نسبیت عام اینشتین در سیاهچاله پنج بعدی 'نقض' می‌شود

پخش این فایل در دستگاه شما پشتیبانی نمی شود.

محققان دانشگاه‌های کمبریج و کوئین مری لندن نشان دادند که چگونه یک سیاهچاله حلقوی می‌تواند نظریه نسبیت عام اینشتین، یکی از ستون‌های فیزیک مدرن، را نقض کند. سیاهچاله‌ای با چنین شکل عجیبی، فقط می‌تواند در جهانی پنج بعدی وجود داشته باشد.

این محققان با استفاده از ابر کامپیوتر ملی کیهان شناسی (COSMOS) و بکارگیری شیوه های شبیه سازی و کدهای کامپیوتری جدید، یک سیاهچاله مجازی به شکل یک حلقه بسیار نازک ایجاد کردند، به این ترتیب آنها سیاهچاله ای خلق کردند بدون ویژگیهای یک سیاهچاله معمولی.

بر اساس این شبیه سازی، این سیاهچاله حلقوی باریک می تواند دچار برجستگی هایی شود که بهم متصل هستند و با گذشت زمان رشته هایی که این برجستگی ها را به هم متصل می کند به تدریج نازک شده و سرانجام بقدری نازک می شود که به مجموعه ای از سیاهچاله های مینیاتوری تبدیل می شود.

فیزیکدانان نظری در سال ۲۰۰۲ سیاهچاله های حلقوی را کشف کردند، اما این نخستین بار است که خواص آنها با استفاده از ابرکامپیوتر شبیه سازی شده است.

اگر چنین سیاهچاله هایی واقعا شکل بگیرند معادلاتی که نسبیت عام بر آنها استوار است باطل خواهند شد.

نسبیت عام و تکینگی

نسبیت عام اساس درک ما از گرانش است، از تخمین سن ستارگان گرفته تا استفاده از GPS، همه بر اساس نسبیت عام اینشتین هستند.

به زبان ساده، نسبیت عام می گوید وقتی جرم وجود داشته باشد در فضا-زمان خمیدگی ایجاد می کند و ما به این خمیدگی، گرانش می گوییم.

حق نشر عکس Encyclopaedia Britannica.UIG Via Getty Images
Image caption خمیدگی فضا-زمان

اگر جرم به اندازه کافی فشرده شود با خمیده کردن شدید فضا و زمان باعث تشکیل سیاهچاله می شود.

گرانش سیاهچاله چنان عظیم است که همه چیز را به دام می اندازد و هیچ چیز نمی تواند از آن بگریزد؛ حتی نور و امواج الکترومغناطیسی.

بر اساس نسبیت عام، در مرکز سیاهچاله، گرانش و به تبع آن خمیدگی فضا زمان، بی‌نهایت می‌شود که به آن تکینگی گرانشی می گویند.

به نقطه بی بازگشتی که آن سوی آن دیگر هیچ چیز نمی تواند از گرانش سیاهچاله بگریزد، افق رویداد می گویند، هیچ ناظر خارجی نمی تواند فراسوی این افق رویداد را ببیند چون هیچ چیز حتی نور نمی تواند از آن بگذرد و به آن سو راه پیدا کند؛ بنابراین هر چه در افق رویداد قرار دارد از جمله تکینگی و نور مستقیما قابل مشاهده نیستند.

تکینگی جایی است که گرانش به حدی می رسد که قوانین فیزیک دیگر صادق نیستند و فضا-زمان بی معنا می شود. چون هیچ چیز از جمله نور نمی تواند از سیاهچاله خارج شود.

بنا به تعریف، نوعی از تکینگی می تواند از بیرون دیده شود که به آن تکینگی برهنه (پیدا) می گویند، اما بر اساس نظریه سانسور کیهانی که راجر پنروز مطرح کرده، بجز بیگ بنگ (مه‌بانگ) تکینگی برهنه وجود ندارد.

اگر نظریه سانسور کیهانی درست باشد نسبیت عام هم همیشه صادق است.

در صد سالی که از معرفی نسبیت عام گذشته، آزمایش ها همگی بر این نظریه مهر تأیید زنده اند، اما این نظریه هم مثل بسیاری دیگر از نظریه های علمی دیگر محدودیت هایی دارد، از همه مهمتر وقتی موضوع تکینگی برهنه پیش می آید.

حق نشر عکس Thinkstock

نسبیت عام تا وقتی که تکینگی پشت افق رویداد مخفی است کاملا صادق است، اما اگر تکینگی پشت افق رویداد مخفی نباشد و دیده شود، یعنی تکینگی برهنه، نسبیت عام دیگر صدق نمی کند.

به گفته مارکوس کونش یکی از نویسندگان این تحقیق، "تا زمانی که معادلات سانسور کیهانی معتبر باشند، ما با خیال راحت می توانیم آینده را بیرون سیاهچاله پیش بینی کنیم. چون ما در فیزیک در نهایت سعی می‌کنیم که بر اساس شناختمان از وضعیت فعلی کائنات، آینده را پیش بینی کنیم."

اما اگر تکینگی برهنه بیرون افق رویداد وجود داشته باشد چه؟ اگر چنین شود این تکینگی پیدا و دیده خواهد شد، این یعنی جسمی با چگالی بی نهایت، چگالی بی نهایت هم یعنی اینکه تمام قوانین فعلی فیزیک فعلی دیگر به درد نمی خورند.

اما در فیزیک نظری این پیش فرض مطرح است که تکینگی برهنه در ابعاد بالاتر می تواند وجود داشته باشد.

بر اساس برخی شاخه های فیزیک نظری از جمله نظریه ریسمان، جهان می تواند تا یازده بعد داشته باشد. ابعاد بالاتر می توانند عظیم و گسترده باشند یا چنان ریز و در خود پیچیده که قابل ردیابی نباشند.

بشر طول و عرض و ارتفاع را مستقیما و فضا-زمان را بطور غیر مستقیم درک می کند، اما درک ابعاد بالاتر فقط در انرژی های خیلی زیاد امکان پذیر است، مثل آزمایش هایی که در شتابدهنده هادرونی بزرگ در سرن سوییس انجام می شود.

حق نشر عکس NASA
Image caption یک سیاهچاله بسیار عظیم (هفتاد میلیون برابر خورشید) در وسط کهکشان مارپیچ M۸۱

نسبیت عام خود پیش بینی نمی کند جهان چند بعد دارد از این رو فیزیکدانان سعی می کنند نسبیت عام را در ابعاد بالاتر مطالعه کنند تا ببینند آیا نسبیت عام همچنان صادق می ماند یا نه.

آنچه محققان داشنگاه کمبریج و کوئین مری نشان داده اند این است که در جهانی پنج بعدی نسبیت عام دیگر صادق نیست و تکینگی برهنه ظاهر خواهد شد و نظریه سانسور کیهانی باطل می‌شود.

ساران تونیاسوووناکول یکی از پژوهشگران این تحقیق می گوید اگر سانسور کیهانی در ابعاد بالاتر صادق نباشد "ما باید بررسی کنیم و ببینیم دنیای چهار بعدی چه خاصیتی دارد که این نظریه در آن صادق است."

اکثر فیزیکدانان معتقدند که سانسور کیهانی در دنیای چهار بعدی صادق است اما اگر این نظریه رد شود؛ باید راهی تازه برای توضیح جهان هستی یافت؛ یکی از گزینه ها گرانش کوآنتومی است.