همه چیز درباره سفیدچاله‌ها

مجله خبری-سبک زندگی نگار: سفیدچاله‌ها به لحاظ نظری درست در مقابل سیاهچاله‌ها قرار می‌گیرند و به آن‌ها «امکان غیر ممکن» هم گفته می‌شود. آن‌ها اجرامی سماوی هستند که به شیوه‌ای برعکس سیاهچاله‌ها از خود انرژی منتشر می‌کنند. درحالی که شواهد زیادی مبنی بر وجود سیاهچاله‌ها یافت شده است، اما کیهان شناسان، شواهدی که وجود سفیدچاله‌ها را ثابت کند در دست ندارند.

در واقع سفیدچاله ها، پدیده‌هایی فرضی هستند که فقط فرضیه‌هایی درباره آن‌ها وجود دارد. اگر علاقه‌مند هستید درباره این پدیده شگفت انگیز کیهانی بیشتر بدانید در ادامه با ما همراه شوید.

یک سفیدچاله جایی فرضی در کائنات است که مقدار و چگالی ماده و انرژی در آن بسیار زیاد است. گفته می‌شود سرعت فرار ماده و انرژی در سفیدچاله‌ها باید بسیار بیشتر از سرعت نور باشد.

تاکنون هیچ سفیدچاله به صورت مستقیم و یا غیرمستقیم مورد مشاهده قرار نگرفته و وجود آن‌ها تنها به طریق روابط پیچیده ریاضی توضیح داده می‌شود. اما فیزیکدانان بسیاری نیز هستند که در وجود سفیدچاله‌ها به یقین رسیده اند.

این فیزیکدانان که عموما در شاخه فیزیک کوانتوم حلقوی مطالعات خود را دنبال می‌کنند، با استفاده از مباحث تئوری به تبیین سفیدچاله‌ها می‌پردازند. بر این اساس، تکینگی یک سیاهچاله می‌تواند تا مینیمم حالت خود به سمت پایین فشرده شود و به صورت یک سفیدچاله در مکان اولیه ظاهر شود.

تاکنون هیچ سفیدچاله به صورت مستقیم و یا غیرمستقیم مشاهده نشده است

در تعریف سفیدچاله آمده است که یک منطقه فرضی در فضا-زمان است که امکان ورود چیزی به آن وجود ندارد، اما ماده و نور می‌توانند از آن خارج شوند.

سفیدچاله‌ها برعکس سیاه چاله است که ماده و نور می‌تواند وارد آن شود، اما حتی نور نیز امکان گریز ندارد. سفیدچاله در نظریهٔ سیاهچاله‌های ابدی ظاهر شدند. اگر حل منجر به سیاهچاله در معادلات میدان انیشتین در آینده اتفاق بیفتد حلی نیز برای وجود سفیدچاله در گذشته آن وجود خواهد داشت اگرچه چنین نواحی در سیاهچاله‌هایی که از طریق رمبش گرانشی وجود آمده‌باشند نمی‌تواند وجود داشته باشد. هنوز هیچ فرایند فیزیکی برای تشکیل سفیدچاله شناخته نشده است.

سفیدچاله‌ها مانند سیاهچاله‌ها دارای جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه‌ای هستند. سفیدچاله مانند هر جرم دیگری ماده را به سوی خود جذب می‌کند، اما اجسامی که به سوی سفید چاله سقوط می‌کنند در عمل هرگز به افق رویداد آن نمی‌رسند.

از لحاظ تئوری، اگر شما بتوانید با یک فضاپیما به یک سفیدچاله نزدیک شوید، توسط حجم عظیمی از انرژی خارج شده از آن احاطه خواهید شد و به احتمال قوی فضاپیما شما نابود خواهد شد.

حتی اگر فضاپیما شما بتواند در برابر امواج گاما ایستادگی کند، نور به تنهایی منجر به کاهش سرعت شما می‌شود. درست مانند حالتی که مقاومت هوا می‌تواند یک وسیله نقلیه را روی زمین متوقف کند.

حتی اگر فضاپیما طوری ساخته شده باشد که در مقابل انتشار انرژی تاثیر نپذیرد، صفحه فضا-زمان در اطراف سفیدچاله به طرز عجیبی انحنا دارد به طوری که نزدیک شدن به آن مانند بالارفتن از یک سربالایی‌ای است که هر لحظه شیب آن بیشتر می‌شود.

