בשנת 1975 פרסם סטיבן הוקינג, שהיה אז פיזיקאי צעיר בן 33, מאמר פורץ דרך: הוא חקר חורים שחורים, שהם גופים בעלי מסה וצפיפות גדולות עד כדי כך ששום דבר לא יכול להימלט מהם, אפילו לא אור, וטען כי למרות זאת הם אמורים לפלוט קרינה שאפשר למדוד. הקרינה הזאת, שתיקרא לימים "קרינת הוקינג", יכולה ללמד אותנו הרבה על חורים שחורים ועל התיאוריות הפיזיקליות הגדולות ביותר של המאה העשרים - תורת היחסות הכללית ותורת השדות הקוונטיים.
קרינת הוקינג לא נצפתה מעולם לפני שהוקינג חזה את קיומה, והרעיון הצית את דמיונם של פיזיקאים ברחבי העולם. ואכן, בעשורים האחרונים דימו מספר ניסויים במעבדה את התנאים הקיצוניים של חורים שחורים, כדי לנסות ללמוד מה הם חורים שחורים, מהי קרינת הוקינג ואיך אפשר למדוד אותה בלי להתקרב לחור שחור.
החור שבקצה היחסות
מיד לאחר שאלברט איינשטין פרסם את היחסות הכללית ב-1915, החלו פיזיקאים לחקור את מאפייני התיאוריה החדשה. הפיזיקאי קרל שוורצשילד (Schwarzchild) הראה שעבור מסה גדולה דיה שמרוכזת בנפח קטן דיו, תורת היחסות הכללית מספקת תחזיות שנחשבו לא פיזיקליות: נראה כי ברדיוס מסוים סביב המסה, המכונה "אופק האירועים", שדה הכבידה חזק עד כדי כך שאפילו אור לא יכול להימלט ממנו. תחילה חשבו פיזיקאים כי מדובר בבעיה מתמטית בתורת היחסות הכללית, אך מחקרים מצאו כי מדובר בתופעה אמיתית ופיזיקלית, המתארת גוף שמימי אקזוטי שזכה לכינוי "חור שחור".
בשנות השישים הראה הפיזיקאי רוג'ר פנרוז (Penrose) כי תורת היחסות מנבאת את קיומם של חורים שחורים: מסה רבה שמרוכזת בסביבה קטנה, גם אם היא מפוזרת בצורה לא אחידה, תוביל להיווצרותו של חור שחור. ממחקרו של פנרוז עלה כי סביר להניח שביקום נמצאים חורים שחורים רבים, והם הפכו מקוריוז תיאורטי למושא מחקר בקהיליית הפיזיקאים. פנרוז קיבל פרס נובל בפיזיקה בשנת 2020 על מחקריו בנושא חורים שחורים.
איך צופים בחור שחור אם שום דבר לא יכול לברוח ממנו, גם לא אור? בעיקר על ידי בחינת ההשפעה של הכבידה העצומה שלו על הסביבה. בשנות השמונים גילו אנדריאה גז (Ghez) וריינהרד גנצל (Genzel), דרך מדידות עקיפות, כי במרכז הגלקסיה שלנו נמצא חור שחור. על תגליתם קיבלו השניים פרס נובל לפיזיקה ב-2020, עם פנרוז.
בשנים האחרונות פותחו כלים נוספים לתצפית לא ישירה בחורים שחורים: מערך הטלסקופים Event Horizon פרסם ב-2019 צילום ראשון של חור שחור, ובשנת 2022 צילום ראשון של אותו חור שחור במרכז הגלקסיה שלנו. אלה היו תצפיות על האור שנפלט מהחומר שמקיף את החור השחור: החומר מאיץ את תנועתו עקב כוח המשיכה העצום של החור השחור, מתחמם לטמפרטורות של אלפי מעלות ויותר, ופולט אור כמו מתכת חמה. בנוסף, חיישן גלי הכבידה LIGO ומקביליו ברחבי העולם זיהו כמה זוגות של חורים שחורים שמקיפים זה את זה ומתנגשים זה בזה.
אור מתוך החשכה
כדי לתאר חורים שחורים במדויק, צריך לאחד את שתי התיאוריות הפיזיקליות המורכבות והמשפיעות של המאה העשרים - תיאוריית היחסות הכללית, המתארת את השפעתן של מסות גדולות על היקום, ותיאוריית השדות הקוונטיים, המתארת איך חלקיקים קטנים נוצרים ופועלים זה על זה. אף תיאוריה פיזיקלית עוד לא הצליחה לחבר את שתי התיאוריות הללו, אך חורים שחורים, שבהם מסה גדולה מאוד מרוכזת באזור קטן מאוד, עשויים להביא לפיתוחה של תיאוריה מאוחדת כזו.
