وقتی ماده وارد یک «سیاهچاله» می‌شود چه اتفاقی می‌افتد؟

فرادید| شاید شگفت‌انگیزترین کشف علمی دهه گذشته این باشد که کیهان مملو از سیاهچاله‌ها است. آن‌ها در اندازه‌های مختلف و شگفت‌انگیز شناسایی شدند: جرم برخی از آن‌ها کمی بزرگتر از خورشید و برخی دیگر میلیاردها برابر بزرگتر از آن است. سیاه‌چاله‌ها به روش‌های مختلف شناسایی شده‌اند: با تشعشعات رادیویی از ماده که به سمت چاله می‌افتد، با تأثیر آن‌ها روی ستارگانی که به دور آن‌ها می‌چرخند، با امواج گرانشی ساطع شده به هنگام ادغام آن‌ها و با اعوجاج بسیار عجیب نوری که ایجاد می‌کنند. 

به گزارش فرادید، فضایی که ما در آن زندگی می‌کنیم صاف نیست و با وجود این سیاه‌چاله‌ها مانند یک آبکش است. ویژگی‌های فیزیکی همه سیاه‌چاله‌ها توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شد و این نظریه به خوبی آن‌ها را توصیف کرد. 

هر آنچه که ما در مورد این اشیاء عجیب و غریب می‌دانیم تا اینجا کاملاً با نظریه انیشتین مطابقت دارد. اما دو پرسش کلیدی وجود دارد که نظریه انیشتین پاسخی برای آن‌ها ندارد. 

اول: وقتی ماده وارد چاله می‌شود، بعد به کجا می‌رود؟ دوم: سیاهچاله‌ها چگونه به پایان می‌رسند؟ استدلال‌های نظری قانع‌کننده‌ای که نخستین بار استیون هاوکینگ چندین دهه پیش آن‌ها را مطرح کرد، نشان می‌دهند که در آینده‌ای دور، پس از طی زمانی که به اندازه سیاهچاله بستگی دارد، یک سیاه‌چاله با انتشار تشعشعات داغی که اکنون به آن‌ها تشعشعات هاوکینگ می‌گویند، کوچک یا به گفته فیزیکدانان تبخیر می‌شود. 

این اتفاق سبب می‌شود چاله کوچکتر و کوچکتر شود، تا زمانی که ریز شود. اما، بعد چه اتفاقی می‌افتد؟ دلیل اینکه این دو پرسش هنوز پاسخ داده نشدند و نظریه انیشتین پاسخی برای آن‌ها ندارد، این است که هر دو جنبه‌های کوانتومی فضازمان را شامل می‌شوند. یعنی هر دو شامل گرانش کوانتومی می‌شوند و ما هنوز یک نظریه ثابت در مورد گرانش کوانتومی نداریم. 

تلاش برای یافتن پاسخ

با این حال، امید وجود دارد، زیرا ما نظریه‌های آزمایشی هم داریم. این نظریه‌ها هنوز ثابت نشدند، زیرا تا به امروز، آزمایش‌ها یا مشاهداتی وجود نداشته که آن‌ها را تأیید کند، اما آن‌ها به اندازه کافی توسعه یافته‌اند که ما به کمک آن‌ها به پاسخ‌های آزمایشی این دو پرسش مهم برسیم. بنابراین می‌توانیم از این نظریه‌ها برای حدس‌زنی حساب‌شده درباره آنچه در حال وقوع است استفاده کنیم. 

مسلماً دقیق‌ترین و توسعه‌یافته‌ترین نظریه فضازمان کوانتومی، گرانش کوانتومی حلقه یا LQG است، یک نظریه گرانش کوانتومی آزمایشی که از اواخر دهه ۱۹۸۰ به طور پیوسته در حال توسعه بوده است. 

به لطف این نظریه، پاسخ جالبی برای این پرسش‌ها پیدا شده است. پاسخ موردنظر سناریوی زیر را دارد: درون یک سیاهچاله تا زمانی تکامل می‌یابد که به مرحله‌ای برسد که اثرات کوانتومی شروع به تسلط کنند. 

تئوری گرانش کوانتومی حلقه به سیاهچاله‌ها اجازه می‌دهد به عنوان سفیدچاله‌ها بازگردند

این اتفاق یک نیروی دافعه قوی ایجاد می‌کند که دینامیک داخلی سیاهچاله در حال فروپاشی را معکوس کرده و سبب می‌شود سیاه‌چاله به عقب برگردد. پس از این فاز کوانتومی که توسط LQG توصیف شده، فضازمان درون چاله بار دیگر با تئوری انیشتین مطابقت پیدا میکند، با این تفاوت که اکنون سیاهچاله به جای انقباض در حال انبساط است. 

