نیروی جسم سیاه و افزایش ابهامات در مورد آن

پژوهش جدید پرده از شناسایی یک پدیده‌ی عجیب پرده برداشته است که با نام نیروی جسم سیاه از آن یاد می‌کنند. این یافته‌ها نشان می‌دهند که تأثیر تابش بر ذرات پیرامون اجرام سنگین، می‌تواند توسط فضای احاطه‌کننده‌ی این اجرام و ویژگی‌های آن تقویت شود.

این کشف جدید می‌تواند بر نحوه‌ی مدل‌سازی‌های ما از چگونگی شکل‌گیری ستاره‌ها و سیاره‌ها تأثیر بگذارد و حتی به ما در پیدا کردن یک شکل تئوری از تابش کمک کند. شکلی از تابش که به سیاه‌چاله‌ها اجازه می‌دهد دچار فرانش شوند. منظور از فرانش در اینجا، بیرون راندن نوترون‌ها یا الکترون‌ها یا سایر ذرات توسط یک سیاه‌چاله است.

پیش‌تر در سال ۲۰۱۳، فیزیکدانان اعلام کردند که تابش‌های ساطع‌شده از اجرامی که به نام جسم سیاه شناخته می‌شوند، نه‌تنها می‌توانند روی مسیر ذرات کوچک تأثیر بگذارد، بلکه می‌توانند آن‌ها را به نزدیک‌تر شدن به‌سوی یکدیگر نیز وا‌دارند. نکته‌ی جالب‌تری که وجود دارد این است که در اجسام با جرم‌های پایین، نیروی رانشی یا هل‌دهنده می‌تواند قوی‌تر از کشش گرانشی در همان پدیده‌ها باشد.

اگر شما تاکنون به عبارت جسم سیاه برنخورده باشید، احتمالا این عبارت مفهوم گنگی برایتان دارد. باید اشاره کنیم که یک جسم سیاه به هر نوع جسم ماتی گفته می‌شود که نور مرئی را جذبی می‌کند، اما آن را بازتاب یا از خود عبور نمی‌دهد.

از نقطه‌نظر فنی، جسم‌های سیاه به‌طور تئوری به‌عنوان جسم‌های کاملی تعریف می‌شوند که نمی‌توانند هیچ نوری را بازتاب دهند. مثال‌های فیزیکی از قبیل نانولوله‌های کربنی به‌کاررفته برای ساخت پوشش‌های شگفت‌انگیز وانتابلک می‌توانند تا مقدار زیادی به آن تعریف تئوری ارائه‌شده برای اجسام سیاه نزدیک شوند.

یکی از خطاهایی که شاید دچارش شویم این است که ما تمامی اجسام سیاه را به‌نوعی دارای رنگ سیاه هم قلمداد کنیم. این اجسام تابش‌هایی را از خود بسته به نوع حرکات ذرات خودشان ساطع می‌کنند و همین روند باعث می‌شود تا آن‌ها را به‌عنوان راهی سودمند برای تشریح ویژگی‌های گرمایی یک جسم در نظر بگیرند.

چهار سال پیش، گروهی از پژوهشگران استرالیایی به این نکته پی بردند که تابش‌های ساطع‌شده توسط یک جسم سیاه باید دارای تأثیرهای جالب‌تر و کنجکاو کننده‌تری نیز روی اتم‌های اطراف باشد.

پی بردن به این تأثیر به ما کمک می‌کند تا بدانیم که اتم‌ها با ایجاد تغییری توسط فوتون‌ها در اندازه‌ی حرکت خود، می‌توانند حرکت کنند یا اینکه تغییر مسیر دهند.

با فراهم شدن شرایط مساعد، اجسامی به‌اندازه‌ی یک سلول هم می‌توانند پیرامون یک پرتو یا تابش از نور دستخوش تغییر مسیر شوند. این رویداد در واقع پدیده‌ای است که اخیرا در نوعی تکنولوژی به نام گیره‌های نوری استفاده می‌شود.

فیزیکدانان اکنون بیش از یک قرن است که می‌دانند تابش‌های الکترومغناطیسی می‌توانند منجر به ایجاد تغییر در ویژگی‌های اتم‌های اطراف شوند. این اتفاق می‌تواند از طریق تأثیری موسوم به تاثیر استارک روی دهد. در این روند، اتم به‌منظور رسیدن به حالتی از انرژی پایین‌تر، جایگاه الکترون‌هایش را تغییر می‌دهد.

این اتفاق برای بالاتر بردن احتمال حرکت آن‌ها به‌سوی بخش‌‌های درخشان‌تر یک پرتوی نوری رخ می‌دهد. پژوهشگران در طی آزمایش‌های خود، آن‌ها را به‌صورت دوبه‌دو کنار هم قرار دادند. آن‌ها می‌خواستند نشان دهند که تابش گرمایی به چه شکل می‌تواند نه‌تنها منجر به از هم رانده شدن ذرات شود، بلکه به لطف تغییر استارک، می‌تواند باعث کشیده شدن پرتو به‌سوی جسم مورد نظر نیز شود. ماتیاس سون‌لیتنر از دانشگاه اینسبراک در سال ۲۰۱۳ و در گفتگو با پایگاه Phys.org چنین توضیح داده بود:

تأثیر متقابل میان این دو نیرو (یک نیروی جذب‌کننده‌ی متداول در مقابل یک نیروی رانشی ناشی از تابش) به‌طور روتین در آزمایش‌های نوری کوانتومی ملاحظه شده است؛  اما همواره از این نکته چشم‌پوشی شده بود که چنین رویدادی در مورد منابع تابش گرمایی نیز رخ می‌دهد.

با وجود اینکه نیروی مورد بحث به مقدار شگفت‌انگیزی ضعیف است، پژوهشگران نشان دادند که قدرت خالص کششی ناشی از تابش در واقع می‌تواند بزرگ‌تر از مقدار گرانش ناچیز ایجادشده توسط یک ذره‌ی ریز و داغ باشد و این گفته برای ذره‌های کوچک‌تر از یک دانه‌ی غبار صادق است. سون‌لیتنر همچنین توضیح می‌دهد:

این دانه‌های ریز میکرونی نقش مهمی در شکل‌گیری سیاره‌ها و ستاره‌ها در علوم شیمی مرتبط با نجوم ایفا می‌کنند. آن‌طور که از ظاهر ماجرا برمی‌آید، برخی از پرسش‌های بی‌پاسخ در مورد چگونگی تأثیر متقابل آن‌ها یا با گازهای هیدروژن اطرافشان وجود دارد. ما در حال حاضر، در مسیر انجام کاوش‌هایی هستیم تا به چگونگی تأثیر این نیرو اضافه‌ی جذب‌کننده بر دینامیک اتم‌ها و غبارها پی ببریم.

طی این چند سال، یک گروه دیگر از فیزیکدانان سعی داشته‌اند فعالیت نیمه‌کاره‌ی سون‌لیتنر و همکارانش را پی بگیرند.  تلاش آن‌ها به انجام کاوش روی تأثیر هر دو عاملِ شکل اجسام سیاه و همچنین تأثیر آن بر انحنای فضا-زمان پیرامون آن در این فرایند کشش و رانش نوری متمرکز بوده است.

آن‌ها همچنین میزان انحنای فضا یا توپولوژی مربوط به آن را پیرامون یک جسم سیاه کره‌ای و یک جسم سیاه استوانه‌ای حساب کردند و در ادامه به محاسبه‌ی این نکته پرداختند که تفاوت‌های بین این مقادیر به چه شکل می‌تواند نیروهای تابشی جسم سیاه را تحت تأثیر قرار دهد.

آن‌ها در پژوهش‌های خود پی بردند که انحنای جسم سیاه کره‌ای و توپولوژی فضای پیرامون آن دارای تأثیر بزرگ و چشمگیری بر نیروی جذب‌کننده‌ی ناشی از هر دو پدیده‌ی گرانش و زاویه‌ای که در آن تابش‌ها به ذرات برخورد می‌کنند، هستند.

اما این حالت برای سیلندر استوانه‌ای با سطح کناری صافش روی نداد و اثر جسم سیاه هم در آن چشمگیر نبود. در حالی که باید در نظر داشته باشیم که تأثیری که از آن صحبت می‌شود، در مقیاس آزمایشگاه یا حتی در مقیاس‌های بزرگ‌تری همانند سایز خورشید خودمان نیز مشهود نخواهد بود؛ اما برای اجسام با جرم‌های بسیار بالا همانند ستاره‌های نوترونی یا برخی از اشکال بسیار عظیم‌تری که قابلیت خمیده کردن فضا- زمان را دارند، این تأثیر می‌تواند باعث ایجاد تفاوت‌ها و نتایج قابل ملاحظه‌ای شود. سلیو مونیز از دانشگاه ایالتی Ceara در برزیل، در این باره در گفتگو با پایگاه Phys.org چنین توضیح داده بود:

ما بر این باوریم که تشدید نیروی جسم سیاه ناشی از منابع فوق ثقیل می‌تواند به‌طور قابل رؤیتی بر پدیده‌های مرتبط با آن‌ها تأثیرگذار باشد؛ پدیده‌هایی از قبیل ساطع شدن ذرات بسیار پرانرژی و شکل‌گیری دیسک‌های حاصل از انباشتگی ذرات پیرامون سیاه‌چاله‌ها.

 تیم پژوهشی همچنین یافته‌های قبلی را روی نیروی جسم سیاه و به مفهومی تحت عنوان تک‌قطبی جهانی اعمال کردند. تک‌قطبی جهانی به نقطه‌ای تئوری اطلاق می‌شود که شبیه به یک بار الکتریکی است و می‌تواند شکل فضای پیرامون یک ذره را بدون گرانش تحت تأثیر قرار دهند. آن‌ها همچنین یافته‌ها را با تئوری مرتبط با تاب‌خوردگی دیگری موسوم به رشته‌ی کیهانی نیز مورد سنجش قرار دادند. مونیز در این مورد چنین توضیح داده است:

کار اخیر ما در واقع نیروی جسم سیاه کشف‌شده در سال ۲۰۱۳ را وارد مقوله‌ی گسترده‌تری می‌کند؛ مقوله‌ای که با منابع قوی گرانشی و اجرام بسیار عظیمی همانند رشته‌های کیهانی و همچنین موارد پیش پا افتاده‌تری که در ماده‌ی چگال یافت می‌شوند، مرتبط خواهد بود.

 دستاوردهای این پژوهش در ژورنال Europhysics Letters به انتشار رسیده است.