از هم‌زاد مرموز سیاهچاله‌ها چه می‌دانیم؟

سیاهچاله‌ها همیشه مورد توجه دانشمندان بوده‌اند اما در مورد هم‌زاد نادیده گرفته شده‌ی آن‌ها یعنی "سفیدچاله‌ها" چه می‌دانیم؟

به گزارش ایسنا، سفیدچاله‌ها نواحی نظری در کیهان هستند که عملکردی مخالف سیاهچاله‌ها دارند. می‌دانیم که هیچ جرم کیهانی قدرت فرار از سیاهچاله‌ها را ندارد و این اجرام همه‌چیز را می‌بلعند اما در مورد قُل آنها موضوع جور دیگری رقم می‌خورد. گفته می‌شود که هیچ جرم آسمانی قدرت ورود به سفیدچاله‌ها را ندارد.

مدت‌ها تصور می‌شد که سفیدچاله‌ها زاییده نظریه نسبیت عام اینشتین هستند که از معادلاتی فیزیکی مشابه برادران‌شان یعنی سیاهچاله‌ها نشات گرفته‌اند. با این حال به تازگی برخی از نظریه‌ پردازان این سوال را مطرح کرده‌اند که آیا این گرداب‌های دوقلوی فضازمان می‌توانند دو روی یک سکه باشند؟   

اگر خدمه‌ی یک فضاپیما باشید و بتوانید از فاصله دور به یک سفیدچاله نگاه کنید، جرمی درست شبیه به یک سیاهچاله خواهید دید. سفیدچاله مشابه همتای خود، جرم دارد و ممکن است در حال چرخش باشد. در آن حلقه‌ای از غبار و گاز که در اطراف افق رویداد(مرز سیاهچاله) جمع شده است و مرزی حبابی این جرم را از سایر جهان جدا می‌کند. اگر به نگاه کردن ادامه دهید ممکن است بتوانید رویدادی غیر ممکن برای یک سیاهچاله‌ها را رصد کنید و آن فوران مواد به سمت بیرون است.

"کارلو روولی"(Carlo Rovelli)، فیزیکدان نظری در مرکز فیزیک تئوریک فرانسه می‌گوید: این همان لحظه‌ای است که می‌توانید بگویید، من با یک سفیدچاله روبه‌رو هستم.

سفیدچاله شبیه به ویدئویی معکوس شده از یک سیاهچاله است. در حالی که افق رویداد در سیاهچاله یک کره‌ی بدون بازگشت است و همه‌چیز را در خود غرق می‌کند، افق رویداد در سفیدچاله مرزی است که هیچ ‌چیز قابلیت ورود به آن را ندارد. هیچ فضاپیمایی هرگز قادر به رسیدن به لبه آن نخواهد بود.

اجرام داخل سفیدچاله می‌توانند از آن خارج شوند و با دنیای خارج ارتباط برقرار کنند اما از آن جا که هیچ‌چیز امکان ورود به آن را ندارد بنابراین درون سفیدچاله از گذشته‌ی کیهان جدا مانده است. هیچ رویداد خارجی بر بخش درونی سفیدچاله اثر نمی‌گذارد.

دوقلوی نظری سیاهچاله

اساس و پایه‌ی آنچه که در مورد سیاه‌چاله‌ها می‌دانیم به جنگ جهانی اول برمی‌گردد. در سال ۱۹۱۵ معادلات میدانی اینشتین مانند یک سونامی به جهان فیزیک برخورد کرد و نظریه‌پردازان هنوز هم در حال بررسی بقایای آن هستند. فرای توصیف نیروی گرانش، فرضیه‌های او تحولی در ماهیت واقعیت به وجود آورد. "کارل شوارتزشیلد"(Karl Schwarzschild)، مدیر رصدخانه‌ای در پوستدام (Potsdam)، نظریه‌پرداز و ریاضیدان برجسته‌ای بود که برخلاف شغل مربوط به نجومش در دهه‌ی پنجم زندگیش به جنگ رفته بود. او گزارشی از سوی اینشتین دریافت کرد که نمی‌دانست روزی تبدیل به مهمترین اثر قرن بیستم خواهد شد. اینشتین از او برای حل یک معادله کمک خواسته بود و شوارتزشیلد با روشی آسان آن را حل کرد. هنگامی که شوارتزشیلد تنها چند روز بعد پاسخی به اینشتین نوشت و اولین راه حل را برای معادله‌ی اینشتین ارائه داد، او را بسیار شوکه کرد. به طرز غم‌انگیزی در کمتر از یک‌ سال شوارتزشیلد تسلیم یک بیماری پوستی شد و جانش را از دست داد و به میلیون‌ها جان باخته‌ی جنگ‌جهانی اول در اثر این بیماری پیوست اما راه‌حلی از خود به جا گذاشت که به طور کامل توضیح می‌دهد چگونه "فضازمان" اجسام کروی مثل سیارات و ستاره‌ها را در بر گرفته است.

در سال ۱۹۱۵ معادلات میدانی اینشتین مانند یک سونامی به جهان فیزیک برخورد کرد و نظریه‌پردازان هنوز هم در حال بررسی بقایای آن هستند. فرای توصیف نیروی گرانش، فرضیه‌های او تحولی در ماهیت واقعیت به وجود آورد.

