نظریه معروف استیون هاوکینگ درباره سیاه‌چاله‌ها اثبات شد

استیون هاوکینگ نظریه‌ی مساحت سیاه‌چاله را در سال ۱۹۷۱ بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین ارائه کرد. بر اساس این نظریه، غیر ممکن است مساحت سطح یک سیاه‌چاله به مرور زمان کاهش پیدا کند. این قانون رابطه‌ی نزدیکی با قانون دوم ترمودینامیک دارد؛ به همین دلیل فیزیکدان‌های زیادی به آن علاقه‌مند شدند. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی یا بی‌نظمی یک سامانه‌ی بسته همیشه در حال افزایش است. آنتروپی سیاه‌چاله متناسب با مساحت سطح آن است؛ در نتیجه هردو باید افزایش پیدا کنند.

بر اساس پژوهشی جدید، اثبات قانون مساحت می‌تواند سرنخ‌هایی معناداری از قوانین مخفی حاکم بر جهان را آشکار کند. به نظر می‌رسد قانون مساحت با دیگر نظریه‌های اثبات‌شده و مشهور هاوکینگ فاصله دارد: سیاه‌چاله‌ها در بازه‌های زمانی طولانی تبخیر می‌شوند؛ در نتیجه محاسبه‌ی منبع تناقض دو نظریه می‌تواند از فیزیکی جدید پرده بردارد. به گفته‌ی ماکسیمیلیانو ایسی، مؤلف ارشد مقاله و اخترفیزیک‌دان مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست:

مساحت سطح سیاه‌چاله کاهش نمی‌یابد؛ این قانون مشابه قانون دوم ترمودینامیک است. همچنین بر اساس قانون پایستگی انرژی جرم سیاه‌چاله کاهش نمی‌یابد. این کشف می‌تواند بسیار بنیادی باشد. سیاه‌چاله‌ها دارای آنتروپی هستند و این آنتروپی متناسب با مساحت آن‌ها است. این تناسب نه‌تنها جذاب است؛ بلکه می‌تواند حقایقی عمیق درباره‌ی جهان را آشکار کند.

مساحت سطح سیاه‌چاله بر اساس مرزی موسوم به افق رویداد تعیین می‌شود که فراتر از آن هیچ چیز، حتی نور وجود ندارد و نمی‌توان از گرانش قدرتمند آن گریخت. بر اساس تفسیر هاوکینگ از نظریه‌ی نسبیت عام، با افزایش مساحت سطح سیاه‌چاله همراه با جرم و از آنجا که هیچ شیء ورودی به سیاه‌چاله نمی‌تواند از آن خارج شود، مساحت آن کاهش نخواهد یافت؛ اما مساحت سطح سیاه‌چاله با چرخش بیشتر آن کاهش می‌یابد؛ در نتیجه پژوهشگرها این پرسش را مطرح می‌کنند که آیا می‌توان شیئی داخل سیاه‌چاله انداخت که به اندازه‌ی کافی سخت باشد و بتواند چرخش سیاه‌چاله را به حدی برساند که مساحت آن را کاهش بدهد. به گفته‌ی ایسی:

حتی اگر اسپین (چرخش) را افزایش بدهید، این چرخش برای موازنه‌ی جرم اضافه‌شده کافی نیست. هر کاری که انجام بدهید، جرم و چرخش به افزایش مساحت سطح می‌انجامند.

پژوهشگرها برای تست این نظریه به تحلیل امواج گرانشی یا نوسان‌های موجود در بافت فضا زمان پرداختند که ۱٫۳ میلیارد سال پیش بر اثر برخورد دو سیاه‌چاله‌ی عظیم به وجود آمدند. این دو سیاه‌چاله با سرعتی بالا به سمت یکدیگر حرکت می‌کردند. امواج گرانشی برای اولین بار در سال ۲۰۱۵ از طریق رصدخانه‌ی موج گرانشی با تداخل‌سنج پیشرفته‌ی لیزری (LIGO) کشف شدند؛ شعاعی لیزری به طول ۳۰۰۰ کیلومتر که بر اساس تغییر طول مسیر می‌تواند کوچک‌ترین انحراف‌های فضازمان را ثبت کند.

