سیاهچاله‌های پنج بعدی، تهدیدی برای نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین

MacTavish · 8/9/19

دانشگاه کمبریج و دانشگاه کویین مری لندن با ترسیم تصویری نشان داده اند که چگونه یک سیاهچاله با پیکربندی نامعمول می تواند نظریه ی نسبیت عام اینشتین که بنیان فیزیک نوین است را نقض کند. هرچند که چنین جرمی تنها می تواند در جهانی با پنج بُعد یا بیشتر وجود داشته باشد.

این محققان، یک سیاهچاله با پیکره ای مانند یک حلقه ی بسیار باریک را شبیه سازی کرده اند. با گذشت زمان، در این حلقه “برآمدگی هایی” پدید می آید و پیوند میان آن ها کم کم باریک و باریک تر می شود. این پیوندها سرانجام به قدری باریک می شوند که رشته ای از سیاهچاله های مینیاتوری پدید می آورند، مانند جریان باریک آبی که از یک شیر می ریزد و قطره قطره می شود.

یک پویانمایی (gif) از سیاهچاله ی پنج بعدی

سیاهچاله های حلقه ای در سال ۲۰۰۲ توسط فیزیکدانان نظری “یافته شدند” [به طور نظری-م]، ولی این نخستین بارست که دینامیک آن ها پیروزمندانه با ابررایانه ها شبیه سازی می شود. اگر چنین سیاهچاله ای بتواند پدید آید، به پیدایش یک “تکینگی برهنه” می انجامد که باعث خواهد شد معادله های بنیادین نسبیت عام زیر پا گذاشته شوند. این یافته ها در نشریه ی Physical Review Letters منتشر شده اند.

نسبیت عام پایه و اساس شناخت کنونی ما از گرانش است: هر چیزی از برآورد سن ستارگان گرفته تا سیگنال های GPS که در ناوبری به ما کمک می کنند، همه بر پایه ی معادلات اینشتین است. این نظریه به ما می گوید که ماده فضازمان پیرامونش را خم می کند، و چیزی که گرانش نامیده می شود تاثیر همین خمیدگی و پیچیده شدن است. در ۱۰۰ سالی که از انتشار نسبیت عام می گذرد، این نظریه از هر آزمونی که پشت سر گذاشته سربلند بیرون آمده، ولی یکی از محدودیت هایش وجود تکینگی ها بوده است.

یک تکینگی یا نقطه ی تکینه نقطه ایست که در آن گرانش به اندازه ای نیرومند است که فضا، زمان، و قوانین فیزیک در آن نقض می شوند. به پیش بینی نسبیت عام، تکینگی ها در مرکز سیاهچاله ها وجود دارند، و نیز به پیش بینی این نظریه این تکینگی ها با یک افق رویداد در بر گرفته شده اند. افق رویداد “نقطه ی بی بازگشت” پیرامون سیاهچاله است که هر چه از آن بگذرد دیگر در چنگ گرانش سیاهچاله گرفته شده و هیچ راه بازگشتی نخواهد داشت، یعنی هرگز نمی شود آن را از بیرون دید.

یکی از نویسندگان این پژوهش به نام مارکوس کونش که دانشجوی دکترای بخش ریاضی کاربردی و فیزیک نظری دانشگاه کمبریج (DAMTP) است می گوید: «تا زمانی که تکینگی ها پشت یک افق رویداد پنهان باشند نمی توانند مشکلی ایجاد کنند و بنابراین نسبیت عام برقرار می ماند– “پنداشت سانسور کیهانی” (cosmic censorship conjecture) می گوید که این نظریه همیشه درست است. تا زمانی که پنداشت سانسور کیهانی معتبر باشد، ما می توانیم با خیال آسوده آنچه در بیرون از سیاهچاله ها رخ خواهد داد را پیش بینی کنیم. زیرا در پایان، آنچه تلاش داریم در فیزیک انجام دهیم پیش بینی آینده به کمک دانسته هایمان از وضعیت کنونی کیهان است.»

ولی اگر یک تکینگی بیرون از افق رویداد پدید آید چه؟ در این صورت، نه تنها از بیرون دیده خواهد شد، بلکه نمایانگر جرمی خواهد بود که به چگالی بینهایت رسیده، حالتی که باعث می شود قوانین فیزیک نقض شوند. فیزیکدانان نظری فرض کرده اند که چنین چیزی -به نام یک تکینگی برهنه- می تواند در بُعدهای بیشتر وجود داشته باشد.

