وبفضل قوى الجاذبية الهائلة، تعتبر المناطق المحيطة بالثقوب السوداء بيئات عنيفة ومضطربة تحركها الفيزياء ولا يمكن العثور عليها في أي مكان آخر في الكون. في الواقع، الثقوب السوداء مؤثرة للغاية لدرجة أنها عندما تدور، فإنها تسحب نسيج الفضاء معها. بمعنى آخر، بالقرب من الثقب الأسود، لا شيء يقف ساكنًا. لاشىء على الاطلاق.
من الواضح أنه لا يمكن سحب الثقوب السوداء إلى الأرض، لذلك يمكن دراسة هذه التأثيرات في المختبر، لكن فريق بحث بقيادة علماء جامعة نوتنغهام، فعلوا الشيء التالي الأفضل. ابتكر الباحثون، لأول مرة، “دوامة كمومية” في سائل الهيليوم الفائق المبرد إلى درجات حرارة فائقة البرودة. يحاكي هذا الجهاز بشكل أساسي الثقب الأسود الموجود على كوكبنا.
وذلك لأن الإعصار الكمي ولّد موجات صغيرة على سطح السائل الفائق، وهي مادة قادرة على إظهار تدفق عديم الاحتكاك (أو لزوجة منخفضة بشكل لا يصدق) وسلوكيات غريبة أخرى لوحظت عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. هذه سلوكيات تحاكي الظروف الموجودة بالقرب من الثقوب السوداء الدوارة.
متعلق ب: خريطة ثلاثية الأبعاد لأكثر من مليون ثقب أسود تتتبع أماكن وجود المادة المظلمة في الكون
وقال باتريك سفانكارا، قائد الفريق والباحث في جامعة نوتنغهام، في بيان: “إن استخدام الهيليوم فائق السيولة سمح لنا بدراسة الموجات السطحية الصغيرة بتفصيل ودقة أكبر من تجاربنا السابقة في الماء”. “نظرًا لأن لزوجة الهيليوم فائق السيولة صغيرة للغاية، فقد تمكنا من إجراء تحقيق دقيق في تفاعلها مع الإعصار فائق السيولة ومقارنة النتائج مع توقعاتنا النظرية الخاصة.”
دوامات الأعاصير الزمكانية
لفهم كيف يمكن لدوامة السوائل الفائقة أن تشبه الثقب الأسود، من المهم أن نتذكر ما تخبرنا به نظرية النسبية العامة لأينشتاين لعام 1915 عن الثقوب السوداء. تشير النسبية العامة إلى أن المكان والزمان هما كيان واحد يسمى الزمكان، وأن الجاذبية تنشأ عندما تتسبب الأجسام ذات الكتلة في انحناء الزمكان.
الثقوب السوداء ليست في الواقع أجسامًا، ولكنها مناطق من الزمكان تم إنشاؤها بواسطة كتلة كثيفة ومضغوطة بشكل لا نهائي – وهي نقطة تفرد مركزية تنهار فيها قوانين الفيزياء ذاتها. يُطلق على الحدود الخارجية لمناطق الزمكان هذه اسم أفق الحدث، وهي تمثل النقطة التي لا يكون عندها حتى الضوء سريعًا بما يكفي لمطابقة سرعة الهروب من الثقب الأسود.
تمتلك الثقوب السوداء ثلاث خصائص معروفة فقط: الشحنة الكهربائية، والكتلة، والزخم الزاوي، أو “الدوران”. يقوم الثقب الأسود الدوار، أو “ثقب كير الأسود”، ذو الزخم الزاوي أيضًا بسحب نسيج الزمكان معه في اتجاه دورانه، وهو تأثير يُعرف باسم “سحب الإطار”، أو تأثير لينس-ثيرينغ على اسم العلماء. الذي اقترحه لأول مرة.
بالنظر إلى كيفية تأثير تأثير لينس-ثيرينغ والقوى المحيطة بثقب كير الأسود في الحركة المستمرة، فمن المنطقي أن الدوامة في السائل، أو ربما إعصار في الغلاف الجوي، ستكون مشابهة بشكل فضفاض جدًا لمثل هذه المنطقة من الزمكان. لكن الأمر الأساسي في دوامة محاكاة الثقب الأسود التي أجراها الفريق هو أنها غير موجودة في أي سائل قديم. تم تصنيعه في سائل فائق مبرد إلى الصفر المطلق.
لإجراء تجربتهم، قام الفريق ببناء نظام مبرد مخصص قادر على الاحتفاظ بعدة لترات من الهيليوم وتبريده إلى درجات حرارة أقل من 456 درجة فهرنهايت (ناقص 271 درجة مئوية). هذا حوالي 3 إلى 4 درجات فوق الصفر المطلق، أي ما يعادل 459.76 درجة فهرنهايت (ناقص 273.15 درجة مئوية). الصفر المطلق هو نظريًا أبرد درجة حرارة ممكنة. عند الصفر المطلق، ستتوقف جميع الحركات الذرية.
عند درجات الحرارة التي حققتها التجربة، يطور الهيليوم السائل خصائص كمية من شأنها عادة أن تعيق تكوين الدوامات العملاقة. لقد أظهر هذا النظام كيف أنه لا يمكن حل هذه المشكلة؛ قام الفريق في النهاية ببناء إعصار كمي في السائل الفائق البرودة باستخدام العديد من الأجزاء الأصغر.
وتابع سفانكارا: “يحتوي الهيليوم فائق السيولة على أجسام صغيرة تسمى الدوامات الكمومية، والتي تميل إلى الانتشار بعيدًا عن بعضها البعض”. “في إعدادنا، تمكنا من حصر عشرات الآلاف من هذه الكمات في جسم مضغوط يشبه إعصارًا صغيرًا، مما حقق تدفقًا دواميًا بقوة قياسية في عالم السوائل الكمومية.”
وجد سفانكارا وزملاؤه أوجه تشابه رائعة بين الإعصار الكمي والطريقة التي تؤثر بها جاذبية الثقوب السوداء على الزمكان. ويأمل الفريق أن تفتح التجربة طريقة لمحاكاة فيزياء الكم على نطاق أوسع داخل الزمكان المنحني بشكل عام، وحتى حول الزمكان المنحني للثقب الأسود.
قصص ذات الصلة:
– يُطلق الثقب الأسود العملاق للمجرة M87 نفاثات بسرعة الضوء تقريبًا
– الثقب الأسود مصاص الدماء هو “مسرع الجسيمات الكونية” الذي قد يحل لغزًا طويل الأمد في علم الفلك
– أول ثقب أسود تم تصويره على الإطلاق من قبل البشر يحتوي على مجالات مغناطيسية ملتوية والعلماء يشعرون بسعادة غامرة
“عندما لاحظنا لأول مرة بصمات واضحة لفيزياء الثقب الأسود في تجربتنا التناظرية الأولية في عام 2017، كانت تلك لحظة اختراق لفهم بعض الظواهر الغريبة التي غالبًا ما تكون صعبة، إن لم تكن مستحيلة، لدراستها بطريقة أخرى،” سيلك وينفورتنر، قائد الفريق. وأوضح البيان أن مختبر الثقب الأسود حيث تم تطوير وإجراء هذه التجربة.
وتابع واينفورتنر: “الآن، من خلال تجربتنا الأكثر تعقيدًا، انتقلنا بهذا البحث إلى المستوى التالي، والذي قد يقودنا في النهاية إلى التنبؤ بكيفية سلوك الحقول الكمومية في الزمكان المنحني حول الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية”.
نُشر بحث الفريق يوم الأربعاء (20 مارس) في مجلة Nature.