"فضازمان" یک مدل ریاضی است که در آن سه بُعد فضا و یک بعُد زمان جهان در یکدیگر ادغام شده و یک محیط چهار بعدی ایجاد می‌کند. با ترکیب فضا و زمان فیزیکدانان توانستند نظریه‌های فیزیکی را ساده‌سازی کنند. یکی از ویژگی‌های بیان شده در این راه‌حل ریاضیاتی این است که در ستاره‌های فشرده با چگالی زیاد، فرار از گرانش دشوارتر می‌شود تا جایی که هر ذره‌ای، حتی نور در دام گرانش آنها می‌افتد. به این نقطه که هیچ فراری از گرانش امکان پذیر نیست افق رویداد گفته می‌شود و هر جسمی که به افق رویداد نزدیک شود زمان برایش کند شده و سپس متوقف می‌شود. به همین علت اولین فیزیکدانانی که این اجرام عجیب را مطالعه می‌کردند آن‌ها را "ستاره‌های یخ‌زده" نامیدند. امروزه ما آن‌ها را با اسمی می‌شناسیم که اولین بار ویلر(Wheeler) در سال ۱۹۶۷ به آن‌ها اطلاق کرد: سیاه‌ چاله

در پاسخ شوارتزشیلد بذر اولیه آنچه امروزه فیزیکدانان "تکینگی"(singularity) می‌نامند، نهفته بود. تکینگی به موقعیتی در فضازمان گفته می‌شود که چگالی و میدان گرانشی جرم کیهانی بی‌نهایت می‌شود به نحوی که این ناحیه از سایر کیهان فاصله می‌گیرد.

سیاهچاله‌ها به عنوان مشهورترین تکینگی‌ها، مناطقی از فضا هستند که به حدی پیچ خورده‌اند که هیچ خروجی از آن‌ها وجود ندارد. جهان بیرونی می‌تواند بر بخش درونی افق یک سیاهچاله اثر بگذارد اما آنچه درون سیاهچاله قرار دارد قادر به اثرگذاری بر محیط خارجی نیست.

"مارتین دیوید کروسکال"(Martin David Kruskal) ریاضیدان، در سال ۱۹۶۰ ساختار کامل فضازمانِ ساده‌ترین سیاهچاله‌ی کلاسیک را در نظریه نسبیت عام کشف کرد. زمانی که او توصیفات شوارتزشیلد را گسترش داد تا همه‌ی حوزه‌های فضا را در بر بگیرد نمی‌دانست که نظریه جدید او حاوی انعکاسی از تکینگی سیاهچاله است. او اهمیت این موضوع را در آن زمان درک نمی‌کرد. با گذشت زمان و با ورود سیاهچاله‌ها به زبان عامیانه نامی برای دوقلوی نظری‌ آن‌ها انتخاب شد: سفیدچاله

با گذشت زمان و با ورود سیاهچاله‌ها به زبان عامیانه نامی برای دوقلوی نظری‌ آن‌ها انتخاب شد: سفیدچاله

 روولی می‌گوید: درک سیاهچاله‌ها ۴۰ سال زمان برد و مدت کوتاهی از توجه مردم بر سفیدچاله‌ها می‌گذرد.

دلایلی که وجود سفیدچاله‌ها را نقض می‌کنند

اگرچه نسبیت عام از نظر تئوری وجود سفیدچاله‌ها را توصیف می‌کند اما در حقیقت هیچ کس نمی‌داند که این اجرام چگونه شکل می‌گیرند. اگر عملکرد سفیدچاله‌ها برعکس سیاهچاله‌ها باشد پس باید گفت شکل‌گیری سفیدچاله نیز طی فرآیندی معکوس سیاهچاله رخ می‌دهد اما چنین چیزی امکان‌پذیر نیست. برای درک علت امکان‌ناپذیر بودن ابتدا به نحوه شکل‌گیری سیاهچاله‌ها می‌پردازیم.

آغاز عمر یک سیاهچاله پایان عمر یک ستاره بزرگ است. زمانی که ستاره‌های غول‌پیکر به پایان عمرشان نزدیک می‌شوند، انفجاری موسوم به انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد. ستاره‌های غول‌پیکر در طول عمر خود هیدروژن و هلیم را به عنوان سوخت هسته‌ای می‌سوزانند. هم‌جوشی در این ستاره‌ها منجر به ایجاد عنصر آهن می‌شود، عنصری که به راحتی وارد همجوشی نمی‌شود. در نبود همجوشی، دمای ستاره کاهش می‌یابد و در نهایت انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد. اگر فشار تخریب نوترون‌ها برای متوقف کردن فروپاشی کافی نباشد در این صورت به جای تشکیل یک ستاره نوترونی، هسته تا تشکیل تکینگی گرانشی پیش می‌رود. گرانش این تکینگی به قدری زیاد است که بر تمام نیروهای دیگر غلبه می‌کند و تا جایی پیش می‌رود که حتی نور هم توان فرار از آن را ندارد. جرم تشکیل شده یک سیاهچاله خواهد بود. اما رخ دادن چنین پدیده‌ای به صورت برعکس برای تشکیل یک سفیدچاله از نظر فیزیکی امکان‌پذیر و قابل توجیه نیست.