בשנות השבעים של המאה ה-20 חלה התקדמות תיאורטית רבה בהבנה של חורים שחורים. בשנת 1972 טען הפיזיקאי הישראלי יעקב בקנשטיין, כי לחורים שחורים צריכה להיות אנטרופיה, כלומר שהחומר בהם צריך להיות באי-סדר גדל והולך. הטענה התקבלה בתחילה בביטול בקהילת הפיזיקאים, בין היתר מכיוון שעל פי עקרונות הפיזיקה, גוף שיש לו אנטרופיה, יש לו גם טמפרטורה, ולכן אמור לפלוט קרינה, בדומה לחומר המקיף את החור השחור שתיארנו קודם. איך ייתכן שחור שחור, שבולע כל מה שבדרכו, יפלוט קרינה? אף על פי כן, בשנת 1975 פרסם הוקינג את המאמר שבו טען שחורים שחורים אמורים לפלוט קרינה.
איך זה ייתכן, אם התיאוריה חוזה כי כל מה שחוצה את אופק האירועים של חור שחור לא יכול לצאת? הוקינג הראה כי קיומו של אופק אירועים משנה את התנהגותם של השדות הקוונטיים שמחוץ לו. גם בריק מוחלט, השדות הקוונטיים אינם ריקים ודוממים. הם מלאים בזוגות של חלקיק ואנטי-חלקיק, שנוצרים, נפגשים ומשמידים זה את זה. בדרך כלל אנו לא יכולים לצפות בתופעה זו כיוון שהיא מאוד חלשה ומתרחשת מהר מדי, אך בסביבתו של חור שחור קורה משהו מיוחד: אחד החלקיקים יכול ליפול לתוך החור השחור, ואז לעולם לא יפגוש את בן זוגו וישמיד אותו. כתוצאה מכך, החלקיק החופשי בורח מהחור השחור, ואנו מזהים זאת כקרינה שפולט החור השחור.
הוקינג חזה כי הקרינה שפולט החור השחור תיראה כמו קרינת חום של גוף, פרט לכך שהטמפרטורה שלו תהיה ביחס הפוך למסה: ככל שהמסה של חור שחור גבוהה יותר, הטמפרטורה שלו תהיה נמוכה יותר. הבעיה היא שכל החורים השחורים המוכרים לנו ביקום הם בעלי מסה גבוהה מאוד, ולכן הטמפרטורה שלהם נמוכה מאוד, כך שאיננו מסוגלים להבחין בקרינה שלהם.
כמו הדבר האמיתי
סיכום ביניים: חורים שחורים הם גופים מסיביים שנמצאים ברחבי היקום, ששדה הכבידה שלהם חזק עד כדי כך שכל דבר, כולל אור, נמשך אליהם ומרגע שהתקרב מספיק, אינו יכול להימלט. לפי התחזית, חורים שחורים פולטים קרינת הוקינג שנובעת מהשפעתם על השדות הקוונטיים ביקום. הקרינה הזאת היא קרינת חום, אבל הטמפרטורה של חורים שחורים נמוכה עד כדי כך שבפועל היא בלתי ניתנת לצפייה.
מה הטעם בתיאוריה אם אי אפשר לבדוק אותה? לכן פיזיקאים ניסו לייצר מערכות דמויות חורים שחורים במעבדה, כדי לנסות למדוד קרינת הוקינג בסביבה מבוקרת.הרעיון מאחורי קרינת הוקינג נשען על קיומו של אופק אירועים: קו דמיוני שכשחוצים אותו אי אפשר לחצות אותו בחזרה לכיוון ההפוך. בהרבה מערכות, הנקראות לעיתים "אנלוגיות לחור שחור" (Black Hole Analog), אפשר לדמות אופק אירועים: דמיינו למשל שאתם שטים בסירה קטנה בנהר. פתאום הזרם בנהר מתחיל להאיץ, ואתם נעים לעבר מפל מים! ככל שתתקרבו אל המפל, הזרם בנהר יהיה מהיר יותר, עד שתגיעו לנקודה שבה הזרם מהיר מהמהירות הגבוהה ביותר שבה אתם מסוגלים לחתור. מהרגע שתעברו את הנקודה הזו, לא תוכלו להימלט מהמפל.
