سیاه‌ چاله ها یکی از جنجالی‌ترین موجودات دنیای فیزیک‌اند که حتی بحث‌های علمی درباره‌ی آنها، ما را به یاد فیلم‌های علمی-تخیلی می‌اندازد. در این مقاله نیز، با چنین بحث‌های عجیبی مواجه خواهیم شد. در جهان واقعی، گذشته‌ی شما به طور یکتا، آینده‌ی شما را تعیین می‌کند. اگر یک فیزیکدان، بداند چطور جهان آغاز شده، می‌تواند آینده‌ی آن را در تمام زمان‌ها و مکان‌ها محاسبه کند. اما اکنون، دانشمندانی از UC برکلی، انواعی از سیاه‌ چاله ها را پیدا کرده‌اند که این قانون را نقض می‌کنند. اگر کسی بخواهد درون یکی از این سیاه چاله ها برود، شانس زنده ماندن دارد، اما گذشته‌ی او نابود شده و در نتیجه، تعداد بیشماری آینده‌ی محتمل خواهد داشت. نتیجه‌ی این پژوهش جذاب در مجله‌ی معتبر Physical Review Letters منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

داشتن آینده‌های بیشمار، ایده‌ای است که در گذشته پیشنهاد شده و فیزیکدانان از مفهوم «سانسور کیهانی قوی» (strong cosmic censorship) برای طفره رفتن از آن استفاده کرده‌اند. سانسور قوی کیهانی، نشان از پدیده‌ای فاجعه‌بار داشته و معمولا به مرگی وحشتناک اشاره می‌کند که ناظر را از ورود به منطقه‌ی فضا-زمانی که آینده اش به طور یکتا، تعیین نمی‌شود، باز می‌دارد. این ایده، ۴۰ سال پیش و برای نخستین بار توسط فیزیکدان مشهور، راجر پنروز پیشنهاد شد و در نتیجه‌ی ایده‌ی مقدس جبرگرایی، همچنان به عنوان کلید هر نظریه فیزیکی پابرجاماند. جبرگرایی بدان معناست که قوانین فیزیکی جهان، با داشتن گذشته و حال، اجازه نمی‌دهند بیش از یک آینده، ممکن باشد.

اما اکنون دانشمندان برکلی به کمک محاسبات ریاضی نشان داده‌اند در مورد انواع خاصی از سیاه چاله ها در جهانی که با سرعتی شتابدار در حال انبساط است (مانند جهان ما)، احتمال زنده ماندن در حرکت از یک جهان جبری به یک سیاه چاله‌ی غیرجبری وجود دارد. زندگی در این سیاه‌ چاله ی غیرجبری، مبهم است، چرا که آینده غیرقابل پیش‌بینی خواهد بود، اما پیدا کردن چنین حیاتی، به آن معنی نیست که معادلات نسبیت عام اینشتین که تاکنون تحول کیهان را توصیف می‌کرده، غلط هستند. دانشمندان می‌گویند:

هیچ فیزیکدانی قصد ندارد به درون یک سیاه‌چاله سفر کرده و آن را اندازه بگیرد. این یک معادله‌ی ریاضی است. اما معادلات اینشتین از چنین دیدی، بسیار جالب‌تر می‌شوند. در واقع، این سوالی است که کسی می‌تواند واقعا فقط به طور ریاضی، بررسی کند، اما کاربردهای فیزیکی و تقریبا فلسفی آن نیز بسیار جالب هستند. نتیجه‌ی بدست آمده به شکست شدید جبرگرایی در نسبیت عام ربط دارد که نمی‌تواند در کیهان‌شناسی مدرن و انبساط شتابدار، سبک شمرده شود. این پژوهش، بهترین مدرک را برای نقض سانسور کیهانی قوی در یک نظریه‌ی گرانشی و الکترومغناطیس، بدست می‌دهد.

