فضا و نجوم

سیاهچاله پنج بعدی، نسبیت عام را درهم می‌شکند

سیاهچاله پنج بعدی
نوشته شده توسط مینو خوشرنگ‌باف

محققان دانشگاه کمبریج توانستند سیاهچاله حلقوی شکل پنج بعدی را که در سال ۲۰۰۲ توسط فیزیکدانان نظری کشف شده بود به کمک ابررایانه کوزموس شبیه‌سازی کنند. نتیجه این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که این سیاهچاله حلقوی شکل معادلات نسبیت عام اینشتین را درهم می‌شکند. این سیاهچاله حلقوی به دلیل اینکه فاقد افق رویداد است، باعث ایجاد تکینگی برهنه در فضا-زمان می‌شود که تحت این شرایط نسبیت عام محکوم به فروپاشی است.
نسبیت عام اینشتین
دنیای ما جهانی چهار بعدی شامل سه بعد مکان و یک بعد زمان است. اما در شاخه‌های نظری فیزیک، مثل نظریه ریسمان، جهان می‌تواند از ابعاد بالاتری – تا۱۱ بعد – ساخته شده باشد. ابعاد اضافی می‌توانند بزرگ و وسیع و یا بسیار کوچک و غیر قابل مشاهده باشند. انسان تنها قادر است تا سه بعد را به طور مستقیم درک کند و ابعاد بالا تنها از طریق آزمایش در انرژی‌های بالا، مثلا در برخورد دهنده هادرونی بزرگ قابل دسترسی و مطالعه است.
در جهان سه بعدی ما، نسبیت عام اینشتین اساس درک ما از گرانش را تشکیل می‌دهد: همه چیز، از برآورد سن ستاره‌های کیهان گرفته تا سیگنال‌های GPS، همه بر معادلات اینشتین تکیه دارند. این نظریه به ما می‌گوید که ماده متناسب با جرمش تاروپود فضا-زمان اطراف خود را خمیده می‌کند. یعنی آنچه ما با عنوان گرانش می‌شناسیم در واقع همین پیچ و تاب فضا-زمان است. در طی صد سال بعد از انتشار نظریه نسبیت عام، این نظریه توانسته از تمامی آزمون‌ها سربلند بیرون آید. اما یکی از محدودیت‌های این نظریه نقاط تکینگی است.
«نقطه تکینگی» به نقطه‌ای گفته می‌شود که در آن گرانش به حدی شدید باشد که فضا، زمان و تمامی قوانین فیزیک را در هم شکنند. نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که تکینگی در مرکز سیاه‌چاله‌ها اتفاق می‌افتد، همچنین سیاه چاله‌ها توسط مرز غیر قابل بازگشتی به نام « افق رویداد» احاطه شده‌اند. افق رویداد هر سیاه‌چاله جایی است که گرانش به حدی قوی شود که هیچ چیزی امکان خروج از آن را نداشته باشد. این یعنی درون افق رویداد قابل مشاهده نیست.
بنابه گفته مارکوس کونسک، دانشجوی دکترای ریاضیات کاربردی و فیزیک نظری دانشگاه کمبریج (DAMTP): “تا زمانی که تکینگی‌ها پشت افق رویداد سیاه‌چاله‌ها پنهان هستند مشکلی برای نسبیت عام ایجاد نمی‌کنند. این موضوع با عنوان «فرضیه سانسور کیهانی» شناخته می‌شود. یعنی تا زمانی که سانسور کیهانی معتبر باشد ما می‌توانیم خارج از سیاه‌چاله و با خیال راحت به پیش‌بینی آینده بپردازیم.”
اما چه اتفاقی خواهد افتاد اگر یک تکینگی از افق رویداد خارج شود؟ اگر چنین اتفاقی می‌افتاد، درون سیاه چاله از خارج قابل مشاهده می‌شد. در این صورت سیاه چاله تبدیل به شیئی خواهد شد که با چگالی بی‌نهایت در خود فرو ریخته و باعث از هم پاشیدن قوانین فیزیک می‌شود. بنا به فرض فیزیکدانان نظری، تکینگی برهنه ممکن است در ابعاد بالا وجود داشته باشد.
فیزیکدان‌ها توانسته بودند در سال ۲۰۰۲ به وسیله معادلات نظری به سیاه‌چاله در ابعاد بالا دست یابند. آن‌ها نشان دادند که یک سیاه‌چاله با شکلی عجیب می‌تواند تئوری نسبیت عام اینشتین را که به عنوان پایه و اساس فیزیک مدرن است، در هم بشکند. با این حال این چنین جرمی تنها می‌تواند در جهان‌های پنج بعدی یا بالاتر وجود داشته باشد.
سیاه‌چاله حلقوی شکل پنج بعدی

