سفیدچاله چیست؟

سفیدچاله‌ها چیستند؟

در اخترفیزیک (شاخه‌ای از علم فیزیک که در آن ساختارها و پدیده‌های نجومی با استفاده از روش‌ها و اصول فیزیک مورد مطالعه قرار می‌گیرند – مترجم)، سفیدچاله یک پدیده نظری است که در آن ماده و نور از یک ناحیه خاص در فضا به جای اینکه به داخل آن کشیده شوند از آن خارج می‌شوند. این پدیده دقیقاً برعکس سیاهچاله است.

شاید بدانید که سیاهچاله ناحیه‌ای در فضا است که در آن جاذبه به حدی قوی است که سرعت گریز از آن از سرعت نور بیشتر است، به طوری که نور نمی‌تواند از آن فرار کند.

سرعت گریز (Escape velocity)‌ به سرعتی گفته می‌شود که یک جسم باید با آن حرکت کند تا بتواند از میدان گرانشی یک سیاره، مانند زمین، فرار کرده و به فضا برود.

 

مبنای نظری سفیدچاله‌ها

ایده‌ی سفیدچاله در “راه‌حل سیاهچاله شوارتزشیلد” (Schwarzschild black hole solution) ریشه دارد، که به نام فیزیکدان و ستاره‌شناس آلمانی کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild) نامگذاری شده است، که آن را در پاسخ به نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین (Einstein’s general theory of relativity) فرموله کرد.

وقتی شوارتزشیلد معادلاتی را که سیاهچاله‌ها را توصیف می‌کردند، فرموله می‌کرد، دریافت که سفیدچاله‌ها نیز می‌توانند تحت همان قوانین فیزیکی که سیاهچاله‌ها را کنترل می‌کنند، وجود داشته باشند.

بسط راه‌حل‌های سیاهچاله او از طریق ناوردای وارونگی زمانی، تکینگی سیاهچاله (black hole singularity) را به تکینگی سفیدچاله تبدیل کرد؛ یعنی ناحیه‌ای که به جای جذب ماده، آن را به بیرون پرتاب می‌کند.

در زمینه فیزیک، وارونگی زمانی (Time Reversal) به معنای تصور سناریویی است که در آن زمان به صورت معکوس جریان دارد و ترتیب رویدادها را برعکس می‌کند.

راه‌حل شوارتزشیلد در معادلات اینشتین یک تکینگی نقطه‌ای (point singularity) را توصیف می‌کند که توسط یک افق رویداد (event horizon) احاطه شده است.

 

نظریه نسبیت عام اینشتین

نظریه نسبیت عام اینشتین (Einstein’s General Theory of Relativity) یک نظریه درباره جاذبه است، که آن را به عنوان یک نیرو بین اجسام، مانند نظریه نیوتن، توصیف نمی‌کند، بلکه به عنوان یک انحنای فضا و زمان که جرم و انرژی سبب آن می‌شوند، تعریف می‌کند.

بر اساس این نظریه نسبیت عام، سیارات، ستارگان و سایر اجرام عظیم، فضای اطراف خود را خم می‌کنند و این خمیدگی فضا همان چیزی است که ما به عنوان جاذبه (gravity) درک می‌کنیم.

اساساً، اجسام در طول این خمیدگی‌های فضا حرکت می‌کنند، به همین دلیل است که مثلاً زمین به دور خورشید می‌چرخد.

 

تکینگی نقطه‌ای چیست؟

تکینگی نقطه‌ای (Point Singularity) مکانی در فضا است که در آن برخی کمیت‌ها (مانند چگالی یا جاذبه) به طور بی‌نهایت بزرگ می‌شوند.

به زبان ساده‌تر، مانند یک نقطه است که در آن همه چیزهایی که می‌توانیم در کل جهان تصور کنیم — از جمله خود قوانین فیزیک— دچار فروپاشی می‌شوند زیرا همه چیز در یک فضای بی‌نهایت کوچک جمع می‌شود.

فیزیکدانان اغلب از این مفهوم برای توصیف هسته یک سیاهچاله استفاده می‌کنند، جایی که تمام جرم آن در یک نقطه متمرکز است.

 

افق رویداد چیست؟

افق رویداد (Event Horizon) اساساً مرزی در اطراف یک سیاهچاله است که در محیط آن هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند فرار کند.

افق رویداد را مانند یک نقطه بدون بازگشت تصور کنید؛ هنگامی که چیزی از این مرز عبور می‌کند، به داخل سیاهچاله کشیده می‌شود و هیچ شانسی برای بیرون آمدن ندارد. این حقیقت، افق رویداد را به لایه بیرونی یک سیاهچاله تبدیل می‌کند، که حدی را تعریف می‌کند که در آن جاذبه آنقدر قوی می‌شود که هیچ چیز نمی‌تواند فرار کند.

