همه چیز درباره سفیدچاله ها

سفیدچاله جایی فرضی است که مقدار و چگالی ماده و انرژی در‌ آن زیاد است

بسیاری از ما نام سیاهچاله های فضایی را شنیده ایم و شاید کم و بیش اطلاعاتی درباره آن ها داشته باشیم. سیاهچاله ها یکی از پدیده های پیچیده، مرموز و شگفت انگیز طبیعت هستند که درک ماهیت آن ها کار آسانی نیست اما شگفت انگیزتر از آن، پدیده دیگری به نام سفیدچاله است.

سفیدچاله ها به لحاظ نظری درست در مقابل سیاهچاله ها قرار می گیرند و به آن‌ها «امکان غیر ممکن» هم گفته می شود. آن ها اجرامی سماوی هستند که به شیوه ای برعکس سیاهچاله ها از خود انرژی منتشر می کنند. درحالی که شواهد زیادی مبنی بر وجود سیاهچاله ها یافت شده ‌است اما کیهان شناسان، شواهدی که وجود سفیدچاله ها را ثابت کند در دست ندارند.

در واقع سفیدچاله ها، پدیده هایی فرضی هستند که فقط فرضیه هایی درباره آن‌ها وجود دارد. اگر علاقه مند 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 سفیدچاله ها 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 می شود. اما فیزیکدانان بسیاری نیز هستند که در وجود سفیدچاله‌ ها به یقین رسیده اند.

این فیزیکدانان که عموما در شاخه فیزیک کوانتوم حلقوی مطالعات خود را دنبال می کنند، با استفاده از مباحث تئوری به تبیین سفیدچاله ها می ‌پردازند. بر این اساس، تکینگی یک سیاهچاله می ‌تواند 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 می توانند از آن خارج شوند.

 سفیدچاله ها برعکس سیاه چاله است که ماده و نور می تواند وارد آن شود اما حتی نور نیز امکان گریز ندارد. سفیدچاله در نظریهٔ سیاهچاله های 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 سیاهچاله هایی که از طریق رمبش گرانشی وجود آمده‌باشند نمی‌تواند وجود داشته باشد. هنوز هیچ فرایند فیزیکی برای تشکیل سفیدچاله شناخته نشده است.

سفیدچاله ها مانند سیاهچاله ها دارای جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه ای هستند. سفیدچاله مانند هر جرم دیگری ماده را به سوی خود جذب می کند اما اجسامی که به سوی سفید چاله سقوط می کنند در عمل هرگز به افق رویداد آن نمی رسند. 

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 می شود. درست مانند حالتی که مقاومت هوا می تواند 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 سربالایی ای است که هر لحظه شیب آن بیشتر می شود.

در این حالت شتاب حرکتی شما رفته رفته بیشتر و حرکت شما کمتر و کمتر می ‌شود. به طور کلی در سراسر کائنات انرژی کافی برای ورود به سفیدچاله ‌ها وجود ندارد.

سفید چاله ها اساسا مفاهیمی ریاضی وار و تئوری وار می باشند، در واقع اگر شما از نظر ریاضی سیاهچاله ای را بدون تکنیگی جرم و به صورت موجودی زنده تصور کنید یک سفید چاله را تصور کرده اید.

آن ها اجرام واقعی نیستند یا حداقل فعلا موجودیت آن ها فراتر از تئوری نیست و اینگونه نیست که منجمان متوجه انفجارهای عجیب از تابش در اطراف سیاهچاله ای بشوند و بتوانند مدل های نظریه ای سفید چاله ها را شبیه سازی کنند.

اگر سفید چاله ها وجود داشتند همانند یک سیاهچاله ی معکوس عمل می کردند درست به صورتی که معادلات ریاضی پیش بینی می کند.

به جای اینکه مواد را به داخل خود بکشند سفید چاله ها مواد را به بیرون فضا پخش می کنند.

یکی دیگر از پیامد های ریاضی سفید چاله این است که از نظر تئوری تا زمانی وجود دارند که هیچ ذره ای از ماده در داخل افق رویداد وجود نداشته باشد. به محض اینکه ذره ای از اتم هیدروژن وارد منطقه شود همه چیز نابود خواهد شد. حتی اگر سفید چاله ها خیلی قبل تر در کیهان اولیه وجود داشتند اکنون مدت ها پیش از بین رفته اند، زیرا که کیهان ما مملو از مواد می باشد.

تعدادی از فیزیکدانان هستند که فکر می کنند سفید چاله ها 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 سیاهچاله ها می افتد، با استفاده از معادلات فیزیک تئوری که گرانش کوانتوم حلقه نام دارد، کارمی کنند.

در تئوری، تکنیگی یک سیاهچاله تا اندازه ای منقبض و فشرده می شود که به کوچکترین اندازه ی ممکن در معادلات فیزیکی می رسد این تکنیگی می تواند تبدیل یه سفید چاله شود اما به خاطر اتساع شدید زمان در سیاهچاله، میلیاردها سال زمان می برد تا حتی کمترین اجرام موجود بتوانند تغییر حرکت بدهند.