حتی اگر سفیدچاله‌ها تشکیل شوند احتمالا برای مدت طولانی دوام نمی‌آورند.  

دلایلی دال بر وجود سفیدچاله‌ها

مدت‌ها دانشمندان تصور می‌کردند که سفیدچاله‌ها سرنوشتی مشابه کرم‌چاله‌ها دارند. یعنی اگرچه با نظریه نسبیت عام اینشتین سازگاری دارند اما وجود آنها غیر ممکن است.

کرمچاله‌ها لوله‌های نازک از فضازمان هستند که منطقه‌های دوردست در کیهان را به هم پیوند می‌زنند. کرم‌چاله‌ها می‌توانند کیهان‌های موازی یا بچه‌ کیهان‌ها را به هم پیوند دهند و حتی به طور نظری موجبات سفر در زمان را فراهم آورند.

اما در سال‌های اخیر برخی‌ فیزیکدانان سفیدچاله‌ها را در تلاش برای حفظ همتایان تیره‌ترشان از مرگی نجات داده‌اند.

از دهه ۱۹۷۰ که استیون هاوکینگ دریافت سیاهچاله‌ها انرژی نشت می‌کنند تا به امروز، فیزیکدانان می‌خواهند بدانند که چگونه این اجرام می‌میرند. اگر فرض را بر تبخیر سیاهچاله‌ها بگیریم این سوال مطرح می‌شود که چه بر سر آنچه این جرم کیهانی بلعیده می‌آید؟ طبق نسبیت عام این اجرام توانایی خروج از سیاهچاله را ندارند و با توجه به مکانیک کوانتوم امکان حذف شدن آنها وجود ندارد.

روولی می‌گوید: سیاهچاله چگونه می‌میرد؟ نمی‌دانیم. سفید چاله چگونه تشکیل می‌شود؟ شاید مرگ سیاهچاله تولد یک سفیدچاله باشد. این پاسخ مناسبی است اما باید معادلات نسبیت عام را برای تبدیل یکی به دیگری نقض کنید.

روولی می‌گوید: سیاهچاله چگونه می‌میرد؟ نمی‌دانیم. سفید چاله چگونه تشکیل می‌شود؟ شاید مرگ سیاهچاله تولد یک سفیدچاله باشد. این پاسخ مناسبی است اما باید معادلات نسبیت عام را برای تبدیل یکی به دیگری نقض کنید.

روولی بنیانگذار "گرانش کوانتومی حلقه"(Loop quantum gravity)، تلاشی ناکامل برای عبور از نسبیت عام و رفتن فراتر از آن با توصیف فضا به صورت ذراتی مشابه لگو است. او و دیگران براساس این چارچوب سناریویی را توصیف می‌کنند که در آن یک سیاهچاله آنقدر کوچک می‌شود که دیگر از قوانین ستاره پیروی نمی‌کند. در سطح ذرات، یک بی‌نظمی کوانتومی رخ می‌دهد و سیاهچاله تبدیل به سفیدچاله می‌شود.

به گفته "هال هاگارد"(Hal Haggard)، فیزیکدان نظری در کالج بارد در نیویورک، ‌چنین سفیدچاله‌ای که اندازه آن میکروگرمی خواهد بود، جرمی مشابه موی انسان خواهد داشت که هیچ گرانشی از جد سیاهچاله‌ای خود همراه ندارد اما درون غار مانند آن اطلاعات هر آنچه که در زندگی قبلی خود بلعیده را در بر می‌گیرد. چنین سفیدچاله‌ای بسیار کوچک‌تر از آن است که بتواند مواد اطرافش را جذب کند و ممکن است به اندازه‌ی کافی برای بیرون ریختن هر آن چه که بلعیده است زنده بماند.

در این نظریه روزی پس از فروپاشی ستاره‌ها و از بین رفتن سیاهچاله‌ها، سفیدچاله‌ها بر جهان مسلط خواهند شد. به گفته‌ی هاگارد در آن زمان هر ناظری می‌تواند به راحتی این اجرام را به عنوان ذراتی نسبتا بزرگ تشخیص دهد اما رسیدن به چنین روزی تریلیون‌ها برابر سن کنونی جهان زمان خواهد برد.

سفیدچاله‌های نهایی

برای فیزیکدانان، انفجار ماده و انرژی مه‌بانگ رفتاری شبیه به سفیدچاله‌های بالقوه دارد. کیهان‌شناسان این نظریه را " جهش بزرگ"(Big Bounce) می‌نامند و برخی به دنبال مشخصه‌های سفیدچاله‌ها در اولین نورهای قابل مشاهده جهان هستند. جهان ممکن است خودش را به تمام اشکالی که از نظر نسبیت عام امکان پذیر است نمایان نکند اما هاگارد معتقد است که باید این راه را تا آخر برای یافتن جواب ادامه داد.  

انتهای پیام