قام الفيزيائيون ببناء ثقب أسود في المختبر. ثم ابتلع الصوت. : تنبيه العلوم

يمكن أن يكون الصوت وحشًا صعبًا يصعب محاولة تسخيره. فهو يملأ العالم من حولنا، وينفجر من مصادره المتعددة، ويرتد عن الأسطح كأصداء – وهي خاصية تجعل الصوت مفيدًا بشكل لا يصدق ومربكًا للغاية، اعتمادًا على مكان وكيفية حدوث أصداءه. هناك بعض الظروف حيث يمكن أن يسبب الصدى مشاكل. المثال الأكثر وضوحا هو استوديوهات تسجيل الصوت، ولكن هناك مشكلة رئيسية واحدة ربما تكون أقل وضوحا لأنها أكثر انتشارا بكثير – الأنابيب. خذ بعين الاعتبار التهوية، وتكييف الهواء، والعوادم الصناعية، أو حتى السباكة. ينتقل الصوت عبر المساحات المحصورة في تلك الأنابيب والقنوات، وعندما يواجه عائقًا، أو تغيرًا في الشكل، أو نهاية مغلقة، يمكن أن يبدأ في الاهتزاز كأنه من أعمال أي شخص. الآن، طور العلماء جهازًا صغيرًا مبتكرًا يمكنه تقليل تلك الانعكاسات بشكل كبير عن طريق “ابتلاع” الصوت بشكل فعال. ويطلق عليه اسم الثقب الأسود الصوتي، ويمكن طباعة التصميم الجديد ثلاثي الأبعاد وإدخاله مباشرة في أنبوب موجود – وهي خطوة كبيرة للأمام من التصاميم التقليدية التي “تتطلب أن يتم بناء الثقب الأسود في الأنبوب نفسه. قال مهندس الصوتيات أوريول جواش من لا سال، جامعة رامون لول في إسبانيا لموقع ScienceAlert: “تخيل الوقوف أمام قناة مغلقة في النهاية البعيدة وتصرخ فيها. بعد تأخير قصير، اعتمادًا على طول القناة، ستسمع صدى يعود من نهايتها”. إذا تم إنهاء القناة بثقب أسود صوتي، فلن تسمع أي صدى على الإطلاق. من الناحية الصوتية، سيكون الأمر كما لو كان الأنبوب طويلًا بلا حدود، مع عدم وجود نهاية يمكن أن ينعكس منها الصوت نحوك. “يحتوي الثقب الأسود الصوتي التقليدي (في الأعلى) على حلقات مدمجة في جدران الأنبوب. يقوم التصميم الإضافي الجديد (الأسفل) بتثبيت الحلقات على قضيب مركزي، مما يسمح بإدخال الهيكل في أنبوب موجود. (دنغ وآخرون، الصوتيات التطبيقية، 2026) تُعرف الثقوب السوداء بأنها أجسام فيزيائية فلكية، وهي عبارة عن جيوب من الفضاء كثيفة للغاية لدرجة أن جاذبيتها تشوه الزمكان المحيط بها إلى أفق كروي لا يمكن حتى للضوء الهروب منه. هناك العديد من الأسباب وراء عدم قدرتنا على دراسة هذه الأجسام عن قرب، لذلك ابتكر الفيزيائيون طرقًا أخرى، حيث أنشأوا نظائرها المعملية التي تعيد إنتاج جوانب من سلوك الثقب الأسود، ويعتمدون أحيانًا على ظواهر لا علاقة لها بالجاذبية. “الثقب الأسود” الذي طوره جواش وزملاؤه، والذي تم وصفه في ورقة بحثية كتبها لأول مرة المهندس جي دينغ من لا سال، جامعة رامون لول، هو نوع مختلف من الوحش مستوحى مما يمكن أن يفعله الثقب الأسود. بدلاً من استخدام الصوت لمحاكاة فيزياء الجاذبية، تم تصميمه لاستغلال خاصية غير عادية للموجات الصوتية: في ظل الظروف المناسبة، يمكن إبطاؤها تدريجياً حتى لا تصل فعلياً إلى نهاية رحلتها. مفارقة الانقسام الشهيرة للفيلسوف اليوناني زينو، حيث يجب على المسافر أن يقطع نصف المسافة المتبقية إلى الوجهة، ثم نصفها مرة أخرى، وهكذا، ويبدو أنه لا يصل أبدًا. والفرق هو أنه في الثقب الأسود الصوتي، تتباطأ الموجة حقًا أثناء انتقالها. “ما يحدث للموجة عندما تقترب من نهاية الثقب الأسود الصوتي له تشابه معين مع ما يراه المراقب الخارجي بالقرب من ثقب أسود فيزيائي فلكي: يبدو أن الموجة تستغرق وقتًا لا نهائيًا للوصول إلى وأوضح جواش: “في الحالة المثالية، بمجرد دخول الموجة إلى الثقب الأسود الصوتي، فإنها لا تعود للخارج.” تكمن خدعة التلاشي الصوتي في التصميم. مثلما أن الثقب الأسود الفيزيائي الفلكي ليس في الواقع ثقبًا، كذلك الحال بالنسبة للنسخة الصوتية. إنه هيكل مصمم بعناية يغير الطريقة التي ينتقل بها الصوت عبر الأنبوب. في التصميمات التقليدية، تصطف سلسلة من الحلقات والتجويف داخل الأنبوب، ويتم ترتيبها بحيث تتباطأ الموجات الصوتية تدريجيًا أثناء انتقالها عبره. تصبح أطوالها الموجية أقصر، وتصبح طاقتها مركزة بشكل متزايد. ولكن هناك مشكلة. يجب أن يتم بناء هذه الهياكل داخل الأنابيب نفسها، وعادةً ما يتم تصنيعها