فیزیکدانان «تبخیر» یک سیاهچاله شبیه‌سازی شده را در آزمایشگاه مشاهده کردند

ویژگی اصلی یک سیاهچاله، قطعیت مطلق آن است. برای دهه‌ها، اجماع علمی بر این بود که هنگامی که ماده یا نور از افق رویداد عبور می‌کند، برای همیشه از جهان قابل مشاهده حذف شده و در یک چاه گرانشی گریزناپذیر به دام می‌افتد.

این قانون مطلق در سال ۱۹۷۴ زمانی که فیزیکدان نظری، استیون هاوکینگ، مکانیک کوانتومی را وارد معادله کرد، بازنویسی شد. هاوکینگ پیشنهاد کرد که خلأ فضا خالی نیست، بلکه مملو از جفت‌های ذرات مجازی است که دائماً به وجود می‌آیند و یکدیگر را نابود می‌کنند.[1][6]

هاوکینگ استدلال کرد که اگر این نوسان کوانتومی دقیقاً در مرز افق رویداد رخ دهد، یک ذره می‌تواند به داخل سیاهچاله کشیده شود در حالی که شریک آن فرار می‌کند. برای یک ناظر بیرونی، به نظر می‌رسد سیاهچاله در حال انتشار انرژی حرارتی است—پدیده‌ای که اکنون به عنوان تابش هاوکینگ شناخته می‌شود.[6]

اما این انتشار با یک الزام سختگیرانه حسابداری کیهانی همراه است. از آنجا که انرژی نمی‌تواند از هیچ خلق شود، انرژی‌ای که توسط ذره فراری حمل می‌شود باید از خود سیاهچاله کسر شود. در طول بازه‌های زمانی غیرقابل تصور، این تخلیه انرژی باعث می‌شود سیاهچاله جرم خود را از دست بدهد، کوچک شود و در نهایت به طور کامل تبخیر گردد.[3]

مکانیسم مسئول این انتقال انرژی به عنوان «واکنش متقابل» (backreaction) شناخته می‌شود. این همان پس‌زدگی، یا فشار ظریفی است که سیاهچاله هنگام تابش تجربه می‌کند. در حالی که خود تابش هاوکینگ یک پیش‌بینی قوی در فیزیک مدرن است، مشاهده واکنش متقابل که فرآیند تبخیر را هدایت می‌کند، یکی از گریزان‌ترین اهداف این حوزه باقی مانده است.[3][4]

مانع اصلی مقیاس است. تابش هاوکینگ منتشر شده توسط یک سیاهچاله اخترفیزیکی معمولی فوق‌العاده ضعیف است—دمای آن کسری ناچیز از یک درجه بالاتر از صفر مطلق است. این تابش کاملاً توسط تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی که در جهان نفوذ کرده، پوشانده می‌شود و مشاهده مستقیم آن با تلسکوپ‌های فعلی غیرممکن است.[4]

برای دور زدن این محدودیت کیهانی، فیزیکدانان به آنالوگ‌های آزمایشگاهی روی آورده‌اند. اگر نتوانند افق‌های رویداد گرانشی سیاهچاله‌های واقعی را مطالعه کنند، می‌توانند افق‌های مصنوعی را با استفاده از سیالات، امواج صوتی یا نور ایجاد کنند. این سیستم‌های آنالوگ طراحی شده‌اند تا ریاضیات نسبیت عام را در یک محیط کنترل‌شده کاملاً تقلید کنند.[2][6]

در یک مطالعه برجسته که در ژوئیه ۲۰۲۶ در مجله Nature منتشر شد، یک تیم بین‌المللی از فیزیکدانان به رهبری لورنزو پروکوپیو (Lorenzo Procopio) در دانشگاه پادربورن (Paderborn University) آلمان به چیزی دست یافتند که قبلاً غیرممکن تلقی می‌شد. آنها با موفقیت واکنش متقابل تابش هاوکینگ آنالوگ را در یک آزمایشگاه نوری اندازه‌گیری کردند.[1]

این آزمایش یک سیاهچاله واقعی ایجاد نکرد—هیچ خطری برای بلعیده شدن آزمایشگاه توسط گرانش شدید وجود نداشت. در عوض، تیم از پالس‌های لیزری فوق سریع که از طریق یک فیبر نوری با الگوی خاص حرکت می‌کردند، استفاده کرد تا یک آنالوگ افق رویداد را که کاملاً از نور ساخته شده بود، ایجاد کند.[3]

این تنظیمات متکی بر خواص نوری غیرخطی فیبر بود. هنگامی که یک پالس لیزر اولیه شدید از محیط عبور می‌کند، ضریب شکست فیبر را تغییر می‌دهد. این تغییر یک مانع نوری ایجاد می‌کند که به نظر می‌رسد یک پالس دوم و دنباله‌دار نور را متوقف می‌کند.[3]