אפשר לתכנן ניסוי שייצור אופק אירועים מדומה וכך למדוד תופעה דומה לקרינת הוקינג ולספק ראייה ניסויית לקיומה. למערכות שמדמות חורים שחורים יש יתרון נוסף: אפשר לצפות בהן גם בצד שנמצא "בתוך" החור השחור, בניגוד לחור שחור אמיתי. עד היום בוצעו מספר ניסויים שטענו כי מדדו קרינת הוקינג, אך קיים ספק לגבי תוצאות הניסויים או הפרשנות של רובם.
לדמות חור שחור
לדוגמה, ב-2011 נבנתה באוניברסיטת קולומביה הבריטית בקנדה מערכת שמבוססת על גלי מים. את הניסוי ליווה ביל אנרו (Unruh), פיזיקאי תיאורטי שהתפרסם בעקבות גילוי אפקט דומה לקרינת הוקינג, שקרוי על שמו. המערכת מבוססת על כך שגלים מתנהגים אחרת מבחינה פיזיקלית במים עמוקים ובמים רדודים, ולכן אפשר להנדס מערכת שבצד אחד שלה רק גלים מסוג מסוים יכולים להתקדם, כמו שמעבר לאופק האירועים של חור שחור כל דבר יכול לנוע רק לעבר מרכזו. החוקרים מדדו את התנהגותם של גלי מים במערכת, ובפרט בדקו איך נוצרים בה גלים חדשים הנעים בכיוונים מנוגדים. ואכן, החוקרים גילו כי הגלים החדשים נוצרים בזוגות, והיחסים בין העוצמות של סוגי הגלים מתאימים ליחסים שנצפה להם בקרינת הוקינג.
בניסוי אחר, חוקרים מהטכניון בהובלת פרופ' ג'ף סטיינהאואר (Steinhauer) השתמשו באטומים קרים מאוד, רובם פחות מאלפית המעלה מעל האפס המוחלט, שהפכו למעין נוזל קוונטי שבו גלי קול נעים בקלות. הם הזרימו את הנוזל מעל מהירות הקול, כך שנוצרה מערכת שדומה לנהר שתיארנו למעלה: גלי הקול בנוזל המואץ לא יכולים להגיע לקצה הנוזל, כי הם נעים לאט יותר ממנו. כך נוצר חור שחור מדומה, והחוקרים מדדו את גלי הקול שנפלטו בכיוון הזרימה ונגד כיוון הזרימה. גם בניסוי הזה נמצאו גלים שתואמים את המאפיינים של קרינת הוקינג.
התמונה הראשונה של חור שחור
חורים שחורים מדומים אינם מבוססים בהכרח על זרימה של נוזל. חוקרים במכון ויצמן בהובלת פרופ' אולף ליאונהרדט (Leonhardt) יצרו חור שחור מדומה אופטי, על ידי אופטיקה לא ליניארית: יש חומרים שמשנים את התכונות האופטיות שלהם כשהם פוגשים הבזק אור חזק. החוקרים השתמשו בהבזק חזק, ששינה את מקדם השבירה של סיב אופטי. מקדם שבירה של חומר הוא היחס בין מהירות האור בריק לבין מהירות האור בתוך החומר, והוא משפיע גם על המסלול של הקרינה בתוך החומר. השינוי יצר "פקק תנועה" בתוך הסיב, כך שהבזק נוסף של אור נתקע מאחורי ההבזק הראשון וכך נוצר אופק אירועים מלאכותי, כפי שנצפה שיקרה בחור שחור. החוקרים מדדו את האור שנפלט מהמערכת וגילו כי גם כאן, זוגות של גלים בעלי מאפיינים דומים נפלטים יחדיו בהתאמה למאפייני קרינת הוקינג.
דוגמה נוספת לחור שחור מדומה היא במחקר של חוקרים מאוניברסיטת אמסטרדם, שיצרו הדמיה של שרשרת אטומים שתכונותיה משתנות לאורכה - למשל, המרחק בין כל שני אטומים מתקצר – ובדקו איך אלקטרונים קופצים מאטום לאטום. החוקרים הראו שאפשר לגרום לשרשרת להתנהג כמו חור שחור, כך שמנקודה מסוימת האלקטרונים לא יכולים לקפוץ אחורה, אלא רק קדימה. בתנאים האלה, נראה כי הטמפרטורה של כל האלקטרונים, גם אלו שמחוץ לחור השחור המדומה וגם של אלו שבתוכו, שווה לטמפרטורה של החור השחור המדומה עצמו לפי התחזיות של הוקינג. מכאן מסיקים החוקרים ששרשרת האלקטרונים אמורה לפלוט קרינה שמתאימה לתחזיות של הוקינג.
