از هم زاد مرموز سیاهچاله ها چه می دانیم؟ - وبلاگ منصوری

به گزارش وبلاگ منصوری، سیاهچاله ها همواره مورد توجه دانشمندان بوده اند اما در خصوص هم زاد نادیده گرفته شده آن ها یعنی سفیدچاله ها چه می دانیم؟

به گزارش وبلاگ منصوری، سفیدچاله ها نواحی نظری در کیهان هستند که عملکردی مخالف سیاهچاله ها دارند. می دانیم که هیچ جرم کیهانی قدرت فرار از سیاهچاله ها را ندارد و این اجرام همه چیز را می بلعند اما در خصوص قُل آنها موضوع جور دیگری رقم می خورد. گفته می شود که هیچ جرم آسمانی قدرت ورود به سفیدچاله ها را ندارد.

مدت ها تصور می شد که سفیدچاله ها زاییده نظریه نسبیت عام اینشتین هستند که از معادلاتی فیزیکی مشابه برادران شان یعنی سیاهچاله ها نشات گرفته اند. با این حال به تازگی بعضی از نظریه پردازان این سوال را مطرح نموده اند که آیا این گرداب های دوقلوی فضازمان می توانند دو روی یک سکه باشند؟

اگر خدمه 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 حلقه ای از غبار و گاز که در اطراف افق رویداد(مرز سیاهچاله) جمع شده است و مرزی حبابی این جرم را از سایر دنیا جدا می نماید. اگر به نگاه کردن ادامه دهید ممکن است بتوانید رویدادی غیر ممکن برای یک سیاهچاله ها را رصد کنید و آن فوران مواد به سمت بیرون است.

کارلو روولی(Carlo Rovelli)، فیزیکدان نظری در مرکز فیزیک تئوریک فرانسه می گوید: این همان لحظه ای است که می توانید بگویید، من با یک سفیدچاله روبه رو هستم.

سفیدچاله شبیه به ویدئویی معکوس شده از یک سیاهچاله است. در حالی که افق رویداد در سیاهچاله یک کره بدون بازگشت است و همه چیز را در خود غرق می نماید، 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 می توانند از آن خارج شوند و با دنیای خارج ارتباط برقرار نمایند اما از آن جا که هیچ چیز امکان ورود به آن را ندارد بنابراین درون سفیدچاله از گذشته کیهان جدا مانده است. هیچ رویداد خارجی بر بخش درونی سفیدچاله اثر نمی گذارد.

دوقلوی نظری سیاهچاله

اساس و پایه آنچه که در خصوص سیاه چاله ها می دانیم به جنگ دنیای اول برمی شود. در سال 1915 معادلات میدانی اینشتین مانند یک سونامی به دنیا فیزیک برخورد کرد و نظریه پردازان هنوز هم در حال آنالیز بقایای آن هستند. فرای توصیف نیروی گرانش، فرضیه های او تحولی در ماهیت واقعیت به وجود آورد. کارل شوارتزشیلد(Karl Schwarzschild)، مدیر رصدخانه ای در پوستدام (Potsdam)، نظریه پرداز و ریاضیدان برجسته ای بود که برخلاف شغل مربوط به نجومش در دهه پنجم زندگیش به جنگ رفته بود. او گزارشی از سوی اینشتین دریافت کرد که نمی دانست روزی تبدیل به مهمترین اثر قرن بیستم خواهد شد. اینشتین از او برای حل یک معادله یاری 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 چاره را برای معادله اینشتین ارائه داد، او را بسیار شوکه کرد. به طرز غم انگیزی در کمتر از یک سال شوارتزشیلد تسلیم یک بیماری پوستی شد و جانش را از دست داد و به میلیون ها جان باخته جنگ دنیای اول در اثر این بیماری پیوست اما راه چارهی از خود به جا گذاشت که به طور کامل شرح می دهد چگونه فضازمان اجسام کروی مثل سیارات و ستاره ها را در بر گرفته است.