برای امواج نوری دنباله‌دار، این مانع دقیقاً مانند یک افق رویداد عمل می‌کند. آنها می‌توانند به مرز نزدیک شوند، اما نمی‌توانند از آن عبور کنند. در این افق نوری، محققان آنالوگ تابش هاوکینگ را مشاهده کردند—فوتون‌هایی که با فرکانس‌های منفی منتشر می‌شوند و رفتار ذرات مجازی که از یک کشش گرانشی فرار می‌کنند را منعکس می‌نمایند.[2][5]

آزمایش‌های قبلی با موفقیت این تابش آنالوگ را تولید کرده بودند، اما تیم پادربورن به دنبال چیزی بسیار ظریف‌تر بود. آنها می‌خواستند واکنش متقابل—مقدار دقیق انرژی‌ای که پالس لیزر اولیه هنگام تولید تابش از دست می‌داد—را اندازه‌گیری کنند.[1][3]

برای درک این چالش، قانون سوم حرکت نیوتن را در نظر بگیرید. اگر روی اسکیت ایستاده باشید و یک جسم سنگین را به دور پرتاب کنید، خودتان به عقب خواهید غلتید. محققان به دنبال آن غلتیدن به عقب بودند—یک تغییر میکروسکوپی در انرژی پالس لیزر اولیه که ناشی از انتشار فوتون‌های هاوکینگ بود.[3]

از طریق اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیق، تیم این تغییر انرژی کوچک را تشخیص داد. آنها تأیید کردند که تابش از هیچ جا ظاهر نمی‌شود؛ بلکه به طور قابل اندازه‌گیری انرژی را از سیستمی که آن را تولید می‌کند، تخلیه می‌نماید. حسابداری انرژی پیش‌بینی ۵۲ ساله هاوکینگ سرانجام در یک سیستم فیزیکی تأیید شد.[1]

فراتر از تأیید واکنش متقابل، این آزمایش یک شگفتی بزرگ در مورد نحوه تولید تابش به همراه داشت. برای سال‌ها، مدل‌های نظری نشان می‌دادند که تابش هاوکینگ آنالوگ از طریق یک آبشار پیچیده و آشفته از تعاملات نوری غیرخطی پدیدار می‌شود.

در عوض، محققان کشف کردند که تابش و واکنش متقابل نتیجه یک فرآیند واحد و تمیز هستند. تعامل بین میدان تابش و سیستم محرک از یک جفت‌شدگی ریاضی مستقیم پیروی می‌کند که به عنوان «تعامل دوخطی» (biquadratic interaction) شناخته می‌شود.[1][5]

این سادگی برای فیزیکدانان نظری یک مکاشفه است. این مدل‌های چند مرحله‌ای پیچیده را با یک معادله ساده جایگزین می‌کند و راه‌های جدید و بسیار دقیقی را برای محاسبه اثرات کوانتومی در سیستم‌های آنالوگ باز می‌کند.[3][5]

محققان پیشنهاد می‌کنند که اگر این آنالوگ درست باشد، سیاهچاله‌های اخترفیزیکی واقعی نیز ممکن است از طریق یک فرآیند مشابه مستقیم و ساده تابش کنند. این می‌تواند پیامدهای عمیقی برای بحث‌برانگیزترین مناقشه در فیزیک مدرن داشته باشد: پارادوکس اطلاعات سیاهچاله.[4][6]

این پارادوکس یک سؤال اساسی می‌پرسد: اگر یک سیاهچاله به طور کامل تبخیر شود، چه اتفاقی برای اطلاعات کوانتومی ستارگان، سیارات و ماده‌ای که در ابتدا آن را تشکیل داده‌اند، می‌افتد؟ مکانیک کوانتومی حکم می‌کند که اطلاعات نمی‌توانند از بین بروند، اما نسبیت عام نشان می‌دهد که برای همیشه پشت افق رویداد از دست می‌روند.[4][6]

با اثبات اینکه واکنش متقابل از طریق یک تعامل ساده و مستقیم رخ می‌دهد، آزمایش پادربورن یک چارچوب ریاضی تمیزتر به نظریه‌پردازان ارائه می‌دهد. فرآیند انتشار ساده‌تر، مدل‌سازی چگونگی رمزگذاری اطلاعات کوانتومی ماده در حال سقوط در تابش هاوکینگ خروجی را از نظر تئوری آسان‌تر می‌کند.[5][6]

محققان مراقب هستند که محدودیت‌های کار خود را ذکر کنند. فیبر نوری فضازمان خمیده نیست، و این آزمایش فیزیک کوانتومی نوری یک افق را تکرار می‌کند، نه فیزیک گرانشی آن را. جهش از یک لیزر آزمایشگاهی به یک سیاهچاله ابرپرجرم همچنان یک تعمیم نظری باقی می‌ماند.[6]

با این وجود، معادل بودن رسمی ریاضی بین این دو سیستم، این دستاورد را به یک نقطه عطف تاریخی تبدیل می‌کند. پنجاه و دو سال پس از آنکه استیون هاوکینگ برای اولین بار پیشنهاد کرد که سیاهچاله‌ها کاملاً سیاه نیستند، فیزیکدانان سرانجام مکانیسم دقیقی را که باعث محو شدن آنها می‌شود، مشاهده کردند.[6]