دانش آدینه ۱۲: سفیدچاله؛ خیال یا واقعیت؟

دیدارنیوز _ سروش زمانی مقدم: احتمالا تا به حال کم و بیش مطالبی درباره سیاهچاله‌ها شنیده یا خوانده اید، اما شاید درباره موجوداتی با نام سفیدچاله هیچ ندانید. در حقیقت در منطق ریاضی نظریه نسبیت عام، همانقدر که سیاهچاله‌ها امکان حضور دارند، موجوداتی با نام سفیدچاله نیز امکان پیدایش و بقاء دارند. موجوداتی که در ساده‌ترین تعریف، جواب‌های ممکنی از معادلات ریاضی نظریه نسبیت عام بوده و به ساده‌ترین بیان، "معکوس زمانی سیاهچاله ها" می‌باشند، با این تفاوت که علیرغم آشکارسازی تعداد زیادی از سیاهچاله‌ها در داخل و خارج از کهکشانمان، هنوز هیچگونه شواهد تجربی دقیقی، مبنی بر وجود این موجود پیش بینی شده دیگر نسبیت عام اینشتین در دست نیست. به لحاظ ریاضی می‌دانیم که با ثابت نگه داشتن جرم هر جسم و کم کردن حجم آن و رساندن شعاع آن به اندازه ای، موسوم به "شعاع شوارتسشیلد" آن جسم، به طوری که تمام جرم آن جسم در داخل آن شعاع قرار گیرد، می‌توان آن جسم را تبدیل به یک سیاهچاله کرد. در این صورت موجود حاصل که سیاهچاله نام دارد، دارای گرانش و چگالی جرم بی نهایت خواهد بود بصورتی که کره‌ای به مرکز تکینگی داخل سیاهچاله، که "افق رویداد" نامیده می‌شود، آن را احاطه کرده و این در حالی خواهد بود که برای فرار از گرانش سیاهچاله از نقطه‌ای در درون این کره، به سرعت فراری بالاتر از نور، متناظر با انرژی بی نهایت نیاز داریم که، چون این امر امکان پذیر نیست، در نتیجه خروج از سیاهچاله نیز امکان پذیر نخواهد بود.

اما ریاضیات، پیشگویی دقیقی از یک همزاد آیینه‌ای عجیب برای سیاهچاله می‌کند که بنا به دلایلی که در ادامه می‌آید، آن را یک سفیدچاله می‌نامیم.

این موجودات برخلاف سیاهچاله‌ها که جاذبه گرانشی شدیدی دارند، به جهت فشار تابشی ناشی از تابش خارج شده از آن، همانند یک جسم دارای دافعه گرانشی بسیار شدید عمل می‌کنند، زیرا علیرغم آنکه همانند سیاهچاله‌ها دارای افق رویداد هستند، اما این بار هیچ چیز، حتی نور نیز نمی‌تواند وارد افق رویداد سفیدچاله شود و این یعنی برخلاف سیاهچاله که برای خروج از آن نیاز به انرژی بی نهایت بود، این بار برای ورود به یک سفیدچاله، نیاز به انرژی بی نهایت است و بنابراین بنا به دلیل قبلی، یعنی عدم امکان دسترسی به انرژی بی نهایت، چنین امری امکان پذیر نیست و در عوض حجم عظیمی از انرژی از آن به بیرون تابش می‌شود.

با آن که اینشتین علیرغم پیش بینی سیاهچاله‌ها توسط نسبیت عام به وجود آن‌ها شک داشت و معتقد بود که در نهایت، در طبیعت، سازوکاری وجود خواهد داشت که از فشردگی بیش از حد اجرام و تبدیل آن‌ها به یک سیاهچاله تکین جلوگیری خواهد کرد، اما امروزه می‌دانیم که چنین عامل بازدارنده‌ای وجود ندارد و در حال حاضر مکانیسم تبدیل یک ستاره پرچرم به سیاهچاله را کاملا می‌دانیم. از طرفی هر چند که سفیدچاله‌ها را نیز، همچون همزاد‌های سیاهشان، دارای مشخصه‌هایی همچون جرم، بارالکتریکی و تکانه زاویه‌ای می‌دانیم، اما برخلاف سیاهچاله ها، متاسفانه هنوز هیچ ایده دقیقی از فرآیند‌های فیزیکی تشکیل احتمالی سفیدچاله‌ها نداریم.

