راه نماهای تاریک

یک نظریه فیزیکی که سیاهچاله ها را در بر بگیرد لاجرم تمامی دانش ما از اصول بنیادینی که طبیعت بر پایه آنها استوار است را به کار گرفته و به چالش می کشد حس کنجکاوی درباره سیاهچاله ها مدت هاست که از دانشکده های فیزیک و ستاره شناسی به بیرون رخنه کرده است و این موجودات اسرارآمیز و مخوف به مدد داستان های علمی تخیلی و فیلم های سینمایی شهرتی افسانه ای یافته اند

سیاهچاله‌ها از اسرارآمیزترین و جنجال‌برانگیز‌ترین موضوعات برای فیزیک‌پیشه‌ها و ستاره‌شناس‌ها هستند.

سیاهچاله‌ها در ابتدا به صورت نظری و به اصطلاح روی کاغذ کشف شدند و تا به امروز که تعدادی از آنها رصد شده‌اند از بزرگترین چالش‌ها برای دانش بشر بوده‌اند.

تاثیری که سیاهچاله‌ها در جهان‌بینی ما دارد شگرف و در مقایسه با تاثیری که مطالعه سایر اجرام آسمانی بر بینش ما می‌گذارد کاملا منحصربه‌فرد است.

یک نظریه فیزیکی که سیاهچاله‌ها را در بر بگیرد لاجرم تمامی دانش ما از اصول بنیادینی که طبیعت بر پایه آنها استوار است را به کار گرفته و به چالش می‌کشد. حس کنجکاوی درباره سیاهچاله‌ها مدت‌هاست که از دانشکده‌های فیزیک و ستاره‌شناسی به بیرون رخنه کرده است و این موجودات اسرارآمیز و مخوف به مدد داستان‌های علمی- تخیلی و فیلم‌های سینمایی شهرتی افسانه‌ای یافته‌اند.

شهرتی که دیگر اجرام آسمانی مثل «سحابی‌ها» یا «کوتوله‌های سفید» کاملا از آن بی‌بهره‌اند. افسانه‌ها منشا الهام و اسباب سرگرمی هستند اما فلسفه‌پردازی‌ها و نتیجه‌گیری‌های اخلاقی که گاهی بر پایه این افسانه‌ها ساخته و پرداخته می‌شوند عموما از بنیاد نادرست و گمراه‌کننده‌اند.

به نظر نویسنده توضیح آخرین یافته‌های پژوهشگران یک حوزه دانش به شکل دقیق و بی‌پیرایه برای دیگران، البته اگر شدنی باشد، بسیار مفید است.

چرا که از یک‌سو، سواد عمومی جامعه را بالا می‌برد و از سوی دیگر، چون بر این باورم که همه پژوهش بشر در واقع پرداختن به اجزا و جلوه‌های یک کل است، چنین گفتمانی آهنگ تبدیل نادانسته‌ها به دانسته‌ها را در تمامی عرصه‌ها افزایش می‌دهد.

مطالبی که در پی می‌آید یک مرور تقریبا کلی از همه آن چیزی است که به سیاهچاله‌ها مربوط می‌شود. اولویت من در نگارش این متن، درستی آن است.

آنجا که به جبر تسلط اندکم به موضوع یا ناتوانی‌ام در نگارش شیوا، نتوانسته‌ام مطلب صحیح را به زبان ساده بگویم از گفتن آن خودداری کرده‌ام. از این‌رو شکاف‌هایی در مطلب وجود دارد که امیدوارم خواننده گرامی بر من ببخشد.

همچنین از همه آنهایی که مطلب را بهتر می‌دانند و می‌توانستند بهتر ارائه کنند، پوزش می‌طلبم. از سامان مقیمی و مریم جعفراقدمی به خاطر نظرات‌شان که به اصلاح و ویراستگی مطلب منجر شد تشکر می‌کنم.

● پایان یک ستاره

سیاهچاله‌ها آخرین مرحله از زندگی ستاره‌هایی هستند که جرمشان از سه برابر جرم خورشید بیشتر است. زمانی که سوخت هسته‌ای یک ستاره به پایان می‌رسد ذرات گاز سازنده آن در گرانش ستاره، یعنی تحت تاثیر نیروی جاذبه‌اش، به سمت مرکز آن سقوط می‌کنند و ستاره کوچک و کوچک‌تر می‌شود.

همان طور که الان اگر شما آن چیزی را که احتمالا در دست دارید رها کنید به پایین یعنی به سمت مرکز کره زمین خواهد افتاد. در ستاره‌ای که می‌سوزد فشار گاز داغ از انقباض بیش از حد آن جلوگیری می‌کند هرچند آن موقع هم گرانش ستاره همه چیز را به درون و به سمت مرکز ستاره می‌کشاند.