در این حالت شتاب حرکتی شما رفته رفته بیشتر و حرکت شما کمتر و کمتر می‌شود. به طور کلی در سراسر کائنات انرژی کافی برای ورود به سفیدچاله‌ها وجود ندارد.

سفید چاله‌ها اساسا مفاهیمی ریاضی وار و تئوری وار می‌باشند، در واقع اگر شما از نظر ریاضی سیاهچاله‌ای را بدون تکنیگی جرم و به صورت موجودی زنده تصور کنید یک سفید چاله را تصور کرده اید.

آن‌ها اجرام واقعی نیستند یا حداقل فعلا موجودیت آن‌ها فراتر از تئوری نیست و اینگونه نیست که منجمان متوجه انفجار‌های عجیب از تابش در اطراف سیاهچاله‌ای بشوند و بتوانند مدل‌های نظریه‌ای سفید چاله‌ها را شبیه سازی کنند.

اگر سفید چاله‌ها وجود داشتند همانند یک سیاهچاله‌ی معکوس عمل می‌کردند درست به صورتی که معادلات ریاضی پیش بینی می‌کند.

به جای اینکه مواد را به داخل خود بکشند سفید چاله‌ها مواد را به بیرون فضا پخش می‌کنند.

یکی دیگر از پیامد‌های ریاضی سفید چاله این است که از نظر تئوری تا زمانی وجود دارند که هیچ ذره‌ای از ماده در داخل افق رویداد وجود نداشته باشد. به محض اینکه ذره‌ای از اتم هیدروژن وارد منطقه شود همه چیز نابود خواهد شد. حتی اگر سفید چاله‌ها خیلی قبل‌تر در کیهان اولیه وجود داشتند اکنون مدت‌ها پیش از بین رفته اند، زیرا که کیهان ما مملو از مواد می‌باشد.

تعدادی از فیزیکدانان هستند که فکر می‌کنند سفید چاله‌ها ممکن است فراتر از یک تئوری باشند. هال هگرد و کارلو روولی از دانشگاه مارسل فرانسه در حال کار بر روی توضیح اینکه چه اتفاقی در داخل سیاهچاله‌ها می‌افتد، با استفاده از معادلات فیزیک تئوری که گرانش کوانتوم حلقه نام دارد، کارمی کنند.

در تئوری، تکنیگی یک سیاهچاله تا اندازه‌ای منقبض و فشرده می‌شود که به کوچکترین اندازه‌ی ممکن در معادلات فیزیکی می‌رسد این تکنیگی می‌تواند تبدیل یه سفید چاله شود، اما به خاطر اتساع شدید زمان در سیاهچاله، میلیارد‌ها سال زمان می‌برد تا حتی کمترین اجرام موجود بتوانند تغییر حرکت بدهند.

اگر سیاهچاله‌های میکروسکوپی بعد از انفجار بزرگ شکل می‌افتند ممکن بود اکنون به صورت سفید چاله تحلیل رفته و منفجر شوند یا به قول استیون هاوکینگ در حال تبخیر شدن بودند.

ایده‌ی جالب دیگری که توسط فیزیکدان‌ها مطرح شده این است که سفید چاله‌ها می‌توانند توضیحی برای مهبانگ باشند، زیرا که سفید چاله گونه‌ای دیگر از شرایطی است که در آن مقدار عظیمی از ماده و انرژی خود به خود ظاهر می‌شود.

با این همه سفید چاله‌ها فعلا در حد یک حماسه‌ی ریاضی هستند و از آنجایی که ریاضی فانتزی به سختی با واقعیت میتواند در ارتباط باشد سفید چاله‌ها احتمالا فقط در تخیلات ما وجود دارند.

اگر سفید چاله‌ها وجود داشتند همانند یک سیاهچاله‌ی معکوس عمل می‌کردند

اگر درون یک سیاهچاله سقوط کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟

سیاهچاله یک منطقه در فضا-زمان با چگالی و کشش گرانشی بالاست که هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند از آن فرار کند. اگر جسمی از افق رویداد (منطقه‌ای از فضا-زمان که تمام مرز‌های فضا به شدت تحت تأثیر سیاهچاله است) یک سیاهچاله عبورکند، سرانجام به درون سیاهچاله سقوط می‌کند و در فرایند هولناک «Spaghettification» (رشته رشته)، کش می‌آید و به رشته‌های اسپاگتی مانند تبدیل می‌شود.