در سال 1915 معادلات میدانی اینشتین مانند یک سونامی به دنیا فیزیک برخورد کرد و نظریه پردازان هنوز هم در حال آنالیز بقایای آن هستند. فرای توصیف نیروی گرانش، فرضیه های او تحولی در ماهیت واقعیت به وجود آورد.

فضازمان یک مدل ریاضی است که در آن سه بُعد فضا و یک بعُد زمان دنیا در یکدیگر ادغام شده و یک محیط چهار بعدی ایجاد می نماید. با ترکیب فضا و زمان فیزیکدانان توانستند نظریه های فیزیکی را ساده سازی نمایند. یکی از ویژگی های بیان شده در این راه چاره ریاضیاتی این است که در ستاره های فشرده با چگالی زیاد، فرار از گرانش دشوارتر می شود تا جایی که هر ذره ای، حتی نور در دام گرانش آنها می افتد. به این نقطه که هیچ فراری از گرانش امکان پذیر نیست افق رویداد گفته می شود و هر جسمی که به افق رویداد نزدیک شود زمان برایش کند شده و سپس متوقف می شود. به همین دلیل اولین فیزیکدانانی که این اجرام عجیب را مطالعه می کردند آن ها را ستاره های یخ زده نامیدند. امروزه ما آن ها را با اسمی می شناسیم که اولین بار ویلر(Wheeler) در سال 1967 به آن ها اطلاق کرد: سیاه چاله

در پاسخ شوارتزشیلد بذر اولیه آنچه امروزه فیزیکدانان تکینگی(singularity) می نامند، نهفته بود. تکینگی به موقعیتی در فضازمان گفته می شود که چگالی و میدان گرانشی جرم کیهانی بی نهایت می شود به نحوی که این ناحیه از سایر کیهان فاصله می گیرد.

سیاهچاله ها به عنوان مشهورترین تکینگی ها، مناطقی از فضا هستند که به حدی پیچ خورده اند که هیچ خروجی از آن ها وجود ندارد. دنیا بیرونی می تواند بر بخش درونی افق یک سیاهچاله اثر بگذارد اما آنچه درون سیاهچاله قرار گرفته است قادر به اثرگذاری بر محیط خارجی نیست.

مارتین دیوید کروسکال(Martin David Kruskal) ریاضیدان، در سال 1960 ساختار کامل فضازمانِ ساده ترین سیاهچاله کلاسیک را در نظریه نسبیت عام کشف کرد. زمانی که او توصیفات شوارتزشیلد را توسعه داد تا همه حوزه های فضا را در بر بگیرد نمی دانست که نظریه نو او حاوی انعکاسی از تکینگی سیاهچاله است. او اهمیت این موضوع را در آن موقع درک نمی کرد. با گذشت زمان و با ورود سیاهچاله ها به زبان عامیانه نامی برای دوقلوی نظری آن ها انتخاب شد: سفیدچاله

با گذشت زمان و با ورود سیاهچاله ها به زبان عامیانه نامی برای دوقلوی نظری آن ها انتخاب شد: سفیدچاله

روولی می گوید: درک سیاهچاله ها 40 سال زمان برد و مدت کوتاهی از توجه مردم بر سفیدچاله ها می گذرد.

دلایلی که وجود سفیدچاله ها را نقض می نمایند

اگرچه نسبیت عام از نظر تئوری وجود سفیدچاله ها را توصیف می نماید اما در حقیقت هیچ کس نمی داند که این اجرام چگونه شکل می گیرند. اگر عملکرد سفیدچاله ها برعکس سیاهچاله ها باشد پس باید گفت شکل گیری سفیدچاله نیز طی فرآیندی معکوس سیاهچاله رخ می دهد اما چنین چیزی امکان پذیر نیست. برای درک دلیل امکان ناپذیر بودن ابتدا به نحوه شکل گیری سیاهچاله ها می پردازیم.