در مورد وارونگی زمانی، مانند درون یک سفیدچاله، همانطور که نظریه شوارتزشیلد بیان می‌دارد، این افق رویداد به یک مرز تبدیل می‌شود که از آن ماده و نور می‌توانند فقط خارج شوند ولی جذب نمی‌شوند.

 

ملاحظات کوانتومی درباره سفیدچاله‌ها

وقتی که به سفیدچاله‌ها به‌عنوان مفاهیمی در زمینه‌های جاذبه کلاسیک و کوانتومی فکر می‌کنید، این ایده‌ها حتی بیشتر گسترش می‌یابند.

مکانیک کوانتومی (Quantum mechanics) به همراه نظریه‌های جاذبه کوانتومی، پدیده‌هایی مانند تابش هاوکینگ (Hawking radiation) را پیش‌بینی می‌کنند که در آن سیاهچاله‌ها به دلیل اثرات کوانتومی نزدیک به افق رویداد، تابش می‌کنند یعنی از خود تشعشع ساطع می‌کنند.

با اعمال وارونگی زمانی به این فرایندها، برخی دانشمندان گمان می‌کنند که سفیدچاله‌ها، شبیه سیاه‌چاله‌ها، می‌توانند ماده و نور را به عنوان یک فرآیند فیزیکی شبیه به تابش هاوکینگ تابش کنند.

 

آیا سفیدچاله‌ها وجود دارند؟

سؤال درباره وجود سفیدچاله‌ها با چالش‌های زیادی روبرو است. هیچ شواهدی مستقیماً وجود چنین اجرامی را در جهان قابل مشاهده، تأیید نمی‌کند.

با این حال، فیزیک نظری سناریوهایی را ارائه می‌دهد که در آن سفیدچاله‌ها می‌توانند به‌طور نظری ظاهر شوند. یک احتمال برای وجود آن‌ها، در طول تورم کیهانی (Cosmic Inflation) یا “مهبانگ (Big Bang)” در اوایل جهان است که در آن انبساط شدید ممکن است نواحی از فضا-زمان را کشیده و سفیدچاله‌ها را ایجاد کرده باشد.

ایده جذاب دیگر نظریه بازگشت بزرگ (Big Bounce) است که پیشنهاد می‌دهد جهان ما به عنوان یک سفیدچاله که از بقایای یک جهان مادر در حال جمع‌شدن و فروریزش (collapsing parent universe) تشکیل شده است، آغاز شده است.

 

نظریه جاذبه کوانتومی حلقوی

اندرو همیلتون (Andrew Hamilton)، یک اخترفیزیکدان، پیشنهاد می‌کند که اگر سفیدچاله‌ها وجود داشته باشند، می‌توانند بقایای سیاهچاله‌های ابرپرجرمی باشند که تحت یک تحول گرانشی کوانتومی (gravitational transformation) قرار گرفته‌اند و کارکرد خود را از جذب به تابش جرم و انرژی تغییر داده‌اند. این نظریه به عنوان جاذبه کوانتومی حلقوی (Loop Quantum Gravity) شناخته می‌شود.

این تحول ممکن است تحت تأثیر انرژی تاریک یا ماده تاریک ناشناخته که بر جهان تأثیر می‌گذارند، رخ داده باشد. با این حال، فیزیکدانان هنوز درک واضحی از چگونگی تعامل ماده تاریک با ذرات بنیادی ندارند.

 

ارتباط با چارچوب‌های نظری دیگر

بررسی مفهوم سفیدچاله‌ها به چندین حوزه دیگر فیزیک مرتبط می‌شود. به عنوان مثال، لنز گرانشی (Gravitational Lensing) – پدیده‌ای که در آن نور اطراف اجرام عظیم مانند سیاه‌چاله‌ها خم می‌شود – ممکن است، به طور مشابه با سیاه‌چاله‌ها، در اطراف سفیدچاله‌ها هم عمل کند و درک ما از فضای پشت آنها تغییر دهد.

علاوه بر این، ایده یک جهان نوزاد که احتمالاً از لایه‌های خارجی یک جهان والد از طریق یک سفیدچاله متولد شده است، عمیقاً با نظریه چندجهانی مرتبط است و پیشنهاد می‌دهد که جهان ما می‌تواند تنها یکی از بسیاری از جهان‌ها باشد.

سفیدچاله‌ها، همچنین، چالش‌هایی را برای درک ما از تعادل گرمایی در جهان ایجاد می‌کنند.

از آنجا که آنها به جای جذب، انرژی و ماده را از خود خارج می‌کنند، می‌توانند به طور نظری به عنوان بذرهای کیهانی عمل کنند و تراکم انرژی و ذرات بنیادی را در سراسر جهان پخش کنند و در نتیجه به طور اساسی بر تشکیل و تکامل کهکشان‌ها به روش‌هایی که با سیاهچاله‌ها متفاوت است، تأثیر بگذارند.