پژوهشگرها با تقسیم سیگنال به دو بخش قبل و بعد از ادغام سیاه‌چاله‌ها، به محاسبه‌ی جرم و چرخش دو سیاه‌چاله‌ی اصلی و سیاه‌چاله‌ی ترکیبی پرداختند. این آمار به آن‌ها امکان محاسبه‌ی مساحت سطح هر سیاه‌چاله را قبل و بعد از برخورد داد. به گفته‌ی ایسی:

با چرخش سریع‌تر سیاه‌چاله‌ها به دور یکدیگر، دامنه‌ی امواج گرانشی افزایش می‌یابد؛ تا جایی که با برخورد سیاه‌چاله‌ها امواج به شکل چشمگیری افزایش می‌یابند. نتیجه سیاه‌چاله‌ای جدید با وضعیتی برانگیخته است که می‌توان نوع نوسان آن را بررسی کرد؛ درست مانند به صدا درآوردن یک زنگوله. گام‌های مشخص و مدت زنگ‌ها از ساختار زنگ و ترکیب آن می‌گویند.

بر اساس شواهد، مساحت سطح سیاه‌چاله‌ی جدید بیشتر از دو سیاه‌چاله‌ی اولیه بود. در نتیجه قانون مساحت هاوکینگ با حد اطمینان بیش از ۹۵ درصد اثبات می‌شود. به نقل از پژوهشگرها، نتایج کاملا منطبق انتظارات است. نظریه‌ی نسبیت عام نقش مؤثری در توصیف سیاه‌چاله‌ها و دیگر اجرام بزرگ آسمان دارد؛ اما راز واقعی زمانی آشکار می‌شود که بخواهیم نظریه‌ی نسبیت عام (قانون اجرام بزرگ) را با مکانیک کوانتوم (قانون اجرام بسیار کوچک) تطبیق بدهیم. در این صورت اتفاق‌های عجیبی رخ خواهد داد و قوانین بدون انعطاف کنونی زیر سؤال خواهند رفت.

بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام، سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند کوچک شوند؛ اما بر اساس مکانیک کوانتوم می‌توانند. استیون هاوکینگ مفهومی به نام تابش هاوکینگ توسعه داد که بر اساس آن، مهی از ذرات از طریق آثار عجیب کوانتومی در لبه‌های سیاه‌چاله‌ها منتشر می‌شوند. این پدیده منجر به کوچک شدن سیاه‌چاله‌ها می‌شود و در نهایت طی بازه‌ای طولانی‌تر از عمر جهان، سیاه‌چاله‌ها تبخیر می‌شوند. این تبخیر در بازه‌های زمانی بسیار طولانی رخ خواهد داد و قانون مساحت را در کوتاه‌مدت نقض نخواهد کرد؛ اما این دلیل هم نتوانست فیزیکدان‌ها را قانع کند. به گفته‌ی ای سی:

ازنظر آماری، در طول بازه‌ای بسیار طولانی قانون مساحت نقض می‌شود. درست مانند جوشیدن آب است. براثر تبخیر آب، بخار از ظرف بلند می‌شد؛ اما اگر صرفاً به ناپدید شدن آب نگاه کنید، این‌طور به نظر می‌رسد که آنتروپی ظرف در حال کاهش است؛ اما اگر بخار را هم حساب کنید، آنتروپی کلی افزایش می‌یابد. همین مسئله برای سیاه‌چاله‌ها و تابش هاوکینگ هم صدق می‌کند.

مقاله‌های مرتبط:

از آنجا که قانون مساحت برای بازه‌های زمانی کوتاه تا متوسط ارائه شده است، گام بعدی پژوهشگرها تحلیل داده‌های به‌دست‌آمده از امواج گرانشی برای رسیدن به دیدگاه‌های عمیق‌تر درباره‌ی سیاه‌چاله‌ها خواهد بود. به گفته‌ی ایسی:

من تحت تأثیر تناقض بالای سیاه‌چاله‌ها هستم. این اجرام بسیار پیچیده و اسرارآمیز هستند؛ اما در عین حال ساده‌ترین اجرام موجود در جهان به شمار می‌روند. این اجرام محل برخورد گرانش و مکانیک کوانتوم هستند؛ به همین دلیل سیاه‌چاله‌ها زمینه‌ی مناسبی را برای درک واقعیت فراهم می‌کنند.

پژوهشگرها یافته‌های خود را در تاریخ ۲۶ می در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر کردند. این مقاله در Live Science منتشر شده است.

نمایش بیشتر

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا