پائول ساتر اخترفیزیکدان دانشگاه ایالت اوهایو و دانشمند مرکز علوم COSI، در این مقاله در مورد “سیاهچاله ها” نوشته: من فکر می کنم زمان آن فرا رسیده است که اقرار کنیم سیاهچاله ها آزاردهنده هستند. سیاهچاله ها در فضا، در حال حرکت بوده(که خویشاوندان بسیار بزرگتر آنها در مرکز کهکشانها مستقر هستند) و بزرگترین پارادوکس در طبیعت هستند که بی هیچ سر و صدایی تلاش های ما برای بررسی آنها را به سخره می گیرند.
به گزارش بیگ بنگ، ساتر می گوید، از هر نظری حساب کنیم، نباید سیاهچاله ها وجود داشته باشند. آنها به مدت طولانی به عنوان مصنوعات ریاضیاتی محض شناخته می شدند؛ اشکالی آزار دهنده در سازمان نظریۀ نسبیت عام!
اشکالی در نظریه
کارل شوارتزشیلد فیزیکدان آلمانی، اولین کسی بود که سیاهچاله را “کشف” کرد. او در سال ۱۹۱۵ راه حلی برای نسبیت عام ارائه داد که قابل تعمیم به مسئله ساده (بدون چرخش، بدون بار، بدون اهمیت) شکلی کاملا کروی در فضای خالی بود. ممکن است این مسئله کمی ایده آل گرایانه به نظر برسد اما ساز و کار آن به اندازه کافی واقعی است و می تواند مفید واقع شود.
من به این دلیل کلمۀ “کشف” را اینگونه نگاشتم که شوارتزشیلد از تونل های خط مقدم شرقی(که در آنجا بجای حل معادلات بسیار مشکل، در حال جنگیدن با روس ها در جنگ جهانی اول بود) بیرون نجهیده و ادعای یافتن شیء اخترفیزیکی نکرد. بلکه در میان انبوه راه حل های ریاضیاتی او، سر نخ شیئی تاریک نهفته بود. این سرنخ ها شکلی به خود گرفتند که امروزه ما آنها را “شعاع و تکینگی شوارتزشیلد” می نامیم. هر شیئی شعاع شوارتزشیلد مربوط به خود را دارد و مقدار آن به جرم شیء مورد نظر بستگی دارد. گرانش در محدودۀ این شعاع شروع به بروز رفتارهای عجیب می کند. اما این مسئله مشکلی نیست؛ زیرا تقریبا در همۀ موارد، این شعاع در مقایسه با خود شیء بسیار بسیار کوچک می باشد و در درون خود شیء قرار دارند. برای مثال، خورشید که قطری در حدود ۱.۴ میلیون کیلومتر دارد، شعاع شوارتزشیلد آن ۳ کیلومتر(از مرکز) می باشد.
این نکته که گرانش در این شعاع رفتار عجیبی دارد چیز ترسناکی نیست. زیرا که برای ما فقط گرانش اطراف شیء مهم است و اینکه ما فرایندهای فیزیکی دیگری را سراغ داریم که این رفتار عجیب را خنثی می کند. نسبیت عام بیشتر از هر چیزی در مرکز اجرام پرجرم رفتار عجیب نشان می دهد. به این محل تکینگی می گویند که در آن معادلات شوارتزشیلد که برای توضیح ماهیت گرانش ارائه شده اند، در این محل ناتوان بوده و کاملا ناکارامد می شوند. اما این مسئله هم مشکلی نیست زیرا فقط یک خطای ریاضی می باشد. در طبیعت چیزی نیست که بتواند تا این حد کوچک شود، اینطور نیست؟
درون تاریکی
چه می شد اگر شیئی آنقدر کوچک شود که به چنین چگالی برسد و شعاع شوارتزشیلد آن، بجای اینکه در درون آن باشد، بیرون آن بوده و بتواند دردسرساز شود؟ خب در این حالت مسئله عجیب می شود زیرا دیگر هیچ فرایند فیزیکی نمی تواند در این مرحله باعث خنثی سازی این اعجاب ِ گرانشی شود. صدالبته در این مرحله گرانش آنقدر قدرتمند می شود که هیچ چیزی، حتی نور، نمی تواند از آن بگریزد و هر ماده ای که به درون آن بیافتد در تکینگی بینهایت چگال آن به پایان خود می رسد.