ساران تونیاسوووناکول، نویسنده ی دیگرِ پژوهش که او هم از DAMTP است می گوید:

اگر تکینگی های برهنه وجود داشته باشند نسبیت عام فرو می ریزد. و اگر نسبیت عام فرو بریزد، همه چیز را زیر و رو خواهد کرد، زیرا دیگر توان پیش بینی خود را از دست خواهد داد و دیگر به عنوان یک نظریه ی مستقل برای توضیح جهان هستی شناخته نخواهد شد.

ما جهان را در سه بُعد می شناسیم، به اضافه ی یک بعد زمان که با هم “فضازمان” را می سازند. ولی در شاخه هایی از فیزیک نظری مانند نظریه ی ریسمان، کیهان می تواند تا ۱۱ بعد داشته باشد. بعدهای افزوده می توانند بزرگ و گسترده باشند، یا می توانند پیچ خورده، کوچک، و دشوار برای شناسایی باشند. از آن جایی که انسان ها تنها توانایی درک مستقیم سه بعد را دارند، وجود بعدهای دیگر می تواند تنها از راه آزمایش های بسیار پرانرژی فهمیده شود، مانند آزمایش هایی که در برخورددهنده ی هادرونی بزرگ انجام می شود.

نظریه ی اینشتین خودش نمی گوید که چه تعداد بُعد در کیهان وجود دارد، از همین رو فیزیکدانان نظری نسبیت عام را در بعدهای بیشتر بررسی می کنند تا ببینند آیا در آن ها هم سانسور کیهانی پابرجا می ماند یا نه. یافتن سیاهچاله های حلقه ای در پنج بعد پژوهشگران را بر آن داشت تا فرض کنند که این اجرام می توانند شکسته شده و یک تکینگی برهنه پدید آورند.

چیزی که پژوهشگران دانشگاه کمبریج ، به همراه نویسنده ی همکارشان، پائو فیخراس از دانشگاه کویین مری لندن دریافته اند اینست که اگر این حلقه به اندازه ی کافی باریک شود، می تواند به پیدایش تکینگی های برهنه بیانجامد.

این پژوهشگران با بهره از ابررایانه ی COSMOS توانستند یک شبیه سازی کامل از کل نظریه ی اینشتین در بعدهای بیشتر انجام دهند، این به آنان امکان داد تا نه تنها تایید کنند که این “سیاه‌حلقه ها” ناپایدارند، بلکه سرنوشت پایانی آنها را نیز شناسایی کنند. در بیشتر مواقع یک سیاه‌حلقه دوباره می رُمبد و به یک کره تبدیل می شود، بنابراین تکینگی در پوشش افق رویداد باقی می ماند. تنها یک سیاه‌حلقه ی بسیار باریک به اندازه ی کافی ناپایدار می شود که توده هایی پدید آورد که رشته هایی با باریکی فزاینده آن ها را به هم پیوند داده، رشته هایی که سرانجام پاره می شوند و تکینگی های برهنه می آفرینند. برای پدید آوردن این ساختارهای افراطی نیاز به شگردهای نوین شبیه سازی و کدهای رایانه ای تازه بود.

تونیاسوووناکول می گوید:

هر چه بهتر نظریه های گرانش اینشتین را در بعدهای افزوده شبیه سازی کنیم، به ما در پیشبرد شگردهای رایانه ای تازه کمک بیشتری می شود. ما داریم محدودیت های کار با رایانه برای نظریه ی اینشتین را کنار می زنیم.»«ولی اگر سانسور کیهانی در بعدهای بیشتر پابرجا نباشد، باید ببینیم جهان چهار-بعدی چه چیز ویژه ای دارد که سانسور کیهانی را پابرجا نگه می دارد.

پنداشت سانسور کیهانی به طور گسترده ای انتظار می رود در جهان چهار-بعدی درست باشد، ولی باید خلافش را ثابت کرده و سپس روشی جایگزین برای توضیح کیهان شناسایی کنیم. یک امکان گرانش کوانتومی است که معادله های اینشتین را از تکینگی بسیار دور می کند، ولی توضیحی از فیزیک تازه ی نزدیک تکینگی هم به دست می دهد.