وقتی که سوخت ستاره تمام می‌شود دیگر چیزی جلوی انقباض آن را نمی‌گیرد و ستاره کاملا منقبض می‌شود. این اتفاق که به اصطلاح به آن «رمبش ستاره» می‌گویند حتی ممکن است نهایتا به فروپاشی کامل ساختمان مادی ستاره منجر شود.

وقتی که ذرات گاز سازنده ستاره خیلی به هم نزدیک شوند، نیروهایی بینشان پدیدار می‌شود که با آن که همیشه وجود دارند اما ما در زندگی روزمره‌مان اصلا آنها را احساس نمی‌کنیم و حتی در محاسبات‌مان برای مطالعه ستاره‌های سوزان آنها را در نظر نمی‌گیریم اما به هر حال این نیروها همان نیروهایی هستند که ساختار ماده به شکل متعارف آن را سر پا نگاه داشته‌اند و درست مثل ملات بنایی که از در هم ریختن یک ساختمان جلوگیری می‌کند، مسوول برپایی کل این ساختمان هستی هستند.

اگر جرم ستاره‌ای از سه برابر جرم خورشید کم‌تر باشد این نیروها در مرحله‌ای بر گرانش ستاره می‌چربند و جلوی انقباض بیش از حد آن را می‌گیرند و به این ترتیب ساختمان مادی آن را پیش از فروپاشی کامل به نحوی حفظ می‌کند.

حال بر حسب اینکه جرم ستاره چقدر باشد، آن نیرویی که جلوی رمبش ستاره را می‌گیرد فرق می‌کند. به این ترتیب بسته به جرم ستاره، سرنوشت‌های متفاوتی می‌تواند برای آن رقم بخورد.

یک ستاره سبک ممکن است بازنشستگی ابدی‌اش را به شکل یک «کوتوله سفید» با تلألویی مهتابی رنگ یا به شکل یک «ستاره نوترونی» که چگال و تاریک است بگذراند. اما اگر جرم ستاره از سه برابر جرم خورشید بیشتر باشد چیزی حریف گرانش نخواهد شد.

ستاره کاملا می‌رمبد و ساختمان مادی ستاره کاملا فرومی‌پاشد. ستاره برای همیشه در خود فرو می‌ریزد بی‌آنکه بشود پایانی برای این فرآیند در نظر گرفت.

● افق رویداد

این حرف شاید کمی عجیب و بی‌معنا به نظر برسد اما این به هر حال موضوعی نیست که ما بخواهیم برای آن نگران باشیم و بر سر آن جدل کنیم؛ دلیلش هم این است که سیاهچاله در بدو شکل‌گیری در حجابی پوشیده می‌شود که به اصطلاح «افق رویداد» نام دارد.

افق رویداد در عمل مرز سیاهچاله را معلوم می‌کند، مرزی بین آنچه که ما می‌بینیم و آنچه که برای همیشه از دید ما پنهان شده است. هیچ چیز حتی نور هم از درون افق رویداد به بیرون درز نمی‌کند.

شعاع افق رویداد یک سیاهچاله تابعی از جرم آن است.برای مثال اگر قرار بود سیاهچاله‌ای به جرم زمین وجود داشته باشد آن وقت شعاع افق رویدادش تنها چند میلیمتر می‌بود حال آنکه شعاع افق رویداد سیاهچاله‌ای به جرم سه برابر خورشید که یک میلیون بار سنگین‌‌تر از زمین است چند کیلومتر است.

برای آنکه این اعداد بهتر احساس شوند، یادآوری می‌کنم که شعاع کره‌زمین نزدیک به ۶۴۰۰ کیلومتر است. اگر کسی بخواهد زمین را به یک سیاهچاله تبدیل کند باید آن را چنان منقبض کند که تمامش در کره‌ای چند میلیمتری یعنی به اندازه یک دانه برنج جا بگیرد!

جاذبه سیاهچاله‌ها زیاد است زیرا، همان‌طور که پیش‌تر گفته شد، جرم‌شان دست‌کم سه برابر جرم خورشید است، خورشیدی که دست‌کم ۹ سیاره را در مدارش نگاه داشته است و بیشتر از پنج ساعت طول می‌کشد تا نورش به دورترین‌شان یعنی سیاره پلوتو برسد.

سیاهچاله‌ها با گرانش قوی خود ماده اطراف‌شان را به درون خود جذب می‌کنند و با این کار سنگین‌تر و در نتیجه حریص‌تر می‌شوند.