شروع عمر یک سیاهچاله سرانجام عمر یک ستاره بزرگ است. زمانی که ستاره های غول پیکر به سرانجام عمرشان نزدیک می شوند، انفجاری موسوم به انفجار ابرنواختری رخ می دهد. ستاره های غول پیکر در طول عمر خود هیدروژن و هلیم را به عنوان سوخت هسته ای می سوزانند. هم جوشی در این ستاره ها منجر به ایجاد عنصر آهن می شود، عنصری که به راحتی وارد همجوشی نمی شود. در نبود همجوشی، دمای ستاره کاهش می یابد و در نهایت انفجار ابرنواختری رخ می دهد. اگر فشار تخریب نوترون ها برای متوقف کردن فروپاشی کافی نباشد در این صورت به جای تشکیل یک ستاره نوترونی، هسته تا تشکیل تکینگی گرانشی پیش می رود. گرانش این تکینگی به قدری زیاد است که بر تمام نیروهای دیگر غلبه می نماید و تا جایی پیش می رود که حتی نور هم توان فرار از آن را ندارد. جرم تشکیل شده یک سیاهچاله خواهد بود. اما رخ دادن چنین پدیده ای به صورت برعکس برای تشکیل یک سفیدچاله از نظر فیزیکی امکان پذیر و قابل توجیه نیست.

حتی اگر سفیدچاله ها تشکیل شوند احتمالا برای مدت طولانی دوام نمی آورند.

دلایلی دال بر وجود سفیدچاله ها

مدت ها دانشمندان تصور می کردند که سفیدچاله ها سرنوشتی مشابه کرم چاله ها دارند. یعنی اگرچه با نظریه نسبیت عام اینشتین سازگاری دارند اما وجود آنها غیر ممکن است.

کرمچاله ها لوله های نازک از فضازمان هستند که منطقه های دوردست در کیهان را به هم پیوند می زنند. کرم چاله ها می توانند کیهان های موازی یا بچه کیهان ها را به هم پیوند دهند و حتی به طور نظری موجبات سفر در زمان را فراهم آورند.

اما در سال های اخیر بعضی فیزیکدانان سفیدچاله ها را در کوشش برای حفظ همتایان تیره ترشان از مرگی نجات داده اند.

از دهه 1970 که استیون هاوکینگ دریافت سیاهچاله ها انرژی نشت می نمایند تا به امروز، فیزیکدانان می خواهند بدانند که چگونه این اجرام می میرند. اگر فرض را بر تبخیر سیاهچاله ها بگیریم این سوال مطرح می شود که چه بر سر آنچه این جرم کیهانی بلعیده می آید؟ طبق نسبیت عام این اجرام توانایی خروج از سیاهچاله را ندارند و با توجه به مکانیک کوانتوم امکان حذف شدن آنها وجود ندارد.

روولی می گوید: سیاهچاله چگونه می میرد؟ نمی دانیم. سفید چاله چگونه تشکیل می شود؟ 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 می گوید: سیاهچاله چگونه می میرد؟ نمی دانیم. سفید چاله چگونه تشکیل می شود؟ 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)، کوششی 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 می نمایند که در آن یک سیاهچاله آنقدر کوچک می شود که دیگر از قوانین ستاره پیروی نمی نماید. در سطح ذرات، یک بی نظمی کوانتومی رخ می دهد و سیاهچاله تبدیل به سفیدچاله می شود.

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

در این نظریه روزی پس از فروپاشی ستاره ها و از بین رفتن سیاهچاله ها، سفیدچاله ها بر دنیا مسلط خواهند شد. به گفته هاگارد در آن موقع هر ناظری می تواند به راحتی این اجرام را به عنوان ذراتی نسبتا بزرگ تشخیص دهد اما رسیدن به چنین روزی تریلیون ها برابر سن کنونی دنیا زمان خواهد برد.

سفیدچاله های نهایی

برای فیزیکدانان، انفجار ماده و انرژی مه بانگ رفتاری شبیه به سفیدچاله های بالقوه دارد. کیهان شناسان این نظریه را جهش بزرگ(Big Bounce) می نامند و بعضی در پی مشخصه های سفیدچاله ها در اولین نورهای قابل مشاهده دنیا هستند. دنیا 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.