تشریح چگونگی مرگ شگفت انگیز سیاهچاله ها

کلیک- پاول ساتر یک متخصص فیزیک نجومی در دانشگاه ایالت اوهایو و دانشمند ارشد در مرکز علوم COSI است. ساتر همچنین میزبان برنامه های Ask a Spaceman، RealSpace و COSI Science Now نیز هست.

در فضا اجرام و پدیده هایی وجود دارند که نمی توان به سادگی از آنها فرار کرد. مرگ، مالیات، سیاهچاله ها. حتی در زمان و مکان مناسب شاید بتوانید هر سه را با هم تجربه کنید.

سیاهچاله ها را می توان به هیولاهای شکست ناپذیری تشبیه کرد که در کهکشان ها سرگردان هستند و هر گونه اجرام و پدیده و موجودی را که در مسیرشان باشد، می بلعند. همچنین اسم آنها کاملا مناسب و درخود آنها است: وقتی در یکی از آنها بیفتید، وقتی از خط نابودگر افق پدیده عبور کنید دیگر راه خروجی نیست. حتی نور هم نمی تواند از چنگ آنها فرار کند.

اما در فیلم ها، هیولای ترسناک همیشه نقطه ضعفی دارد و اگر سیاهچاله ها را هیولاهای کهشکشانی فرض کنیم، پس قطعا آنها هم آسیب پذیر هستند. درست است؟

از هاوکینگ تا نجات

در دهه ی ۱۹۷۰، فیزیکدان نظری استفن هاوکینگ کشف فوق العاده ای از جاذبه و مکانیک کوانتوم به عمل آورد که در زیر حجم پیچیده و زیادی از محاسبات ریاضی دفن شده بود: سیاهچاله ها دارای تابش هستند، اگرچه بسیار آرام و کم، اما در مدت زمان مناسب، نهایتا از بین می روند.

عجب! خبر فوق العاده ای است! می توان این هیولا ها را شکست داد! اما چگونه؟ این به اصطلاح پرتو افکنی هاوکینگ چگونه عمل می کند؟

خب، فرضیه ی کلی نسبیت در واقع یک تئوری ریاضی بسیار پیچیده است. مکانیک کوانتوم نیز به همان اندازه پیچیده است. این توصیفات برای پاسخ به سوال "چگونه؟" کمی ناراضی کننده هستند مخصوصا اینکه کلی محاسبات ریاضی نیز در این بین وجود دارند، بنابراین توضیح استاندارد را به این گونه بیان می کنیم: خلا فضا پر از ذرات مجازی می باشد، جفت ذره های گازدار کوچکی که به وجود می آیند و از بین می روند. این ذرات از خلا انرژی می گیرند تا برای چند لحظه ی کوتاه به وجود آیند و این وجود فقط تا زمانی به طول می انجامد که به یکدیگر برخورد کرده و دوباره نیست می شوند.

هر چند وقت یک بار، یک جفت از این ذرات در نزدیکی افق پدیده به وجود می آیند، در این لحظه یکی از ذرات سقوط کرده و دیگری آزاد است تا فرار کند. بنابراین ذرات قادر نیستند به هم برخورد کرده و بخار شوند، ذره ای که فرار می کند به عنوان یک ذره ی غیر مجازی طبیعی به راه خود ادامه می دهد.

بفرمایید، به نظر می رسد سیاهچاله پرتو افکنی کرده است، و در این حین(در حین جداسازی یک ذره ی مجازی و ارتقای یکی از آنها به حالت طبیعی)، سیاهچاله کمی از حجم خودش را از دست می دهد. در نهایت، به آرامی، در طول قرن ها، سیاهچاله از بین می رود. دیگر سیاهی ندارد درست است؟

مشکل اینجاست: آن جواب هیچکس را قانع نمی کند. از طرفی، این جواب اصلا و ابدا هیچ ربطی به مقاله ی سال ۱۹۷۴ هاوکینگ ندارد، و از طرف دیگر، این ها فقط کلماتی هستند که چند پاراگراف را پر می کنند اما واقعا چندان قوی نیستند که بتوانند این رفتار سیاهچاله را توضیح دهند. نمی گوییم که حتما اشتباه است، فقط می گوییم کامل نیست.

بگذارید بیشتر توضیح دهیم.