به عنوان مثال اگر یک ذره نور از افق رویداد سیاهچاله عبور کند، طول موج آن بلندتر و بلندتر می‌شود و انرژی خود را تا مرحله‌ای که دیگر قابل شناسایی نباشد، از دست می‌دهد. در مقابل، یک سفیدچاله همه چیز را مانند فواره‌ای از شکلات سفید به بیرون پرتاب می‌کند.

به عبارت دیگر سیاهچاله‌ها به هیچ ماده‌ای در صورت ورود، اجازه خروج نمی‌دهند درحالی که سفیدچاله‌ها فوران ماده و انرژی هستند و هیچ چیز نمی‌تواند وارد آن‌ها شود. هرچند انتظار می‌رود این چاله ها، جاذبه داشته باشند، اما شئ که به سمت سفیدچاله جذب شود هیچ گاه به افق رویداد آن نخواهد رسید.

سفیدچاله‌ها درواقع توجیه‌های احتمالی قوانین نسبیت عام هستند. این قوانین می‌گویند؛ اگر سیاهچاله‌ها در جهان هستی وجود داشته باشند، سفیدچاله‌ها که عکس سیاهچاله‌ها عمل می‌کنند نیز باید در این جهان وجود خارجی داشته باشند.

سفیدچاله‌ها در واقع مانند سیاهچاله‌ها مسیر‌هایی یک طرفه هستند. به عبارت دیگر اگر فرض کنیم سیاهچاله جایی است که می‌توانیم به آن وارد شویم، اما هرگز نمی‌توانیم از آن فرار کنیم.

سفیدچاله را باید جایی در نظر بگیریم که می‌توانیم آن را ترک کنیم، اما هرگز نمی‌توانیم به آن برگردیم. سفیدچاله‌ها و سیاهچاله‌ها از نظر ریاضی و هندسی ساختار مشابهی دارند. به این معنا که هردو ناحیه‌ای از فضا-زمان هستند که مقادیر زیادی ماده در کوچکترین حجم ممکن فشرده شده است.

سفیدچاله‌ها نیز مانند سیاهچاله‌ها دارای جرم، بار الکتریکی، تکانه زاویه‌ای (کمیتی بُرداری که برای بیان وضعیت سیستم‌های درحال حرکت دورانی استفاده می‌شود) و منطقه افق رویداد در اطراف خود هستند.

سفیدچاله‌ها مانند سیاهچاله‌ها دارای جرم، بار الکتریکی، تکانه زاویه‌ای هستند

گذر از سیاهچاله به سفید چاله

بیشتر سیاهچاله‌ها طی انفجار ابرنواختری ستارگان بزرگ، پرجرم و داغی تشکیل می‌شوند که به پایان زندگی شان رسیده اند. فیزیکدانان معتقدند ممکن است سیاهچاله‌هایی که به این طریق تشکیل می‌شوند با تبدیل شدن به چیزی کاملا مخالف خودشان، زندگی شان را به پایان ببرند.

یعنی به سفیدچاله‌ها تبدیل شوند و تمام ماده‌ای را که بلعیده اند به طور انفجاری به فضا پرتاب کنند. بر اساس این نظریه، گذار از سیاهچاله به سفیدچاله بعد از شکل گیری اولیه سیاهچاله انجام می‌شود، اما چون گرانش باعث اتساع زمان می‌شود، ناظر خارجی می‌بیند که سیاهچاله، بسته به اندازه اش، میلیارد‌ها یا هزاران میلیارد سال و حتی بیشتر عمر می‌کند. سیاهچاله یا ستاره‌ای که تحت نیروی گرانش اش، به درون خود فرو می‌ریزد و به اصطلاح می‌رُمبد، به نقطه‌ای می‌رسد که دیگر نمی‌تواند بیشتر از آن فشرده شود.

دنیای مرموز سفیدچاله‌ها

در این مرحله تحت یک فشار بیرونی، به سفید چاله تبدیل می‌شود. براساس قانون دوم ترمودینامیک، انتروپی (بی نظمی) موجود در جهان هستی همواره درحال افزایش است. این قانون، امکان وجود سفیدچاله‌ها را زیر سوال می‌برد.

سیاهچاله‌ها اجرامی کیهانی هستند که به خوبی در چارچوب این قانون عمل می‌کنند، زیرا می‌توانند اشیای فضایی را درطول دوره‌های زمانی به درون خود ببلعند و به این ترتیب با گسترانیدن ماده تشکیل‌دهنده خود در فضایی گسترده‌تر به آشفتگی اطراف خود بیفزایند.