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

ایده ی جالب دیگری که توسط فیزیکدان ها مطرح شده این است که سفید چاله ها می توانند توضیحی برای مهبانگ باشند زیرا که سفید چاله گونه ای دیگر از شرایطی است که در آن مقدار عظیمی از ماده و انرژی خود به خود ظاهر می شود.

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

اگر سفید چاله ها وجود داشتند همانند یک سیاهچاله ی معکوس عمل می کردند

اگر درون یک سیاهچاله سقوط کنیم، چه اتفاقی می افتد؟

سیاهچاله یک منطقه در فضا-زمان با چگالی و کشش گرانشی بالاست که هیچ چیز حتی نور نمی تواند 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 می کند و در فرایند هولناک «Spaghettification» (رشته رشته)، کش می آید و به رشته های اسپاگتی مانند تبدیل می شود.

به عنوان مثال اگر یک ذره نور از افق رویداد سیاهچاله عبور کند، طول موج آن بلندتر و بلندتر می شود و انرژی خود را تا مرحله ای که دیگر قابل شناسایی نباشد، از دست می دهد. در مقابل، یک سفیدچاله همه چیز را مانند فواره ای از شکلات سفید به بیرون پرتاب می کند.

به عبارت دیگر سیاهچاله ها به هیچ ماده ای در صورت ورود، اجازه خروج نمی دهند درحالی ‌که سفیدچاله ها فوران ماده و انرژی هستند و هیچ چیز نمی ‌تواند وارد آن ها شود. هرچند انتظار می رود این چاله ‌ها، جاذبه داشته باشند اما شئ که به سمت سفیدچاله جذب شود هیچ گاه به افق رویداد آن نخواهد رسید.

سفیدچاله ها درواقع توجیه‌های احتمالی قوانین نسبیت عام هستند. این قوانین می گویند؛ اگر سیاهچاله ها در جهان هستی وجود داشته ‌باشند، سفیدچاله ها که عکس سیاهچاله ها عمل می کنند نیز باید در این جهان وجود خارجی داشته ‌باشند.

سفیدچاله ها در واقع مانند سیاهچاله ها مسیرهایی یک طرفه هستند. به ‌عبارت دیگر اگر فرض کنیم سیاهچاله جایی است که می توانیم به آن وارد شویم اما هرگز نمی توانیم از آن فرار کنیم،

سفیدچاله را باید جایی در نظر بگیریم که می توانیم آن را ترک کنیم اما هرگز نمی توانیم به آن برگردیم. سفیدچاله ها و سیاهچاله ها از نظر ریاضی و هندسی ساختار مشابهی دارند. به این معنا که هردو ناحیه ای از فضا-زمان هستند که مقادیر زیادی ماده در کوچکترین حجم ممکن فشرده شده است.

سفیدچاله ها نیز مانند سیاهچاله ها دارای جرم، بار الکتریکی، تکانه زاویه ای (کمیتی بُرداری که برای بیان وضعیت سیستم های درحال حرکت دورانی استفاده می ‌شود) و منطقه افق رویداد در اطراف خود هستند.

سفیدچاله ها مانند سیاهچاله ها دارای جرم، بار الکتریکی، تکانه زاویه ای هستند

گذار از سیاهچاله به سفید چاله

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

یعنی به سفیدچاله ها تبدیل شوند و تمام ماده ای 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 می شود اما چون گرانش باعث اتساع زمان می ‌شود، ناظر خارجی می بیند که سیاهچاله، بسته به اندازه اش، میلیاردها یا هزاران میلیارد سال و حتی بیشتر عمر می کند. سیاهچاله یا ستاره ای که تحت نیروی گرانش اش، به درون خود فرو می ریزد و به اصطلاح می رُمبد، به نقطه ای می رسد که دیگر نمی تواند بیشتر از آن فشرده شود.

دنیای مرموز سفیدچاله ها

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

سیاهچاله ها اجرامی کیهانی هستند که به خوبی در چارچوب این قانون عمل می کنند زیرا می توانند اشیای فضایی را درطول دوره های زمانی به درون خود ببلعند و به این ترتیب با گسترانیدن ماده تشکیل‌دهنده خود در فضایی گسترده تر به آشفتگی اطراف خود بیفزایند.

درمقابل، سفیدچاله ها به لحاظ نظریه برخلاف قانون دوم ترمودینامیک به اشیا و مواد پراکنده در فضا نظم می دهند. به طور طبیعی هر پدیده ای که چنین قانون جهانی ای را نقض کند قطعا باید بسیار ناپایدار باشد بنابراین نمی تواند 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 سفیدچاله ها

طبق فرضیه «پل انیشتین-روزن» که در سال 1935 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 می کند. به طوری ‌که ورودی سیاهچاله و خروجی سفیدچاله در دو جهان کاملا متفاوت قرار می گیرد.