فراسوی افق رویداد

سیاه چاله‌ها، اشیای بسیار عجیبی هستند، وجه تسمیه‌ی آنها برگرفته از این حقیقت است که هیچ چیز، حتی نور را یاراری گریز از آنها نیست. اگر بسیار به آنها بسیار نزدیک شوید و به اصطلاح از افق رویداد (event horizon) فراتر روید، دیگر قادر به فرار از آنها نخواهید بود. در مورد سیاه چاله‌های کوچک، هرگز در چنین فاصله‌ی نزدیکی، زنده نخواهید ماند؛ چرا که نیروهای کِشنده‌ی نزدیک افق رویداد، برای رشته رشته کردن هر چیزی، کافی هستند و هر چیزی را آنقدر می‌کِشند تا به رشته‌ای از اتم‌ها تبدیل شود! اما در مورد سیاه چاله‌های بزرگتر (مانند سیاه چاله های بسیار سنگینی که در هسته‌ی کهکشا‌ن‌هایی مانند راه شیری وجود دارند) که جرمی معادل ده‌ها میلیون (یا شاید میلیاردها) برابر جرم یک ستاره دارند، نزدیک شدن به افق رویداد، بدون حادثه خواهد بود!

از آنجایی که با انتقال از جهان عادی به جهان درون سیاه چاله، احتمال زنده ماندن وجود دارد، فیزیکدانان و ریاضیدانان، بسیار مشتاقند بدانند جهان درون سیاه چاله، شبیه چه چیزی خواهد بود و بدین منظور، به معادلات نسبیت عام اینشتین متوسل شده‌اند. البته باید بدانیم این معادلات،فقط تا زمانی که ناظر به مرکز یا تکینگی (جاییکه طبق محاسبات نظری، انحنای فضا-زمان، بی‌نهایت می‌شود) نرسیده، به خوبی کار می‌کنند. ناظر حتی قبل از رسیدن به مرکز هم هیچگاه نمی‌تواند اطلاعاتی که بدست آورده، به جهان خارج، منتقل کند و ممکن است با پدیده‌های عجیب و مرگ‌آوری مواجه شود.

محققان در این پژوهش، نوع خاصی از سیاه چاله را مطالعه کردند: سیاه چاله‌ غیرچرخان استاندارد با بار الکتریکی که دارای یک افق کوشی (Cauchy horizon) درون افق رویداد است. افق کوشی، نقطه‌ای است که جبرگرایی فرو می‌پاشد، جاییکه گذشته، دیگر آینده را تعیین نمی‌کند. فیزیکدانانی مانند پنروز، استدلال کرده‌اند که هیچ ناظری نمی‌تواند از نقطه‌ی افق کوشی عبور کند، زیرا نابود خواهد شد.

در واقع، وقتی ناظر به افق، نزدیک می‌شود، زمان آهسته‌تر می‌شود، زیرا عقربه‌های ساعت‌ در یک میدان گرانشی قوی، آهسته‌تر حرکت می‌کنند. نور، امواج گرانشی و هر چیز دیگری که با یک سیاه چاله مواجه شود، به ناچار به سوی افق کوشی، کشیده شده و درون آن می‌افتد. پس ناظر هم درون افق کوشی افتاده و در همان حال مشاهده خواهد کرد که همه‌ی این انرژی با سرعت به داخل کشیده می‌شود. در نتیجه، همه‌ی انرژی که سیاه چاله در کل طول عمر جهان دیده، در یک لحظه به افق کوشی برخورد خواهد کرد و در نهایت هر ناظری که در آنجاست، منفجر خواهد شد.

شما نمی‌توانید تا ابد، یک جهان در حال انبساط را ببینید

محققان دریافته‌اند که شاید اتفاقات ذکر شده در بالا در مورد جهانی که به طور شتابدار در حال انبساط است (مانند جهان خودمان) صدق نکند، زیرا فضا-زمان، به طور فزاینده‌ای در حال جدا شدن از هم است. بخش بزرگی از جهان دوردست، به هیچ وجه، تحت تاثیر سیاه چاله قرار نخواهد گرفت، زیرا انرژی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور، حرکت کند.