روش کار

اول موارد مهم: "ذرات مجازی" نه نجازی هستند و نه ذره. در تئوری میدان کوانتوم(مفهوم مدرن در مورد طرز رفتار ذرات و کار نیرو ها) همه ی انواع ذره ها با میدانی مرتبط هستند که در تمام زمان و فضا نفوذ دارد و موثر است. این میدان ها سیستم های ساده ای نیستند. آنها فعال و زنده هستند. در واقع، آنها حتی از خود ذره ها هم مهم تر هستند. شما ممکن است ذرات را به سادگی به عنوان برانگیختگی هایی(یا "نوسانات" یا "ذرات به هم چسبیده"، هر کدام از این نام ها بستگی به حال و هوای شما دارد که کدام را انتخاب کنید)از میدان ثانویه و زیرین تصور کنید.

گاهی این میدان ها شروع به جنبش می کنند و آن جنبش ها از یک مکان به مکانی دیگر سفر می کنند. این چیزی است که به آن "ذره" می گوییم. وقتی میدان الکترون شروع به جنبش می کند، یک الکترون به دست می آوریم. وقتی میدان الکترومغناطیس شروع به جنبش می کند، یک فوتون به دست می آوریم. حالا موضوع دستتان آمد.

البته گاهی هم آن جنبش ها واقعا به جایی نقل مکان نمی کنند. آنها قبل از اینکه کار جالبی انجام دهند از بین می روند. فضا - زمان پر از میدان های در حال مرگ است.

این ها چه ربطی به سیاهچاله ها دارند؟ خب، وقتی یک سیاهچاله شکل می گیرد، برخی از میدان های کوانتوم دائما در حال مرگ در دام آن می افتند(برخی به صورت دائمی به دام می افتند و متاسفانه در داخل افق پدیده ی تازه شکل گرفته ظاهر می شوند). میدان هایی که در نزدیکی افق پدیده در حال مرگ و جنبش هستند، در نهایت نجات یافته و از آنجا فرار می کنند. اما به خاطر تاخیر زمانی ایجاد شده در نزدیکی سیاهچاله به خاطر جاذبه ی شدید آن، این میدان ها در زمانی طولانی در آینده پدیدار می شوند.

در این فرآیند پیچیده و به دام افتادن میدان ها در سیاهچاله ی به تازگی شکل گرفته، میدان های موقتا در حال مرگ ارتقا یافته و به موج های طبیعی که هر روزه با آنها مواجه هستیم تبدیل می شوند. به عبارت دیگر، به ذرات تبدیل می شوند.

بنابراین، نظریه ی پرتو افکنی هاوکینگ زیاد به ذراتی که در نزدیکی یک سیاهچاله ی جدید قرار دارند مربوط نیست، بلکه به نتیجه ی فرآیند پیچیده در تولد یک سیاهچاله که تا به امروز موجود است مربوط می شود.

اندکی صبر

در هر حال، تا آن جایی که ما می دانیم، سیاهچاله ها از بین می روند. البته بر روی عبارت "تا آن جایی که ما می دانیم" تاکید می کنم، چون همانطور که در ابتدا گفتم، کلیات این موضوع بسیار مبهم هستند و نظریه ی میدان کوانتوم هم یک غول وحشتناک است. وقتی این دو را کنار هم قرار دهید، به این نتیجه می رسیم که هنوز هم در محاسبات ریاضی ابهامات و مشکلاتی وجود دارند.

اما با آگاهی هایی که تا به امروز به دست آورده ایم، می توانیم به اعداد بنگریم و آن اعداد به ما می گویند که به این زودی ها لازم نیست نگران مردن سیاهچاله ای باشیم. یک سیاهچاله با حجمی برابر با حجم خورشید می تواند ۶۷^۱۰ سال دوام بیاورد. با در نظر گرفتن اینکه سن فعلی جهان ما تقریبا میزان ناچیز ۱۳٫۸ در ۹^۱۰ سال می باشد، پس هنوز کلی وقت داریم. اما اگر برج ایفل را یک سیاهچاله فرض کنید، از بین رفتن و بخار شدن آن در کمتر از یک روز اتفاق می افتد. البته لازم نیست این کار را بکنید، ولی اگر دوست دارید مشکلی نیست.