در واقع احتمالا سفیدچاله‌ها باید با برهمکنش گرانشی، ماده را به خود جذب کنند، با این تفاوت که همانطور که ذکر شد، این اجرام نزدیک شونده به سفیدچاله، هیچگاه نباید به افق رویداد آن برسند؛ بنابراین به طور خلاصه سفیدچاله باید منطقه‌ای مفروض در فضا-زمان باشد که برخلاف سیاهچاله، حتی نور نیز امکان ورود به آن را نداشته باشد، و در عوض مقادیر عظیم تابش می‌تواند از آن خارج شده، بطوری که در نتیجه این اتفاق، به طرز قابل توجهی درخشنده و پر انرژی بوده و با شدت سرسام آوری، به فضای پیرامون خود تابش کرده و انرژی فراوانی را ساطع میکنند.

اما به راستی چرا برخی نظریه پردازان دوست دارند که چنین جواب‌های محتمل ریاضیاتی نظریه را باور کنند؟

این مساله دلایل زیادی دارد، اما شاید یکی از مهمترین این دلایل، به یک اصل فیزیکی بر می‌گردد که گویا با وجود سیاهچاله‌ها خدشه دار شده است و سالیان متمادیست که تلاش‌های فراوانی برای حل آن مساله در جریان است.

فرض وجود سفیدچاله‌ها، در واقع راه‌های برون رفتی ایجاد می‌کند که شاید بتوان با آن این معضل را حل کرد. می‌دانیم که اجرام بلعیده شده توسط سیاهچاله‌ها بر طبق آنچه که فعلا می‌دانیم، راهی به بیرون ندارند. بر طبق فیزیک کوانتوم اطلاعات باید بقاء داشته باشد و این مساله سرمنشاء ماجرای مفصلی است که باعث تعریف تناقض مهمی موسوم به پارادوکس اطلاعات می‌شود چرا که اگر نتوانیم اطلاعات بلعیده شده توسط سیاهچاله را بازخوانی کنیم، گویی اطلاعات بلعیده شده برای همیشه از بین رفته و پایستگی آن نقض می‌شود.

از سوی دیگر میدانیم که بر طبق نظریه "تبخیر سیاهچاله"‌های هاوکینگ، سیاهچاله‌ها در نهایت با تابش پرتو از افق رویدادشان محو میشوند؛ لذا با وجود آنکه تلاش برای ثبت این تابش بسیار ضعیف رویت نشده و بازخوانی و تجدید اطلاعات آن همچنان ادامه دارد، در عین حال نظریاتی وجود دارد که بر طبق آن اطلاعات بلعیده شده توسط سیاهچاله، باعث ایجاد سفیدچاله‌ای در سمت دیگر می‌شود بطوری که همانند یک تونل کیهانی، تمامی اطلاعات تحویل داده شده از سیاهچاله، از سویی دیگر توسط سفیدچاله به کیهان پس داده می‌شود و در این صورت پایستگی اطلاعات در کل کیهان حفظ می‌شود. با این فرض، منشاء نامگذاری "سفیدچاله" که با شدت بسیار بالایی در حال تابش به کیهان است مشخص می‌شود.

اگر چنین فرضی صحیح باشد، احتمالا این بلعیده شده ماده توسط سیاهچاله از یک سو و بیرون ریخته شدن آن توسط یک سفیدچاله از سوی دیگر، باید توسط واسطی که تکینگی‌های آن دو را به هم مرتبط کرده است و اصطلاحا "کرمچاله" یا "پل اینشتین-روزن" نامیده می‌شود انجام شود. این نام بدین سبب به این تونل فرضی اطلاق می‌شود که اولین بار پژوهش‌های سفیدچاله، ارتباط آن با سیاهچاله، و پیش بینی کرمچاله‌ها توسط ناتان روزن و آلبرت اینشتین انجام شد.