در حقیقت، انرژیِ در دسترس برای افتادن درون سیاه‌چاله، فقط همان مقداری است که درون افق ناظر وجود دارد: یعنی حجم جهانی که سیاه چاله می‌تواند در طول حیاتش، ببیند. به عنوان مثال، برای ما، افق ناظر، بزرگتر از ۱۳.۸ میلیارد سال نوری است، ما می‌توانیم در گذشته ببینیم، زیرا گذشته، همه‌ی چیزی را که ما در آینده خواهیم دید، در خود دارد. انبساط شتابدار جهان، ما را از دیدن فراسوی افق حدود ۴۶.۵ میلیارد سال نوری، باز خواهد داشت.

در چنین وضعیتی، انبساط جهان با تشدید ایجاد شده توسط اتساع زمانی درون سیاه چاله، مقابله خواهد کرد و در موارد خاصی، آن را به طور کامل، خنثی خواهد کرد. در آن موارد، مانند سیاه چاله‌های غیرچرخان و با بار الکتریکی بزرگ (سیاه چاله های رایسنر-نوردشتروم-دسیتر)، ناظر می‌تواند با عبور از افق کوشی و وارد شدن به یک جهان غیرجبرگرا، زنده بماند. محققان می‌گویند:

برخی جواب‌های دقیق معادله‌ی اینشتین، کاملا ساده هستند: بدون نیروهای کِشنده‌ای که به بی‌نهایت میل کند؛ جاییکه هر چیزی تا افق کوشی و ورای آن، کاملا خوش‌رفتار است. توجه کنید که عبور از این افق، کوتاه، اما دردناک خواهد بود! پس از آن، تمام شرایط سخت، از بین می‌روند. در برخی موارد، مانند سیاه چاله‌ی رایسنر-نوردشتروم-دسیتر (Reissner-Nordström-de Sitter) ناظر می‌تواند از تکینگی‌های مرکزی دوری کرده و برای همیشه در یک جهان ناشناخته، زندگی کند. اگر بخواهیم صادق باشیم، وجود سیاه چاله های باردار، خیلی محتمل نیست، زیرا آنها تا زمان خنثی شدن، مواد دارای بار ناهمنام را جذب می‌کنند. با این حال، جواب‌های ریاضی سیاه چاله‌ های باردار، نشان‌دهنده‌ی اتفاقاتی است که درون سیاه چاله های چرخان رخ می‌دهد.

دانشمندان استدلال می‌کنند که سیاه چاله های نرم و چرخان، به نام سیاه چاله های کر-نیومن-دسیتر (Kerr-Newman-de Sitter) نیز همین‌گونه رفتار خواهند کرد. آنها می‌گویند:

شما می‌توانید با یک ستاره‌ی به طور الکتریکی باردار که در حال فروپاشی به یک سیاه چاله است، شروع کنید. سپس درون این سیاه چاله سفر کنید و اگر پارامترهای سیاه چاله، به اندازه‌ی کافی، در حالت حدی باشند، می‌توانید از افق کوشی بگذرید و زنده بمانید. با عبور از افق کوشی به ناحیه‌ای از جهان می‌رسید که با دانستن حالت اولیه‌ی کامل ستاره، نمی‌توانید آینده را پیش‌بینی کنید. در واقع، آینده دیگر با دانش کاملی از شرایط اولیه، تعیین نمی‌شود و همین نکته، زندگی در چنین دنیایی را بسیار زجرآور می‌کند (ویدئوی زیر).

جرقه‌های ایده‌‌ی این مقاله، قبلا در مقالات دیگری زده شده بود که در آنها ادعا می‌شد اکثر سیاه چاله های خوش رفتار، جبرگرایی را نقض نخواهند کرد، اما اکنون دانشمندان ثابت کرده‌اند که مثال این نقض، یکی نیست و بسیار زیاد است. آنها می‌گویند:

مردم از اواسط دهه‌ی نود، یعنی از بیست سال پیش، خود را به سانسور کیهان‌شناسی قوی قانع کرده بودند، ولی ما آن را به چالش کشیدیم.