نظریه انیشتین احتمال انبساط چاله را پیش‌بینی کرده بود، به همان شیوه‌ای که سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کرده بود. این امکان ده‌ها سال است که شناخته‌شده است. در واقع، آنقدر طولانی که این منطقه فضا-زمان متناظر حتی نام هم دارد: «سفیدچاله». 

همان ایده، اما برعکس

این نام بازتاب این ایده است که سفیدچاله به یک معنا معکوس سیاهچاله است و می‌توان به همان شکل آن را تصور کرد که توپی که به سمت بالا پرتاب شده، مسیری رو به بالا را دنبال می‌کند و برعکس مسیر رو به پایین، وقتی توپ به سمت پایین سقوط کند. 

سفیدچاله یک ساختار فضا-زمان شبیه به سیاهچاله است اما زمان معکوس دارد. داخل سیاهچاله، چیزها به داخل می‌افتند، برعکس داخل سفیدچاله، همه چیز خارج می‌شود. هیچ چیز نمی‌تواند از سیاهچاله خارج شود، برعکس هیچ چیز نمی‌تواند وارد سفیدچاله شود. 

از بیرون که نگاه کنید، اتفاقی که می‌افتد این است که در پایان تبخیر، سیاه‌چاله‌ای که اکنون بسیار کوچک است، چون بیشتر جرمش بخار شده، به یک سفیدچاله کوچک جهش می‌یابد. LQG نشان می‌دهد چنین ساختارهایی توسط اثرات کوانتومی شبه‌پایدار می‌شوند، بنابراین می‌توانند برای مدت طولانی زنده بمانند. 

گاهی اوقات سفیدچاله‌ها را «بقایا» می‌نامند، چون آن‌ها چیزی هستند که پس از تبخیر یک سیاهچاله باقی می‌مانند. تبدیل شدن سیاه‌چاله به سفیدچاله را می‌توان یک «جهش کوانتومی» تصور کرد. 

تئوری گرانش کوانتومی حلقه به سیاهچاله‌ها اجازه می‌دهد سفیدچاله شوند

جهش‌های کوانتومی سبب می‌شوند اتم‌ها فوتون ساطع کنند و این همان چیزی است که سبب تابش نوری می‌شود که به ما امکان دیدن اجسام را می‌دهد. اما LQG اندازه این بقایای کوچک را پیش‌بینی می‌کند که یک نتیجه فیزیکی مشخص دارد: کمی‌سازی هندسه. به طور خاص، LQG پیش‌بینی می‌کند مساحت هر سطحی فقط میتواند مقادیر گسسته خاصی داشته باشد. 

مساحت افق باقیمانده سفیدچاله از کوچکترین مقدار ناپدیدشونده بدست می‌آید و این مربوط به یک سفیدچاله با جرم کسری از میکروگرم است: تقریباً به وزن یک موی انسان. 

این سناریو به هر دو پرسش مطرح شده قبل پاسخ می‌دهد. آنچه در پایان تبخیر اتفاق می‌افتد این است که یک سیاهچاله کوانتومی به یک سفیدچاله کوچک با عمر طولانی تبدیل می‌شود و ماده‌ای که در سیاهچاله افتاده، بعداً می‌تواند از این سفیدچاله خارج شود. 

نخستین مدرک بصری مستقیم از یک سیاهچاله که تلسکوپ افق رویداد در آوریل ۲۰۱۷ آن را ثبت کرده است

بیشتر انرژی ماده قبلاً توسط تشعشعات هاوکینگ ساطع شده، تشعشعات کم‌انرژی ساطع‌شده توسط سیاه‌چاله به دلیل اثرات کوانتومی که سبب تبخیر آن می‌شود. چیزی که از سفیدچاله خارج می‌شود انرژی ماده‌ای نیست که در آن افتاده، بلکه تابش کم‌انرژی باقیمانده است که تمام اطلاعات باقیمانده در مورد ماده‌ای را که در آن افتاده، حمل می‌کند. 

