رمز گشایی ناشناخته‌ها: شارژ کردن افق‌های درونی سیاه‌چاله‌ها

سیاه‌چاله‌ها اشیاء کیهانی کنجکاوی‌انگیز هستند و مطالعات بسیاری روی آن‌ها انجام شده. نیروی گرانش آن‌ها به قدری است که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن فرار کند. با این که مطالعات بسیاری وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کرده بودند، که اخیرا نیز شناسایی شده‌اند، سوالات بسیاری در مورد این اشیاء کیهانی همچنان بی‌پاسخ هستند.

پژوهشگران در دانشگاه لایپزیگ اخیرا مطالعه‌ای را انجام داده‌اند که در آن قطبش خلاء با استفاده از یک میدان نرده‌ای شارژ شده کوانتومی در نزدیکی افق درونی یک سیاه‌چاله شارژ شده مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این پژوهش، که در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد است، نشان می‌دهد که در افق درونی یک سیاه‌چاله، جریان شارژ شده کوانتومی می‌تواند مثبت یا منفی باشد.

«کریستیان کلاین» (Christiane Klein)، یکی از افراد این پژوهش، می‌گوید: «نظریه نسبیت عام فضا و زمان را در مفهوم فضازمان متحد و گرانش را به عنوان خمش فضازمان توصیف می‌کند. یکی از معروف‌ترین پیش‌بینی‌های این نظریه سیاه‌چاله‌ها است (مناطقی از فضازمان که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن‌هافرار کند). اگر یک سیاه‌چاله به صورت الکتریکی شارژ شود یا دوران کند، داخلش ویژگی جالبی خواهد داشت: درون سیاه‌چاله سطحی وجود دارد که خصوصیاتش مشابه خصوصیات افق رویداد (لبه بیرونی) سیاه‌چاله است. در نتیجه آن را افق درونی می‌نامند.»

اساسا، تا افق درونی سیاه‌چاله، فضازمان و همه چیز درون آن را می‌توان بر اساس دانشی که از کیهان در نقطه‌ای در گذشته در دسترس است (که فیزیکدانان به آن «داده اولیه» می‌گویند)، پیش‌بینی کرد. این توانایی پیش‌بینی فضازمان، که با عنوان قطعی‌گرایی (Determinism) شناخته می‌شود، یک ویژگی مهم نظریه‌های علم فیزیک است.

با این حال، بر اساس پیش‌بینی‌های نظری، مشاهده‌گری که از افق درونی سیاه‌چال بگذرد، می‌تواند از کنار تکینگی مرکزی سیاه‌چال عبور کند (جایی که فضا و زمان انحنای بی‌نهایت دارند) و وارد یک جهان متفاوت شود. علاوه بر این، بعد از افق درونی، قطعی‌گرایی از لحاظ نظری فرو می‌پاشد و در نتیجه سفر مشاهده‌گر دیگر توسط داده‌های اولیه قابل تعیین نیست.

راجر پنروز (Roger Penrose)، ریاضی‌دان بریتانیایی، در کتابش با عنوان «تابش گرانشی و فروپاشی گرانشی» (Gravitational Radiation and Gravitational Collapse) پیش‌بینی می‌کند که چنین چیزی رخ نمی‌دهد، چون بقایای فروپاشی سیاه‌چاله یا دیگر انحرافات کوچک از داده‌های اولیه فضازمان سیاه‌چاله وجود خواهند داشت.

کلاین می‌گوید: «طبق عقیده پنروز، این انحرافات در نزدیکی افق درونی انباشته می‌شوند و فضازمان را در نزدیکی افق به قدری خم می‌نند که هر مشاهده‌گری به آن نزدیک شود نابود می‌شود و افق درونی تبدیل به یک تکینگی می‌گردد. این ایده فرضیه سانسور کهکشانی قوی نام دارد. تا به حال انواع مختلف سیاه‌چاله با افق درونی و آشفتگی‌های متفاوت داده‌های اولیه در آن‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند تا این فرضیه تست شود و قدرت تکینگی در افق درونی تعیین گردد.»