دانشمندان موفق شدند یک سیاه‌چاله حلقوی بسیار باریک را شبیه‌سازی کنند که با گذر زمان به یک سری برآمدگی‌ها که با نوارهای باریکی به هم متصل شده‌اند ارتقاع می‌یابد. عکس از دانشگاه کمبریج و دانشگاه ملکه ماری

دانشمندان موفق شدند یک سیاه‌چاله حلقوی بسیار باریک را شبیه‌سازی کنند که با گذر زمان به یک سری برآمدگی‌ها که با نوارهای باریکی به هم متصل شده‌اند ارتقاع می‌یابد. عکس از دانشگاه کمبریج و دانشگاه ملکه ماری

محققان دانشگاه کمبریج و دانشگاه ملکه ماری لندن توانستند یک شبیه‌سازی موفقیت‌آمیز از یک سیاهچاله به شکل یک حلقه باریک تهیه کنند. این سیاهچاله با گذر زمان به یک سری برآمدگی‌هایی که به وسیله رشته‌های بسیار نازکی به هم متصل شده‌اند تغییر شکل می‌دهد. در نهایت این رشته‌ها به حدی نازک می‌شوند که از هم گسیخته و تبدیل به سیاهچاله‌های مینیاتوری می‌شوند، درست مثل جریان باریک آب که در نهایت از هم گسیخته و تبدیل به قطره می‌شود.
این اولین بار است که دینامیک سیاهچاله‌های پنج بعدی با استفاده از رایانه به طور موفقیت‌آمیز شبیه سازی می‌شود. ظاهرا شکل‌گیری سیاهچاله‌های این چنینی باعث ایجاد تکینگی‌های به اصطلاح “برهنه” می‌شود، که در نتیجه آن معادلات نسبیت عام در هم می‌شکنند.
ساران تانیوسووناکو (Saran Tunyasuvunakool) دانشجوی دکترای ریاضیات کاربردی و فیزیک نظری دانشگاه کمبریج می‌گوید: “اگر تکینگی برهنه وجود داشته باشد، نسبیت عام را از هم می‌پاشاند. و اگر نسبیت عام از هم بپاشد، همه چیز وارونه خواهد شد، چرا که دیگر قدرت پیش‌بینی نخواهیم داشت و نسبیت دیگر قادر به توضیح پدیده‌ها و آینده کیهان نخواهد بود.”
اینشتین در نظریه خود هیچ اشاره‌ای به کیهان چند بعدی نکرده است. اما فیزیکدانان نظری اقدام به مطالعه نسبیت عام در ابعاد بالا کردند، تا ببینند آیا سانسور کیهانی در آنجا نیز وجود دارد یا نه. سرانجام کشف سیاهچاله‌های حلقوی در پنج بعد محققان را به سوی فرض فروپاشی و ارتقاع سیاهچاله‌های پنج بعدی به تکینگی برهنه سوق داد. نتیجه تحقیقات نشان می‌دهد که اگر حلقه به اندازه کافی نازک شود، احتمال شکل‌گیری تکینگی برهنه بیشتر می‌شود.
شبیه‌سازی‌های انجام شده با استفاده از ابررایانه کوزموس از نسبیت عام در ابعاد بالا، امکان درک ناپایداری حلقه سیاه‌چاله در پنج بعد و پیشبینی سرانجام آن را فراهم آورد. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که بیشتر مواقع حلقه سیاه در خود فرو می‌ریزد و سیاهچاله کروی شکلی می‌سازد که تکینگی در پشت افق رویدادش پنهان می‌ماند. طبق این شبیه‌سازی‌ها، تنها یک حلقه بسیار نازک است که می‌تواند به اندازه کافی ناپایدار باشد تا بتواند برآمدگی‌هایی بسازد که با رشته‌های بسیار بسیار نازک به هم متصل باشند. در نهایت این برآمدگی‌ها تجزیه شده و تشکیل تکینگی برهنه دهند.
فرضیه سانسور کیهانی به طور گسترده برای جهان چهار بعدی ما صدق می‌کند. اما برای مواردی که این نظریه ساقط می‌شود راه جایگزین برای توضیح کیهان احتمال گرانش کوانتومی است. گرانش کوانتومی که برای معادلات اینشتین در فاصله‌های دور از تکینگی تقریب می‌زند، همچنین امکان شرحی از فیزیک جدید در محل‌های نزدیک تکینگی را نیز فراهم می‌کند.

درباره نویسنده

مینو خوشرنگ‌باف

دیدگاه شما چیست