به علاوه افق رویدادشان پیش‌تر می‌آید و بخش بیشتری از پیرامون خود را در حجاب تیره خود می‌پوشانند. با گسترش افق رویداد، سیاهچاله نیرومندتر و حریص‌تر، قلمرو تاریکی را می‌گستراند تا آنجا که هر چه در پیرامونش باشد را ببلعد. اما سیاهچاله پس از آن هم آرام نخواهد داشت.

● تابش هاوکینگ

سال‌ها پس از آنکه سیاهچاله‌ها از لابه‌لای معادلات نسبیت عام اینشتین سر برآوردند، معلوم شد که آنها طی فرآیندی که به تابش هاوکینگ معروف است خواهی‌نخواهی بخار می‌شوند.

در ابتدای کشف سیاهچاله‌ها تصور عمومی بر این بود که این اجرام آسمانی بالای زنجیره غذایی کیهانی نشسته‌اند و کمینگاه‌های ابدی و گریزناپذیری خواهند بود.

اما از زمانی که استفن هاوکینگ با افزودن نظریه «میدان‌های کوانتومی» به نظریه «نسبیت عام اینشتین»، تابش هاوکینگ را کشف کرد معلوم شد که سیاهچاله‌ها هم مثل آب داغ بخار می‌شوند و اگر از جایی تغذیه نشوند به تدریج از بین می‌روند.

البته یک تفاوت اساسی بین فرآیند تبخیر یک سیاهچاله با فرآیند تبخیر آب وجود دارد. ظرف آب هر چه بماند خنک‌تر می‌شود و در نتیجه آب آن به‌تدریج آهسته‌تر بخار می‌شود اما دمای سیاهچاله با کاهش جرمش افزایش می‌یابد و یک سیاهچاله که تغذیه نشود همزمان با بخار شدنش، مرتب داغ‌تر می‌شود و بالطبع تندتر بخار می‌شود.

هرچند این خبر اصولا می‌توانست خبر امیدوارکننده‌ای باشد اما در واقع آنها که برای آسایش‌شان به امید مرگ سیاهچاله‌ها نشسته‌اند باید خیلی صبور باشند، صبری که ممکن است بسیار بیشتر از عمر تمامی کیهان به طول انجامد.

به عنوان مثال عمر یک سیاهچاله منزوی که تنها ۳۰ مرتبه از خورشید سنگین‌تر باشد حدود ۱۰ به توان ۶۰ بار از سن امروز عالم بیشتر خواهد بود. این محاسبات البته کاملا به مفروضات ما درباره هندسه دنیا بستگی دارد. اگر هندسه دنیا جور دیگری باشد قطعا باید در نتیجه محاسباتمان تجدیدنظر کنیم.

● جهان چند بعدی

در واقع ممکن است هندسه دنیا آن طوری که به نظر ما می‌رسد، نباشد. یک مورچه که توی یک قوطی کفش در بسته به این طرف و آن طرف می‌رود، می‌تواند وقتی که به دیواره قوطی می‌رسد راست از آن بالا برود. بعد هم که به سقف رسید به همان سادگی روی آن قدم بزند.

از نظر او، راه مستقیم است و فقط مجبور شده یک جاهایی کمی کمرش را خم کند. از نظر او قوطی کفش یک صفحه تخت است که اگر رویش مستقیم راه بروی دوباره به جای اولت برمی‌گردی.

اما ما می‌دانیم که در واقع او داخل یک قوطی کفش با چهار دیواره و یک سقف است و در مسیر حرکتش گاهی از دیواره بالا رفته و گاهی هم روی سقف سر و ته شده است.

جهان قوطی کفش برای مورچه، یک جهان دو بعدی است. اما از نظر ما ابعاد دنیا سه‌تاست، منتها مورچه بیچاره به دو تایش چسبیده است و راهی به سومی ندارد.

البته ممکن است اصرار داشته باشید که بگویید دنیا چهار بعدی است که یکی از آن چهار بعد، زمان است.اگر این طور بگوییم، باید دنیای مورچه ساکن قوطی کفش را هم سه‌بعدی بگیریم، یعنی یک صفحه دو بعدی به اضافه بعد زمان.

یکی از تفاوت‌های ابعاد فضایی با بعد زمان در این است که ما می‌توانیم در هر سه راستای فضایی یعنی در جهات چپ-راست، عقب-جلو و بالا-پایین، هر چقدر که خواستیم به این طرف و آن طرف برویم اما هیچ‌کسی تجربه‌ای از عقب رفتن در زمان ندارد و متاسفانه یا خوشبختانه فقط می‌توانیم در امتداد آن به جلو برویم.