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 می کند بنابراین یک سفیدچاله می ‌تواند جرمی را که در یک سیاهچاله سقوط می کند بعد از سفر در طول یک کرم چاله بیرون بیندازد و از منطقه دیگری در فضا یا زمان سر دربیاورد. این فرضیه نقص هایی دارد.

یک کرم چاله آن ‌قدر بی ثبات است که بلافاصله روی خودش فرو می ریزد. همچنین هر جرمی که وارد یک سیاهچاله شود بر اثر نیروهای گرانشی بسیار بزرگ، تکه تکه می شود. 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 انسان ها می دهند 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 حالت های ممکن را در فضای فاز طی می کند، و در نهایت حافظه اش را که از کجا شروع کرده به کلی از دست می دهد. این یعنی اگر ما برای مدتی طولانی رفتار سیستم را مورد مطالعه قرار دهیم، نمی توانیم جهت مرجحی برای زمان پیدا کنیم؛ هر طرحی از رفتار سیستم کاملا می تواند در جهت معکوس هم اتفاق بیفتد. اگر در بازه از زمان سیستم ما تنها ذرات بدون جرم داشته باشد و در زمان های بعدی افت و خیزهای فضای فاز این ذرات باعث ایجاد سیاه چاله ای شود که بعدها بخار می شود، فرآیند معکوس نیز کاملا محتمل است. هر از چند گاهی باید ببینیم که ذراتی بدون جرم از بین می روند، و طی این نابود شدن معکوس زمانی یک سیاه چاله، یک سفیدچاله، را تولید می کنند. این سفید چاله کمی بعدتر ذرات بدون جرمی از خود ساطع می کند.

در نسبیت عام کلاسیک، تصور می شد که “اصلی سانسور کیهانی” برقرار باشد. این اصل بیان می کند که هیچ تکینگی برهنه ای 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 نمی تواند به بینهایت فرار کند می گویم که افق رویداد تکینگی را سانسور می کند. این اصل وجود سفیدچاله ها را به عنوان تکینگی های برهنه رد می کند. اما، اگر ما اثرات کوانتومی را در بررسی سیاه چاله ها دخیل بدانیم، آن وقت تکینگی های برهنه، اگر از متریک های کلاسیک استفاده کنیم، وجود خواهند داشت.

همان جعبه را در نظر بگیرید، در جهت مثبت زمان، در بیشتر زمان ما سیاه چاله ای می بینیم که با نرخی تقریبا مساوی با نرخ جسم سیاه، جذب و تابش می کند. بنابراین، اگر ما این فرض معقول را بکنیم که گسیل از سفیدچاله ها ربطی به محیط اطراف ندارد، نتیجه می شود که نرخ تابش همان نرخ تابش سیاه چاله ای با جرم، بار و تکانه زاویه ای یکسان است. با دیدگاه ترمودینامیکی فرآیند های شکل گیری و تبخیر سیاه چاله ها معکوس یکدیگرند. به معنای دیگر، یک سیاه چاله می تواند به طرق بسیار متعددی از از گراویتون ها، فوتون ها و نوترینو ها تشکیل شود، که بیشترین احتمال برای حالتی با گسیل گرمایی است.

این و نتیجه قبل نشان می دهد که سفید چاله ها و سیاه چاله ها 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 چاله ها و سفیدچاله ها 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 متریک ها تعریف کنیم، آن وقت متریک هایی که یک ناظر در انتگرال لحاظ می کند کاملا بستگی به موقعیتی دارد که می خواهد آن را توضیح دهد، که به نوبت به اندازه گیری هایی که انجام شده ربط دارد.

ناظری که خود را بیرون یک تکینگی اندازه گیری می کند، می تواند 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 می آیند. در مریک سفید چاله به نظر می رسد که ذرات توسط میدان گرانشی نابود می شوند و باز به نظر می رسد که در گذشته ذرات از درون تکینگی به بیرون ساطع شده اند. ناظری که خودش را در حال فروافتادن اندازه گیری می کند، ذرات گسیلی را نمی بیند و تنها از متریک سیاه چاله استفاده می کند. مشابها، در پدیده ساختن و گسیل کردن از یک سیاه چاله، یک ناظر خود را گسیل شده از یک سفید چاله متصور می شود و تنا از متریک سفید چاله استفاده می کند.

تصویری که تا به حال از سفیدچاله ها داده می شد، معکوس زمانی رمبش یک توده غبار است. اما ما می توان نشان داد که ما نمی توانیم 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 چاله ها به صورت پیوسته تابش می کنند. این گسیل کاملا کاتوره ای است و تمام حالت های فضای فاز در این فرآیند امکان پذیر است و همه آنها هم احتمال هستند. البته این احتمال وجود دارد که سفیدچاله ای 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 فرآیند ها به کل فرآیند های ممکن بسیار کوچک است.  

آینده سفیدچاله ها

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

گردآوری: بخش علمی