החור נשאר שחור
אם כן, בהרבה מערכות חוקרים דימו חורים שחורים ומדדו תופעה דומה לקרינת הוקינג. האם התיאוריה אומתה? המציאות יותר מורכבת. כמעט כל אחד מהניסויים הללו נתקל בביקורת על מסקנותיו או על ניתוח הממצאים שלו. הביקורת לא קשורה בהכרח לאיכות הניסויים, ונובעת בעיקר מהעובדה שכאשר ניסויים מתיימרים למדוד תופעות חמקמקות במיוחד, הקהילה המדעית נוקטת זהירות יתרה לפני קבלת התוצאות.
גם אם לא נפלה טעות בניסויים, האם המדידות מאמתות את התיאוריה? מצד אחד, העובדה שתופעה דומה נמדדה במערכות שונות מחזקת את ההשערה שמדובר בתופעה כללית שנוצרת במערכות עם אופק אירועים, וחורים שחורים הם הדוגמה הבולטת והדרמטית ביותר למערכות כאלה. מצד שני, דווקא בתנאים הקיצוניים של חור שחור אפשר לצפות שחוקי הפיזיקה שאליהם אנו רגילים ביומיום ימתחו עד הקצה. גם אם קרינת הוקינג היא אכן תופעה רווחת, איך אפשר לדעת שבסביבה של חור שחור אין תופעות שמשנות אותה? לפיזיקאים כיום אין תשובה חד משמעית.
מה אנחנו יכולים ללמוד מהקיום של קרינת הוקינג או ממדידה שלה? התשובה טמונה בכך שכפי שציינו קודם, אין כיום תיאוריה פיזיקלית מקובלת שמצליחה לחבר בין תורת השדות הקוונטיים לתורת היחסות הכללית. מעבר לבעיות המתמטיות שצצות כאשר מנסים לנסח תיאוריה מאוחדת כזו, יש בעיה נוספת: כדי לדעת אם תיאוריה נכונה, אנחנו צריכים לבדוק אם אפשר לשחזר את תחזיותיה בניסוי או בתצפית. לרוע המזל, כיום אין שום תצפית או ניסוי של תופעה המערבת גם את תורת השדות הקוונטיים וגם את היחסות הכללית: תופעות כאלו יופיעו רק בתנאים מאוד קיצוניים כמו בסביבתם של חורים שחורים, או בהתנגשויות בין חלקיקים באנרגיות גבוהות מאוד - הרבה יותר גבוהות מאלו שנוכל להגיע אליהן במאיצי חלקיקים בעתיד הנראה לעין.
קרינת הוקינג היא תופעה ייחודית, מכיוון שהיא יכולה לשמש עוגן תצפיתי חשוב, שאליו יוכלו פיזיקאים להתאים תיאוריות עתידיות שמנסות לחבר בין התורות היסודיות ביותר של הטבע. מדידות של קרינת הוקינג בסביבתם של חורים שחורים מדומים הן הכי קרוב שאנחנו יודעים להגיע כיום למדידה של תופעה בגבול שבין תורת השדות הקוונטיים והיחסות הכללית. לכן, ככל שירבו ראיות משכנעות לקיומה של קרינת הוקינג במערכות כאלו, יוכלו פיזיקאים תיאורטיים להשתמש בהן לביסוס תיאוריות יסודיות ומורכבות.
כחצי מאה לאחר שהוקינג חזה את הקרינה הקרויה על שמו, עדיין לא צפינו בה בחור שחור, ולא סביר להניח שנצליח לעשות זאת בעתיד הקרוב, אם בכלל. לא פשוט ללמוד על חורים שחורים: הם גופים שמימיים בעלי מסה עצומה, ששדה הכבידה החזק שלהם קורע כוכבים לחתיכות ושואב לתוכו כל מה שעובר בסביבתו, כולל אור. מדענים מנסים למצוא מערכות שמתנהגות כמו חור שחור ולבדוק אם נפלטת מהם קרינה בעלת מאפיינים דומים לקרינת הוקינג. בשנים האחרונות נעשו כמה ניסויים מתוחכמים, שהתיימרו למדוד קרינה כזאת במערכות אנלוגיות לחור שחור, אבל קשה לדעת עד כמה אפשר להשליך מהם על התנהגותם של חורים שחורים. עד שתיאוריה חדשה תצליח להסביר מה קורה בסביבתו של חור שחור, נאלץ להסתפק בחיקויים במעבדה.
עמית פנדו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