مثلا شما از ابتدای خواندن این مطلب تا این لحظه چند دقیقه‌ای در امتداد زمان به پیش آمده‌اید اما حالا نمی‌توانید تصمیم بگیرید که ۱۰ دقیقه به عقب بروید و کار دیگری را شروع کنید.

ممکن است تعداد ابعاد دنیا بیش از آن چیزی باشد که به چشم ما می‌آید. در واقع دلایل نظری فراوانی وجود دارد که باور کنیم جهان بیشتر از چهار بعد دارد، البته نظر غالب بر این است که ابعاد اضافه‌ای که از آنها صحبت شد از جنس ابعاد فضایی هستند و نه از جنس زمان اما به هر حال این ابعاد اضافه در حوزه تجربه روزمره‌مان نیستند.

مدل‌هایی در فیزیک مطرح است که می‌گوید این ابعاد اضافه آنچنان ریز هستند که ما متوجه آنها نمی‌شویم اما اگر «میکروسکوپ»‌های مناسبی را به کار ببریم، می‌توانیم هرچند غیرمستقیم آنها را ببینیم.

مدل‌های دیگری وجود دارند که می‌گویند این ابعاد اضافه لزوما ریز نیستند ولی ماده سازنده ما و کیهان ما نمی‌تواند در آن راستاها منتشر شود.

به عبارت دیگر ممکن است ما مثل آن مورچه قوطی کفش به سه بعد فضایی‌مان چسبیده باشیم و از وجود ابعاد دیگر بی‌خبر مانده باشیم. هر چند این حرف‌ها خیال‌پردازانه به نظر می‌رسند اما یک حساب و کتاب اساسی و شاید کمی پیچیده پشت‌شان نشسته است.

به ویژه مدل‌های نوع دوم با تمام غریب بودنشان از پذیرفته‌شده‌ترین مدل‌ها هستند. اگر این حرف‌ها درست باشند در کنار سایر پیش‌بینی‌های‌شان دو پیش‌بینی جالب دارند که به بحث ما هم مربوط می‌شوند.

اولین پیش‌بینی این است که می‌توانیم تا دو سه سال دیگر خودمان هم سیاهچاله‌های کوچکی درست کنیم و از نزدیک ویژگی‌های‌شان را بررسی کنیم. این کار اگر شدنی باشد در شتاب‌دهنده «ال.اچ.سی» واقع در سرن سوئیس انجام خواهد شد.

شتاب‌دهنده «ال.اچ.سی» یک پروژه بزرگ بین‌المللی است که ساختمان آن بیش از ۱۰ سال است که دارد ساخته می‌شود و خوشبختانه در دوره آقای دکتر معین در وزارت علوم، ایران هم سهمی هرچند کوچک در آن پذیرفت که در ازای آن، صرف نظر از ارتقای چشمگیر کیفیت ‌بخشی از صنعت ما که در آن پروژه درگیر شد، این امکان هم برای جامعه علمی‌مان به وجود آمد که در دستاوردهای علمی شتاب‌دهنده در زمان بهره‌برداری از آن شریک باشد.

پیش‌بینی دیگر مدل‌های نوع دوم این است که سیاهچاله‌ها خیلی زودتر از تصور قبلی‌مان بخار می‌شوند. در واقع چندی پیش یک فیزیکدان با استفاده از یافته‌های نجومی درباره یک سیاهچاله به نام XTE J۱۱۱۸ +۴۸۰ ابتدا نشان داد که این سیاهچاله که هفت مرتبه از خورشید سنگین‌تر است، باید دست‌کم ۱۸ میلیون ساله باشد.

بعد با استفاده از رابطه‌ای که در مدل های نوع دوم برای عمر سیاهچاله‌ها نوشته شده است، چند نتیجه جالب درباره ویژگی‌های بعد پنجم به دست آورد که با نتیجه آزمایش‌های دیگری هم که به تازگی انجام شده‌اند توافق خوبی داشت.

(خواننده علاقه‌مند به این موضوعات می‌تواند به عنوان مثال با مراجعه به شماره‌‌های ۱۳ و ۱۴ فصلنامه فارسی زبان گاما اطلاعات خوبی در این زمینه به دست آورد.)

فرهنگ لران

لینک

S. Lloyd, “Almost Certain Escape from Black Holes in Final State Projection Models”, Phys. Rev. Lett. ۹۶, ۰۶۱۳۰۲ (۲۰۰۶).

---