פרופ’ ג’ף סטיינהאור מהפקולטה לפיזיקה בטכניון מציג הוכחה לקרינת הוקינג כפי שנחזתה על ידי הפיזיקאי סטיבן הוקינג לפני עשרות שנים. המחקר מתפרסם בכתב העת Nature Physics
פרופ’ ג’ף סטיינהאור
המדען הבריטי הנודע סטיבן הוקינג ניבא כבר לפני 42 שנים, על סמך חישובים תיאורטיים בלבד, את תופעת הקרינה הנובעת מחורים שחורים.
תופעה זו הידועה בשם קרינת הוקינג חלשה מכדי שניתן יהיה להבחין בה באמצעות השיטות הקיימות היום, ונותרה “הגביע הקדוש” של תחומי הפיזיקה האטומית, אופטיקה לא לינארית, פיזיקה של מצב מוצק, נוזלי-על של חומר דחוס, אסטרופיזיקה, קוסמולוגיה ופיזיקת חלקיקים. זאת עד לתצפיותיו האחרונות של פרופ’ ג’ף סטיינהאור מהפקולטה לפיזיקה בטכניון במתקן המדמה חור שחור, שנוצר במעבדתו לפיזיקה אטומית.
המאמר החדש, המתפרסם בכתב העת Nature Physics, מתאר תצפית ראשונה של קרינת הוקינג תרמית-קוונטית במערכת כלשהי. לדברי פרופ’ סטיינהאור נִצפּתה בַּניסוי התפלגות טרמית של קרינת הוקינג, שנבעה מתנודות קוונטיות, שמקורה בחור שחור אקוסטי. הוא הוסיף כי “זהו אישוש ניסויי לניבוי של הוקינג בנוגע לתרמודנימיקה של החור השחור.”
זוגות פונונים (חלקיקי קול) מופיעים באופן ספוטני בריק באופק אירועים של המתקן המדמה חור שחור. אחד הפונונים יוצא מהחור השחור כקרינת הוקינג, והפונון האחר נבלע לתוך החור השחור. לזוגות יש התפלגות רחבה של אנרגיות. הקורלציה בין צמדים אלו מאפשרים לנו לאתר קרינת הוקינג.
לחלקיקי הוקינג ולחלקיקים השותפים בתוך זוג יכול להיות חיבור קוואנטי המכונה “שזירה” (entanglement). סטיינהאור מסביר: “באמצעות השימוש בטכניקה שפיתחנו ראינו שזוגות חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה היו שזורים, בעוד זוגות בעלי אנרגיה נמוכה לא היו שזורים. שזירה זו מאמתת מרכיב חשוב בדיון על פרדוקס המידע ועל “מחלוקת חומת האש” (firewall controversy).
התצפית על קרינת הוקינג, שבוצעה בעיבוי בוז-איינשנטיין, מאמתת את החישוב של הוקינג הנתפס כאבן דרך בחיפוש אחר כוח כבידה קוואנטי.
פרופ’ סטיינהאור עובד באופן בלעדי על ההוכחה מאז שנת 2009 במעבדה שהרכיב במו ידיו בטכניון, הגדושה בלייזרים ועשרות מראות, עדשות וסלילים מגנטיים שמטרתם לדמות חור שחור.
סטיינהאור מונע, מאז היה ילד, מסקרנות לחוקי הפיזיקה. לדבריו “ההוכחה לקיום הקרינה הקוואנטית של הוקינג, מקדמת אותנו צעד נוסף קדימה, במסענו האינסופי לגילוי חוקי היקום. הבנה זו לבדה חשובה לבני האדם, כמו יישומם של חוקי הפיזיקה בחברה.”
בשנת 2014, פרסם ב- Nature Physics את תוצאות התצפית הראשונה של קרינת הוקינג במערכת כלשהי. קרינה זו השתקפה מהאופק הפנימי, חזרה לאופק החיצוני, וגרמה לקרינת הוקינג נוספת. לעומת זאת, מחקרו האחרון תומך בקיום קרינת הוקניג קוואנטית, הופעה ספונטנית של זוגות הוקינג. זוגות פונונים (חלקיקי קול) מופיעים באופן ספוטני בריק של המתקן המדמה חור שחור.
פריצת הדרך של סטיינהאור שנצפתה ב-2014 עוררה הדים בקהילייה המדעית. ב”אקונומיסט” נכתב כי “אם האקדמיה המלכותית השוודית נמצאת במצב רוח טוב, ייתכן ותגלית זו עשויה להוביל את פרופ’ סטיבן הוקינג לשטוקהולם (שם מוענקים פרסי נובל במדעים). בפרס נובל, קיים כלל בלתי כתוב, שהפרס אינו מוענק על תיאוריה בלבד. אם הניסוי של פרופ’ סטיינהאור אכן מראה מה שהוא טוען, אזי החישובים של הוקינג נכונים, וכפי הנראה שני המדענים יחד עם ד”ר אונרו ימצאו עצמם בדרך לשטוקהולם.”
פרופ’ סטיינהאור, יליד לוס אנג’לס, השלים דוקטורט ב-UCLA ואחריו שני פוסט-דוקטורטים: האחד בהנחיית פרופ’ ניר דוידסון במכון ויצמן והאחר בהנחיית חתן פרס נובל וולפגנג קֶטֶרְלֶה ב-MIT. לפקולטה לפיזיקה בטכניון הצטרף בשנת 2003, ובשנת 2009 החל לחקור באופן ניסיוני חורים שחורים קוליים במעבדתו בטכניון. בניסוייו הצליח להדגים לראשונה חור שחור קולי. הפיזיקאי הגרמני פרופ’ ג’יימס אנגלין טען בעקבות זאת כי מדובר בחור השחור הקולי הראשון בהיסטוריה
בשנת 2012, הוא הופיע בסדרת הטלוויזיה “מבעד לחור התולעת” (Through the Wormhole), של Science Channel TV בהנחייתו ובקריינותו של השחקן זוכה האוסקר, מורגן פרימן. במסגרת התכנית שוחח סטיינהאור על מתקן המדמה חור שחור במעבדה פרי פיתוחו ועל תקוותיו להשתמש בו כדי לצפות בקרינת הוקינג. מתקן החור השחור מנצל את מערכת הדימות פורצת הדרך שלו בעלת רזולוציה גבוהה במיוחד.