بار در سال ۱۹۷۱ توسط یاکوف زلدوویچ، فیزیکدان شوروی، پیشنهاد شد. او اظهار داشت که فرایند پنروز منحصراً مربوط به گرانش نیست. بلکه، این یک ویژگی بنیادی تعامل امواج با اجسام چرخان است. زلدوویچ نظریه داد که اگر امواج نور یا صدای پیچیده به سمت یک استوانه در حال چرخش سریع شلیک شوند، با انرژی بیشتری نسبت به انرژی ورودی بازتاب خواهند یافت، مشروط بر اینکه استوانه به اندازه کافی سریع بچرخد تا یک تغییر دوپلر چرخشی خاص را ایجاد کند.[1]

ایده زلدوویچ، که به عنوان ابرتابش چرخشی (Rotational Superradiance) شناخته می‌شود، درخشان بود اما از نظر فناوری در دهه ۱۹۷۰ دست‌نیافتنی بود. استوانه باید میلیاردها بار در ثانیه می‌چرخید تا امواج نور را تقویت کند، سرعتی که فوراً هر ماده شناخته شده‌ای را از هم می‌درید. در نتیجه، این نظریه برای دهه‌ها به حال خود رها شد و منتظر ماند تا فناوری به ریاضیات برسد.

این پیشرفت زمانی حاصل شد که محققان تلاش برای چرخاندن یک شیء فیزیکی را متوقف کردند و در عوض ویژگی‌های نوری یک ماده را چرخاندند. در آزمایش جدید، فیزیکدانان از یک محیط نوری غیرخطی استفاده کردند—یک بلور تخصصی که ضریب شکست آن می‌تواند به سرعت توسط پالس‌های لیزری شدید تغییر یابد. با شلیک دنباله‌ای از پالس‌های لیزری دایره‌ای و زمان‌بندی شده دقیق به داخل بلور، آن‌ها یک «فضازمان مؤثر» چرخان ایجاد کردند که اثر کششی ارگوسفر سیاه‌چاله را تقلید می‌کرد.[2]

به داخل این گرداب مصنوعی، تیم یک پرتو کاوشگر از نور پیچیده—فوتون‌هایی که تکانه زاویه‌ای مداری را حمل می‌کنند—شلیک کرد. هنگامی که پرتو کاوشگر وارد میدان نوری چرخان شد، با فضازمان مصنوعی تعامل کرد. بخشی از انرژی موج جذب حالت «انرژی منفی» محیط چرخان شد، در حالی که بقیه به سمت آشکارسازها بازتاب یافت.[2][3]

نتایج غیرقابل انکار بودند. امواج نور بازتاب یافته با تقریباً ۲۰ درصد انرژی بیشتر از زمانی که وارد بلور شده بودند، خارج شدند. سیاه‌چاله مصنوعی مجبور شده بود بخشی از انرژی چرخشی خود را به نور فرار کننده بدهد، که کاملاً آینه‌دار ریاضیات فرایند پنروز بود. محققان با موفقیت انرژی را از یک آنالوگ آزمایشگاهی فضازمان خمیده برداشت کرده بودند.[2]

این نمایش نوری بر اساس آنالوگ‌های قبلی و کندتر ساخته شده است. در سال ۲۰۲۰، یک تیم دیگر با موفقیت نظریه زلدوویچ را با استفاده از امواج صوتی و یک حلقه چرخان از جاذب‌های صوتی به نمایش گذاشت. از آنجا که صدا بسیار کندتر از نور حرکت می‌کند، سرعت‌های چرخش فیزیکی مورد نیاز قابل دستیابی بود. با این حال، حرکت از امواج صوتی به میدان‌های کوانتومی نوری، یک جهش عظیم در دقت و قابلیت کاربرد است و آزمایش را بسیار به مکانیک کوانتومی که بر سیاه‌چاله‌های واقعی حاکم است، نزدیک‌تر می‌کند.[1]

پیامدهای این آزمایش بسیار فراتر از تأیید اخترفیزیکی است. توانایی تقویت امواج نور با بازتاب آن‌ها از میدان‌های مصنوعی چرخان، مرز جدیدی را در فرامواد می‌گشاید. مهندسان در حال حاضر در حال نظریه‌پردازی در مورد چگونگی استفاده از این سازوکار برای ساخت کلاس‌های کاملاً جدیدی از تقویت‌کننده‌های نوری هستند که اجزای حیاتی در ارتباطات فیبر نوری و شبکه‌های محاسبات کوانتومی محسوب می‌شوند.[1][3]

علاوه بر این، آزمایش‌های گرانش آنالوگ مانند این، یک زمین بازی منحصر به فرد را برای فیزیکدانان فراهم می‌کنند تا مرزهای بین نسبیت عام و مکانیک کوانتومی را بیازمایند. جام مقدس فیزیک مدرن، یک نظریه واحد گرانش کوانتومی است و سیاه‌چاله‌ها نهایی‌ترین میدان آزمایش هستند. با ایجاد سیاه‌چاله‌های مصنوعی در آزمایشگاه، محققان می‌توانند مشاهده کنند که میدان‌های کوانتومی در فضازمان خمیده چگونه رفتار می‌کنند، بدون نیاز به تلسکوپ.

البته، محدودیت‌هایی برای رویکرد آنالوگ وجود دارد. یک بلور غیرخطی یک تکینگی واقعی نیست و جرم گرانشی خردکننده یک ستاره فروپاشیده را ندارد. اخترفیزیکدانان نظری هشدار می‌دهند که در حالی که مکانیک موجی فرایند پنروز اثبات شده است، اثرات شدید گرانش کوانتومی که ممکن است در نزدیکی یک افق رویداد واقعی رخ دهد، همچنان در هاله‌ای از ابهام باقی مانده است.

با این وجود، استخراج موفقیت‌آمیز انرژی از یک سیاه‌چاله مصنوعی به عنوان یک دستاورد تاریخی در فیزیک تجربی محسوب می‌شود. این دستاورد شکاف نیم قرنی بین ریاضیات نظری و واقعیت فیزیکی را پر می‌کند. دیدگاه راجر پنروز در مورد جهانی که در آن سیاه‌چاله‌ها نه تنها نابودگرهای کیهانی، بلکه موتورهای بالقوه قدرت عظیم هستند، سرانجام محقق شد—نه در فواصل دور فضا، بلکه بر روی یک میز آزمایشگاهی.[1][4]