درمقابل، سفیدچاله‌ها به لحاظ نظریه برخلاف قانون دوم ترمودینامیک به اشیا و مواد پراکنده در فضا نظم می‌دهند. به طور طبیعی هر پدیده‌ای که چنین قانون جهانی‌ای را نقض کند قطعا باید بسیار ناپایدار باشد بنابراین نمی‌تواند برای مدتی بیشتر از چند ثانیه دوام بیاورد.

میان سیاهچاله و سفیدچاله در فضا زمان یک کانال فضا زمانی به نام کرم چاله وجود دارد

سفر در زمان با سفیدچاله‌ها

طبق فرضیه «پل انیشتین-روزن» که در سال ۱۹۳۵ میلادی مطرح شد، میان سیاهچاله و سفیدچاله در فضا-زمان یک کانال فضا-زمانی به نام کرم چاله وجود دارد که این دو را به هم متصل می‌کند. به طوری که ورودی سیاهچاله و خروجی سفیدچاله در دو جهان کاملا متفاوت قرار می‌گیرد.

بر اساس این فرضیه یک کرم چاله در موارد خاص، به‌جای دو نقطه از فضا، دو نقطه از زمان یا مکان بسیار دور تراما در زمانی کوتاه را به هم متصل می‌کند بنابراین یک سفیدچاله می‌تواند جرمی را که در یک سیاهچاله سقوط می‌کند بعد از سفر در طول یک کرم چاله بیرون بیندازد و از منطقه دیگری در فضا یا زمان سر دربیاورد. این فرضیه نقص‌هایی دارد.

یک کرم چاله آن قدر بی ثبات است که بلافاصله روی خودش فرو می‌ریزد. همچنین هر جرمی که وارد یک سیاهچاله شود بر اثر نیرو‌های گرانشی بسیار بزرگ، تکه تکه می‌شود. با این وجود شاید ما هرگز – دست کم تا چند صد سال آینده- ندانیم که آیا این سه پدیده واقعا امکان جلو و عقب رفتن در زمان را به انسان‌ها می‌دهند یا نه!

یک آزمایش ذهنی در نظر بگیرید که در آن مقدار مشخصی انرژی درون یک جعبه به حجم شبیه‌سازی همگرایی گرانشی توسط یک سیاهچاله که سبب کج نمایی (اعوجاج) تصویر کهکشان پس زمینه شده است.

طبق اصل ارگودیسیته اگر زمان کافی به سیستم بدهیم، تمام حالت‌های ممکن را در فضای فاز طی می‌کند، و در نهایت حافظه اش را که از کجا شروع کرده به کلی از دست می‌دهد.

این یعنی اگر ما برای مدتی طولانی رفتار سیستم را مورد مطالعه قرار دهیم، نمی‌توانیم جهت مرجحی برای زمان پیدا کنیم؛ هر طرحی از رفتار سیستم کاملا می‌تواند در جهت معکوس هم اتفاق بیفتد. اگر در بازه از زمان سیستم ما تنها ذرات بدون جرم داشته باشد و در زمان‌های بعدی افت و خیز‌های فضای فاز این ذرات باعث ایجاد سیاه چاله‌ای شود که بعد‌ها بخار می‌شود، فرآیند معکوس نیز کاملا محتمل است. هر از چند گاهی باید ببینیم که ذراتی بدون جرم از بین می‌روند، و طی این نابود شدن معکوس زمانی یک سیاه چاله، یک سفیدچاله، را تولید می‌کنند. این سفید چاله کمی بعدتر ذرات بدون جرمی از خود ساطع می‌کند.

در نسبیت عام کلاسیک، تصور می‌شد که "اصلی سانسور کیهانی" برقرار باشد. این اصل بیان می‌کند که هیچ تکینگی برهنه‌ای وجود ندارد. به عنوان مثال در بحث مقدماتی نسبیت عام گفتیم که مرکز یک سیاه چاله شواترس شیلد یک تکینگی واقعی است، اما از آنجا که هیچ سیگنالی از داخل شعاع شارتس شیلد نمی‌تواند به بینهایت فرار کند می‌گویم که افق رویداد تکینگی را سانسور می‌کند.

این اصل وجود سفیدچاله‌ها را به عنوان تکینگی‌های برهنه رد می‌کند. اما، اگر ما اثرات کوانتومی را در بررسی سیاه چاله‌ها دخیل بدانیم، آن وقت تکینگی‌های برهنه، اگر از متریک‌های کلاسیک استفاده کنیم، وجود خواهند داشت.