مطالعات اخیر در یافته‌اند که در سیاه‌چاله‌های شارژ شده که درون یک جهان در حال انبساط قرار دارند، تکینگی می‌تواند به قدر کافی ضعیف باشد که بتوان از آن عبور کرد. این یافته‌ها برخی از پژوهشگران تیم حاضر را بر آن داشت تا ببینند در صورت به حساب آوردن ذات کوانتومی میدان‌های گرانشی و ماده چه اتفاقی رخ می‌دهد.

کلاین می‌گوید: «معمولا این آشفتگی‌های کوانتومی کوچک و قابل صرف نظر کردن هستند. اما مشخص شد که در نزدیکی افق درونی، اثرات کوانتومی بر اثرات کلاسیک غلبه دارند و به قدری بزرگ هستند که افق درونی را به یک تکینگی قوی تبدیل کنند. این موضوع نشان می‌دهد که در نزدیکی افق درونی سیاه‌چاله‌ها باید از اثرات کوانتومی صرف نظر کرد و ما تصمیم گرفتیم تا نگاه دقیق‌تری به اثرات کوانتومی در این ناحیه داشته باشیم.»

از آنجا که یک سیاه‌چاله با بار الکتریکی تنها می‌تواند از مواد باردار ساخته شود، کلاین و همکارانش تصمیم گرفتند به طور خاص روی مواد کوانتومی باردار مطالعه کنند. یکی از نشانه‌های قابل مشاهده مستقیم این نوع ماده جریان الکتریکی تولیدی آن است. در نتیجه، پژوهشگران تلاش کردند تا تعیین کنند این جریان در نزدیکی افق درونی یک سیاه‌چاله چگونه رفتار می‌کند.

کلاین می‌گوید: «در مطالعات قبلی، اینطور استدلال می‌شد که این جریان‌ها عمدتا به خاطر تولید تصادفی ذرات با بارهای مخالف درون سیاه‌چاله هستند که در جهت‌های مخالف هم شتاب می‌گیرند. این اثر باعث می‌شود که بار سیاهچاله پشت افق درونی تخلیه شود. یکی از اهداف ما این بود که صحت این تصویر ذرات را بررسی کنیم.»

پژوهشگران در مقاله اخیر خود فضازمانی را در نظر گرفته‌اند که نماینده یک کیهان در حال انبساط است و یک سیاه‌چاله شارژ شده در آن وجود دارد. سپس آن‌ها نظریه میدان کوانتومیِ یک میدان نرده‌ای را درون این فضازمان فرضی گنجاندند.

کلاین می‌گوید: «ما به طور موقت این موضوع را نادیده گرفتیم که میدان کوانتومی فضازمان را تغییر می‌دهد.»

تیم پژوهشی با استفاده از چارچوب پیشنهادی خود توانست به بررسی جریان الکتریکی یک میدان کوانتومی در مثال مورد نظر بپردازد. آن‌ها چارچوب عددی خود را بر پایه نتایج مطالعات گذشته‌شان توسعه دادند.

کلاین می‌گوید: «ما در یافتیم که مشارکت غالب در جریان در افق درونی، تا زمانی که از لحاظ فیزیکی منطقی باشد، از حالت (شرایط اولیه) میدان کوانتومی مستقل است. ما یک حالت مناسب را انتخاب و با استفاده از تکنیک‌های نظریه میدان کوانتومی روی فضازمان دارای انحنا فرمولی برای جریان استخراج کردیم. این فرمول باید به طور عددی برای مجموعه‌ای از پارامترهای فضازمان (جرم و بار سیاه‌چاله و یک ثابت کیهانی که میزان انبساط کیهان را توصیف می‌کند) و میدان کوانتومی (جرم و بار میدان) ارزیابی شود.»

عناصر کلیدی فرمول کلاین و همکارانش «ضرایب پراکندگی» نام دارند. این ضرایب اعدادی هستند که میزان انتقال آشفتگی‌های میدان به داخل سیاه‌چاله یا انعکاس آن‌ها به فضا را توصیف می‌کنند. کلاین و همکارانش برای محاسبه این ضرایب از روش‌هایی که در پژوهش‌های گذشته خود توسعه داده بودند، بهره گرفتند.

کلاین می‌گوید: «جریان باید همیشه یک علامت داشته باشد، اما ما در یافتیم که مشارکت غالب در جریان در افق درونی بسته به پارامترهای فضازمان و میدان کوانتومی می‌تواند مثبت و همچنین منفی باشد. باید اشاره کرد که در ناحیه پارامتری بسیار نزدیک به بار ماکزیمم سیاه‌چاله (که اگر بار بیشتر شود، دیگر افق رویدادی در کار نخواهد بود و تکینگی مرکز سیاه‌چاله عریان می‌شود) جریان همیشه به گونه‌ای است که بار افق درونی را کاهش می‌دهد. این پدیده تضمین می‌کند که بار هیچ‌گاه از ماکزیمم مجاز بالاتر نمی‌شود.»

نتایج تحلیل‌های پژوهشگران بسیار غافلگیرکننده بودند، چرا که پیش‌بینی تصویر ذرات را نقض می‌کردند. بر خلاف انتظار، نتایج این تحلیل‌ها پیش‌بینی می‌کردند که تحت شرایطی معین، بار سیاه‌چاله داخل افق درونی می‌تواند توسط میدان‌های کوانتومی افزایش یابد.

کلاین می‌گوید: «حتی با این که نتایج عددی ما نمی‌توانند پارامترهای فضازمان و میدان کوانتومی واقع‌گرایانه را پوشش دهند، کار ما نشان می‌دهد که تصویر ذرات برای توضیح کامل اثرات کوانتومی داخل سیاه‌چاله‌ها کافی نیست.»

نتایج پژوهش کلاین و همکارانش علاوه بر نقض پیش‌بینی‌های تصویر ذرات، می‌توانند باعث روشن‌تر شدن یافته‌های مربوط به افق رویداد شوند. در واقع، کار آن‌ها نشان می‌دهد اثرات کوانتومی می‌توانند در نزدیکی افق درونی یک سیاه‌چاله رفتاری کاملا متفاوت نسبت به افق رویداد داشته باشند؛ جایی که انتظار می‌رود بار سیاه‌چاله را کاهش دهند. علاوه بر این، این نتایج می‌توانند الهام‌بخش مطالعاتی جدید برای بررسی اثرات کوانتومی مشابه در شرایط واقع‌گرایانه‌تر باشند.

کلاین می‌گوید: «انتظار داریم که سیاه‌چاله‌های واقع‌گرایانه حداکثر یک بار الکترکی کوچک و قابل صرف نظر، اما مومنتوم زاویه‌ای (دوران) قابل توجهی داشته باشند. در حقیقت، می‌توان سیاه‌چاله‌های شارژ شده را صرفا مدل‌های اسباب بازی برای سیاه‌چاله‌های دورانی در نظر گرفت: آن‌ها ویژگی‌های مشترک زیادی دارند، از جمله حضور یک افق درونی، اما کار با سیاه‌چاله‌های شارژ شده از لحاظ ریاضیاتی بسیار ساده‌تر است. یکی از مسیرهای آینده پژوهش کنونی ما، بسط نتایج به سیاه‌چاله‌های دورانی است. جالب خواهد بود که ببینیم بر خلاف باور خام کنونی، آیا اثرات کوانتومی می‌توانند دوران سیاه‌چاله را در نزدیکی افق درونی آن افزایش دهند یا نه.»