معًا، مما يجعل من الصعب تعديلها في الأنظمة الحالية. ويعمل تأثير الثقب الأسود فقط عبر نطاق محدود من الترددات الصوتية. وتساءل دينج وجواش وزملاؤهما عما إذا كان بإمكانهم حل كلتا المشكلتين عن طريق قلب الأمر برمته رأسًا على عقب – شجرة عيد الميلاد الصوتية، بدلاً من القمع. قال جواش: “المفهوم بسيط بشكل مدهش، ويعمل بشكل جيد للغاية”. “من الناحية العملية، يمكن تصنيع الثقب الأسود الصوتي بشكل مستقل عن القناة ثم إدخاله فيه ببساطة.” يتكون تصميم الفريق من سلسلة من الحلقات المثبتة على قضيب مركزي، مع تغير أقطارها تدريجيًا على طولها. الفراغات بين الحلقات تشكل تجاويف تعبث بالطريقة التي ينتقل بها الصوت عبر الأنبوب. عندما يدخل الصوت إلى الهيكل عند الطرف، يتباطأ، ويصبح طول موجته أقصر تدريجياً مع تركيز طاقته نحو النهاية البعيدة. وهنا تحدث خدعة التلاشي. بدلاً من الارتداد ببساطة، يتبدد الكثير من الطاقة الصوتية المركزة من خلال الاحتكاك والتبادل الحراري بين الهواء وأسطح الجهاز، مما يترك قدرًا أقل بكثير من الهروب كصدى. اختبر الباحثون هذا باستخدام نموذج أولي مطبوع ثلاثي الأبعاد – هيكل يبلغ طوله 15 سنتيمترًا يتكون من 29 حلقة مثبتة على قضيب مركزي، تم إدخاله بعد ذلك في أنبوب مقاومة – جهاز مختبري يستخدم لقياس سلوك الموجات الصوتية عندما تواجه مادة أو هيكل. الإعداد التجريبي (يسار). والثقب الأسود الصوتي المطبوع ثلاثي الأبعاد (على اليمين)، والذي يُظهر الحلقات المثبتة على طول قضيب الدعم المركزي. تم إدخال الجهاز في أنبوب المعاوقة لقياس مقدار الصوت الذي يعكسه. (دنغ وآخرون، الصوتيات التطبيقية، 2026) ثم صرخوا داخل الأنبوب – ليس حقًا؛ استخدموا مكبر صوت لإرسال موجات صوتية بترددات مختلفة عبر الأنبوب والميكروفونات لقياس مقدار الارتداد. وكانت النتائج واعدة جدًا. تطابقت كمية الصوت المنعكسة من الثقب الأسود الصوتي بشكل عام مع عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها الفريق – على الرغم من أنه من المهم ملاحظة أنها لم تتخلص تمامًا من الأصداء. كما استخدم الباحثون عمليات المحاكاة الحاسوبية لمقارنة تصميم المكونات الإضافية مع ثقب أسود صوتي تقليدي. وتشير هذه إلى أن الهندسة الجديدة يمكن أن يكون لها فوائد تتجاوز الوحدات النمطية وسهولة التثبيت. أوضح جواش. أظهرت عمليات المحاكاة أيضًا أن تصميم المكون الإضافي يعكس صوتًا أقل من نظيره التقليدي عبر نطاق واسع من الترددات. وذلك لأن التجاويف الموجودة بين الحلقات في الثقب الأسود الصوتي يتردد صداها عند ترددات صوتية معينة، مما يغير الطريقة التي يمتص بها الجهاز الصوت. وفي التصميم الجديد، وجد الباحثون أن تلك الأصداء تحدث عند ترددات أعلى، مما يسمح لتأثير الثقب الأسود بمواصلة العمل على نطاق أوسع. ومن الواضح أن التطبيقات الأكثر إلحاحًا لهذه التقنية هي في الضوضاء لا سيما في القنوات وكواتم الصوت حيث يمكن أن يسبب الصوت المنعكس مشاكل. ويتطلع الباحثون بالفعل إلى ما هو أبعد من الأنابيب، ويبحثون فيما إذا كان من الممكن تطوير الثقوب السوداء الصوتية في بعدين وثلاثة أبعاد، مع تطبيقات محتملة في صوتيات الغرفة. ولا تزال هناك تحديات يجب التغلب عليها قبل أن يتم نشر أشجار عيد الميلاد الصغيرة التي تلتهم الصوت في البرية. تجلب البيئات المختلفة مشاكل مختلفة، بدءًا من الجسيمات التي يمكن أن تسد التجاويف إلى تأثيرات درجة الحرارة والضغط والهواء المتدفق. لكن جواش متحمس لإمكانيات معالجة الصوت بطرق كانت تبدو شبه مستحيلة. “شخصيًا، ما أجده أكثر تحفيزًا هو الفيزياء والرياضيات وراء كل هذا، والطريقة التي تجمع بها مجالات المعرفة التي قد تبدو في البداية غير ذات صلة تمامًا،” قال لـ ScienceAlert. “وبالطبع، من المحتمل أن يكون نوع التحكم في الموجات الذي يمكن تحقيقه الآن بدا الأمر أشبه بالخيال العلمي منذ عدة سنوات مضت.” تم نشر البحث في Applied Acoustics. تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة فيونا ماكدونالد وحررت بواسطة فيونا ماكدونالد. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأ، يرجى إعلامنا بذلك.