همان جعبه را در نظر بگیرید، در جهت مثبت زمان، در بیشتر زمان ما سیاه چاله‌ای می‌بینیم که با نرخی تقریبا مساوی با نرخ جسم سیاه، جذب و تابش می‌کند. بنابراین، اگر ما این فرض معقول را بکنیم که گسیل از سفیدچاله‌ها ربطی به محیط اطراف ندارد، نتیجه می‌شود که نرخ تابش همان نرخ تابش سیاه چاله‌ای با جرم، بار و تکانه زاویه‌ای یکسان است. با دیدگاه ترمودینامیکی فرآیند‌های شکل گیری و تبخیر سیاه چاله‌ها معکوس یکدیگرند. به معنای دیگر، یک سیاه چاله می‌تواند به طرق بسیار متعددی از از گراویتون ها، فوتون‌ها و نوترینو‌ها تشکیل شود، که بیشترین احتمال برای حالتی با گسیل گرمایی است.

این و نتیجه قبل نشان می‌دهد که سفید چاله‌ها و سیاه چاله‌ها برای یک ناظر بیرونی یکسان هستند. این یک اصل کلی است که یک نظریه فیزیکی نباید عناصری داشته باشد که از یکدیگر تمیز ناپذیرند و نباید دو پدیده را که تمیز ناپذیرند به دو گونه متفاوت توضیح دهد. در نظریه نسبیت عام کلاسیک، یک متریک یکتا وجود دارد که برای سیاه چاله‌ها و سفیدچاله‌ها متفاوت است. با این وجود، اگر فضا زمان کوانتیده شود، بایستی ایده متریک یکتا را که مستقل از ناظرهاست دور بریزیم، دقیقا مثل نسبیت خاص که زمان مطلق را دور انداختیم. در واقع اگر فضا زمان را توسط نوعی انتگرال فاینمن روی متریک‌ها تعریف کنیم، آن وقت متریک‌هایی که یک ناظر در انتگرال لحاظ می‌کند کاملا بستگی به موقعیتی دارد که می‌خواهد آن را توضیح دهد، که به نوبت به اندازه گیری‌هایی که انجام شده ربط دارد.

ناظری که خود را بیرون یک تکینگی اندازه گیری می‌کند، می‌تواند از متریک سیاه یا سفید چاله استفاده کند. در متریک سیاه چاله مواد درون تکینگی فرومی افتند و در عین حال ذراتی بیرون افق رویداد به وجود می‌آیند. در مریک سفید چاله به نظر می‌رسد که ذرات توسط میدان گرانشی نابود می‌شوند و باز به نظر می‌رسد که در گذشته ذرات از درون تکینگی به بیرون ساطع شده اند. ناظری که خودش را در حال فروافتادن اندازه گیری می‌کند، ذرات گسیلی را نمی‌بیند و تنها از متریک سیاه چاله استفاده می‌کند. مشابها، در پدیده ساختن و گسیل کردن از یک سیاه چاله، یک ناظر خود را گسیل شده از یک سفید چاله متصور می‌شود و تنا از متریک سفید چاله استفاده می‌کند.

تصویری که تا به حال از سفیدچاله‌ها داده می‌شد، معکوس زمانی رمبش یک توده غبار است. اما ما می‌توان نشان داد که ما نمی‌توانیم یک فاز ناگسیلی داشته باشیم، زیرا در آن صورت باید در میدان قوی گرانشی زوج زایی (pair creation) اتفاق افتد. نتیجه این است که سفید چاله‌ها به صورت پیوسته تابش می‌کنند. این گسیل کاملا کاتوره‌ای است و تمام حالت‌های فضای فاز در این فرآیند امکان پذیر است و همه آن‌ها هم احتمال هستند. البته این احتمال وجود دارد که سفیدچاله‌ای برای مدت زمانی تابش نکند و بعد از آن شروع به ساطع کردن ابر غبار کند، اما این احتمال به خاطر نسبت حجم این نوع فرآیند‌ها به کل فرآیند‌های ممکن بسیار کوچک است.  

آینده سفیدچاله‌ها

سفیدچاله‌ها بسیاری مردم را شگفت زده کرده اند و به نوعی به ما احساس تعادل می‌دهند. باید به مطالعه آن‌ها ادامه داد، در واقع بسیاری جنبه‌های نسبیت عام، برای مثال سیاهچاله ها، در اول یک کنجکاوی نظری بوده اند. مدرک محکمی برای اثبات وجود سفیدچاله‌ها وجود ندارد، اما شاید در جهان پیچیده و بزرگ ما جایی هم برای آن‌ها باشد.