اگر چنین شیئی وجود داشته باشد، پس تکینگی و شعاع شوارتزشیلد آن از حالت ریاضیاتی به شیئی فیزیکی مبدل می شود. چندین دهه فرض بر این بود که یک چیز، ستاره ها را از ایجاد یک سیاهچاله باز می دارد. اما بعد از کشف کوتوله های سفید و ستاره های نوترونی(هر دو بسیار چگال) و اولین سر نخ های مکانیزم ایجاد ابرنواخترها و سیاهچاله ها، به شکل یک “مفهوم فیزیکی” در آمدند. با اینکه سیاهچاله ها نباید وجود داشته باشند، اگر وجود داشتند باید ویژگی های واقعی، مشخص، قابل مشاهده و آزمایش پذیر، می داشتند. پس حداقل علم می تواند به کار خود ادامه داده، این گمانها را رد کرده و روند خود را پیش ببرد.
اما اینجا بود که شواهدی پدیدار شدند. ستاره ای پرجرم و در حال مرگ که به دور شیئی نامرئی می چرخید و جو ستاره را جوری به طرف خود می کشید که پرتوهای ایکس قدرتمندی منتشر می شدند. ستاره های واقع در مرکز کهکشان راه شیری در حال گردش به دور شیئی پرجرم و نامرئی هستند. منابع قدرتمند رادیویی از کهکشان های فعال که انرژی آنها تنها از میان گرانشی بسیار قوی و با گردشی حیرت آور به ما می رسد. اخیرا هم زمزمه هایی از برخورد امواج گرانشی با زمین به گوش می رسد. حقیقتی غیرقابل انکار: سیاهچاله وجود دارد.
مشکل تکینگی
ما با مسئله افق رویداد، نامی که به شعاع محسوس شوارتزشیلد می دهند، کنار آمده ایم. ماهیت فضا-زمان در این قسمت کارهای عجیبی می کند اما خب طبیعت کارش همین چیزهای عجیب است. بنابراین بعد از دهه ها سر و کله زدن، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که این مسئله چندان هم چیز بدی نیست. اما مسئله تکینگی پابرجاست.(نقطۀ چگالی بینهایت در مرکز سیاهچاله) هضم کلمه بینهایت چندان آسان نیست. وقتی ما در ریاضیات به بینهایت می رسیم، به این معنی است ما راه را اشتباه رفته ایم و ساختار راه حل ما اشکال دارد. شاید چیزی در این میان جا افتاده است!
در هر صورت ما نمی توانیم هیچ نیرو یا فرایندی را عامل فروریزی ماده به یک تکینگی بدانیم و ما در این مورد بسیار تلاش کردیم. اما ما می دانیم نظریات ما(نسبیت عام) کامل نیستند. تکینگی در مرکز سیاهچاله وجود ندارد اما ما نمی توانیم گرانش بسیار قوی را در مقیاس کوچک درک کنیم و این مسئله نیازمند یک نظریۀ تماما کوانتومی از گرانش است که ما علیرغم تلاش های زیاد، نتوانستیم به آن دست یابیم.
بنابراین موضوع وجود داشتن یا نداشتن سیاهچاله به تعریف شما از “وجود داشتن” باز می گردد. آیا سیاهچاله ها اجرام اخترفیزیکی هستند؟ بله به نظر می رسد طبیعت می تواند به خوبی افق رویداد ایجاد کند. آیا سیاهچاله ها ۱۰۰ درصد ساختۀ طبیعت هستند؟ سیاهچاله ای وجود ندارد و روزی مفهومی دقیق تر جای آن را خواهد گرفت.
ترجمه: رضا کاظمی/ سایت علمی بیگ بنگ
منبع: space.com