اما باید دانست که علیرغم آنکه شاید سفیدچاله‌ها واقعا وجود نداشته باشند و تنها، امکان ریاضی محتملی بر روی کاغذ باشند، این احتمال آنقدر محتمل و جذاب هست که برخی بر این باورند که شروع جهان می‌تواند منشایی سفیدچاله ایی داشته باشد بطوریکه منشاء فوران تابش در بیگ بنگ، شاید یک ابر سفیدچاله غول پیکر بوده باشد.

در این بین سوالی که پیش می‌آید آنست که چرا تا به حال موفق به رصد حتی غیر مستقیم سفیدچاله‌ها نیز نشده ایم. جدا از اینکه تا به حال تابش‌های پرقدرت زیادی در کیهان، به عنوان نامزد‌های تایید نشده‌ای مبنی بر وجود سفیدچاله‌ها بوده اند، اما شاید یکی از مهمترین دلایل عدم توانایی ما در مشاهده سفیدچاله آنست که وجود سفیدچاله در کیهان، کمیتی موسوم به "آنتروپی" را که متناظر با مفهوم بی نظمی نیز می‌باشد، کاهش می‌دهد. بر طبق قانون دوم ترمودینامیک در مکانیک آماری، بی نظمی یا آنتروپی باید در جهان افزایش یابد که این دربایست فیزیکی، در واقع جهت زمان را نیز مشخص می‌کند. زمان رو به جلو می‌رود و بی نظمی رو به افزایش می‌گذارد. از آنجایی که سفیدچاله، معکوس زمانی سیاهچاله در نظریه معکوس پذیر نسبیت عام است، بنابراین تشکیل و وجود سیاهچاله یعنی موجودی که برخلاف قانون آماری دوم ترمودینامیک، آنتروپی یا بی نظمی را کاهش می‌دهد و این اصل را بصورت لوکال نقض می‌کند. هر چند که این موضوع مطلوب نیست، اما خوشبختانه آنقدر هم دست و پای کیهان را در تشکیل چنین موجوداتی نمی‌بندد، زیرا از آنجایی که این قانون آماریست و برآیند کلی بی نظمی در جهان رو به افزایش است، رخ دادن نمونه‌های احتمالی نادر، با روندی معکوس و البته موقتی که در جهت خلاف این دربایست مکانیک آماری گام بر می‌دارند و البته برآیند کلی افزایش آنتروپی را نیز تغییر نمی‌دهند، نباید لزوما آنقدر‌ها هم غیر ممکن باشد!

آیا سفیدچاله‌ها واقعا وجودی مستقل از معادلات ریاضی دارند؟ آیا در صورت تشکیل شدنشان، آنقدر پایدار خواهند بود که رد قابل رصدی از خود به جای بگذارند؟ آیا تشکیل کیهان و خود بیگ بنگ ارتباطی با وجود سفیدچاله‌های احتمالی پرانرژی و غول پیکر اولیه دارند؟ آیا کرمچاله‌ها راه‌های ارتباطی جهان‌های موازی به یکدیگر و پل‌های ارتباطی در فضا-زمان هستند؟
پاسخ به این سوالات فعلا با شک و تردید همراه است و دورنمای فعالیت‌های پژوهشی آینده را ترسیم می‌کند، اما آنچه که در حال حاضر برایمان مسجل است آنست که اولا نظریه نسبیت عام هنوز هم بعد از گذشت بیش از صد سال در دل خود حرف‌ها و عجایب فراوانی دارد و دوم آنکه اینشتین همچنان در لیست قهرمانان دنیای فیزیک، به نحو مطلوبی جایگاه خود را حفظ کرده است.