احتمال جالبی که این سناریو مطرح می‌کند اینست که ماده تاریک اسرارآمیزی که اخترشناسان اثرات آن را در آسمان مشاهده می‌کنند، در واقع می‌تواند به‌طور کامل یا جزئی توسط سفیدچاله‌های کوچک ایجادشده توسط سیاه‌چاله‌های تبخیر شده باستانی شکل گرفته باشد. اینها می‌توانند در مراحل اولیه کیهان، احتمالاً در مرحله قبل از انفجار بزرگ که به نظر می‌رسد توسط LQG هم پیش‌بینی شده، تولید شده باشند. 

این یک راه‌حل محتمل برای معمای ماهیت ماده تاریک است، چون درک ما از ماده تاریک را بهتر میکند که صرفاً بر نسبیت عام و مکانیک کوانتومی تکیه دارد که هر دو جنبه کاملاً تثبیت‌شده‌ای از طبیعت هستند. همچنین، مانند بسیاری از فرضیه‌های آزمایشی جایگزین در مورد ماده تاریک، ذرات موقتی میدان‌ها یا معادلات دینامیکی جدید را اضافه نمی‌کند. 

گام‌های بعدی

بنابراین، آیا می‌توانیم سفیدچاله‌ها را تشخیص دهیم؟ شناسایی مستقیم یک سفیدچاله دشوار است، زیرا این اجرام کوچک با فضا و ماده اطرافشان تقریباً به طور منحصر به فرد از طریق گرانش که بسیار ضعیف است، تعامل دارند. 

تشخیص یک مو فقط با استفاده از جاذبه گرانشی آن آسان نیست. اما با پیشرفت تکنولوژی این کار غیرممکن باقی نخواهد ماند. هم‌اکنون ایده‌هایی در مورد چگونگی انجام این کار با استفاده از آشکارسازهای مبتنی بر فناوری کوانتومی ارائه شده است. 

اگر ماده تاریک از بقایای سفیدچاله تشکیل شده باشد، یک تخمین ساده نشان می‌دهد تعداد کمی از این اجرام ممکن است هر روز در فضایی به اندازه یک اتاق بزرگ پرواز کنند. در حال حاضر، ما باید این سناریو و سازگاری آن را با آنچه در مورد کیهان می‌دانیم مطالعه کنیم و منتظر بمانیم تا پیشرفت فناوری به ما کمک کند مستقیماً این اجرام را شناسایی کنیم. 

جای تعجب است چرا قبلاً این سناریو مطرح نشده بود. یک دلیل را می‌توان به فرضیه‌ای نسبت داد که بسیاری از نظریه‌پردازان با پیشینه نظریه ریسمان آن را پذیرفته‌اند: نسخه‌ای قوی از فرضیه به اصطلاح «هولوگرافیک». 

بر اساس این فرضیه، اطلاعات درون یک سیاهچاله کوچک لزوماً کوچک است و با ایده فوق در تضاد است. این فرضیه مبتنی بر ایده سیاهچاله‌های ابدی است: از نظر فنی، این ایده که افق یک سیاهچاله لزوماً یک افق رویداد است (افق رویداد یعنی یک افق ابدی). اگر افق ابدی باشد، آنچه داخلش اتفاق می‌افتد عملاً برای همیشه از بین می‌رود و سیاهچاله به طور منحصربه‌فردی با آنچه از بیرون دیده می‌شود مشخص می‌شود. 

اما پدیده‌های گرانشی کوانتومی وقتی افق کوچک شده، آن را مختل کرده و از ابدی بودن آن جلوگیری میکنند. بنابراین افق یک سیاهچاله نمی‌تواند یک افق رویداد باشد. اطلاعات موجود در آن می‌تواند بزرگ باشد، حتی زمانی که افق کوچک است و می‌تواند پس از مرحله سیاهچاله، یعنی در مرحله سفیدچاله بازیابی شود. 

جالب اینجاست وقتی سیاهچاله‌ها از لحاظ نظری مطالعه شدند و ویژگی‌های کوانتومی آن‌ها نادیده گرفته شد، افق ابدی ویژگی تعیین‌کننده آن‌ها در نظر گرفته شد. حالا که سیاهچاله‌ها را به عنوان اجرام واقعی در آسمان می‌دانیم و ویژگی‌های کوانتومی آن‌ها را بررسی می‌کنیم، متوجه می‌شویم این ایده که افق آن‌ها باید ابدی باشد، فقط یک ایده‌آل‌سازی بود. 

واقعیت نامحسوس و موشکافانه است. شاید هیچ چیز ابدی نباشد، حتی افق یک سیاهچاله.

مترجم: زهرا ذوالقدر