از همزاد مرموز سیاهچاله ها چه می دانید؟
به گزارش وبلاگ کلشی ها، سیاهچاله ها همیشه مورد توجه دانشمندان بوده اند اما در مورد همزاد نادیده گرفته شده آن ها یعنی سفیدچاله ها چه می دانید؟
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 مورد قُل آن ها موضوع جور دیگری رقم می خورد. گفته می گردد 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 برخی از نظریه پردازان این سوال را مطرح کرده 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 جهان جدا می کند. 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 کند، 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 جهانی خارج ارتباط برقرار کنند، 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 مورد سیاه چاله ها می دانیم به جنگ جهانی اول برمی گردد. در سال 1915 معادلات میدانی اینشتین مانند یک سونامی به جهان فیزیک برخورد کرد و نظریه پردازان هنوز هم در حال بررسی 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 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 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 جهانی اول در اثر این بیماری پیوست، اما راه حلی از خود به جا گذاشت که به طور کامل توضیح 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 جهان فیزیک برخورد کرد و نظریه پردازان هنوز هم در حال بررسی 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 جهان در یکدیگر ادغام شده و یک محیط چهار بعدی ایجاد می کند. با ترکیب فضا و زمان فیزیکدانان توانستند نظریه های فیزیکی را ساده سازی کنند. یکی از ویژگی های بیان شده در این راه حل ریاضیاتی این است که در ستاره های فشرده با چگالی زیاد، فرار از گرانش دشوارتر می گردد تا جایی که هر ذره ای، حتی نور در دام گرانش آن ها می افتد. به این نقطه که هیچ فراری از گرانش امکان پذیر نیست افق رویداد گفته می گردد و هر جسمی که به افق رویداد نزدیک گردد زمان برایش کند شده و سپس متوقف می گردد. به همین علت 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 گردد که چگالی و میدان گرانشی جرم کیهانی بی نهایت می گردد 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. جهان بیرونی می تواند بر بخش درونی افق یک سیاهچاله اثر بگذارد، اما آنچه درون سیاهچاله واقع شده 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 زمان 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 کنند
اگرچه نسبیت عام از نظر تئوری وجود سفیدچاله ها را توصیف می کند، 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 علت امکان ناپذیر بودن ابتدا به نحوه شکل گیری سیاهچاله ها می پردازیم.
آغاز عمر یک سیاهچاله پایان عمر یک ستاره بزرگ است. زمانی که ستاره های غول پیکر به پایان 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 گردد، عنصری که به راحتی وارد همجوشی نمی گردد. 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 نیرو های دیگر غلبه می کند 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.
دلایل 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 آن ها 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 برخی فیزیکدانان سفیدچاله ها را در تلاش برای حفظ همتایان تیره ترشان از مرگی نجات داده اند.
از دهه 1970 که استیون هاوکینگ دریافت سیاهچاله ها انرژی نشت می کنند 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 گردد 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 آن ها وجود ندارد.
روولی می گوید: سیاهچاله چگونه می میرد؟ نمی دانیم. سفید چاله چگونه تشکیل می گردد؟ 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 گردد؟ 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 می کنند که در آن یک سیاهچاله آنقدر کوچک می گردد که دیگر از قوانین ستاره پیروی نمی کند. در سطح ذرات، یک بی نظمی کوانتومی رخ می دهد و سیاهچاله تبدیل به سفیدچاله می گردد.
به گفته هال هاگارد (Hal Haggard)، فیزیکدان نظری در کالج بارد در نیویورک، چنین سفیدچاله ای که اندازه 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 اندازه 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 جهان مسلط خواهند شد. به گفته هاگارد در آن زمان 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 جهان 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 برخی در پی مشخصه های سفیدچاله ها در اولین نور های 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.
منبع: ایسنا
وبلاگ کلشی ها وب گردی وبگردی
منبع: باشگاه خبرنگاران جوان