آشنایی با سفیدچاله؛ پدیده‌ی کیهانی مرموز در دل نسبیت اینشتین

تنها اگر علاقه‌مند به عمیق شدن در مفاهیم کیهان‌شناسی و فضا-زمان باشید، شاید بتوانید به درک مفهوم سفیدچاله نزدیک شوید. این مفهوم نظری هنوز هم ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است و تا جایی که هم‌اکنون توصیف می‌شود، سفیدچاله یک پدیده‌ی کیهانی تئوری است که عملکردی برعکس سیاهچاله دارد. همان‌طور که هیچ چیز نمی‌تواند از سیاهچاله فرار کند، هیچ چیز هم نمی‌تواند وارد سفیدچاله شود.

فهرست محتوا

سفیدچاله چیست؟
تفاوت سفیدچاله و سیاهچاله
دوقلوهای تئوری
دلیل وجود نداشتن سفیدچاله
دلیل وجود داشتن سفیدچاله
شواهد وجود سفیدچاله
سفیدچاله‌ی نهایی
جمع‌بندی

تا مدت‌ها تصور می‌شد که سفیدچاله تنها مفهومی موهومی از نسبیت عام است که از همان معادلات همتایان ستاره‌ای فروپاشیده‌اش یعنی سیاهچاله‌ها، برگرفته شده است. اخیرا برخی از نظریه‌پردازان این پرسش را مطرح کرده‌اند که آیا ممکن است این گردابه‌های دوقلوی فضا-زمانی دو روی یک سکه باشند؟

برای سرنشینان یک فضاپیما که از دور تماشا می‌کنند، یک سفیدچاله دقیقا مانند یک سیاهچاله به نظر می‌رسد؛ یعنی جرم دارد، ممکن است بچرخد و حلقه‌ای از گرد و غبار و گاز می‌تواند در اطراف افق رویداد آن (مرز حبابی که جرم را از بقیه‌ی جهان جدا می‌کند) جمع شود. با این حال اگر آن‌ها به تماشا ادامه دهند، ممکن است شاهد رویدادی باشند که برای یک سیاهچاله غیرممکن است: یک آروغ ستاره‌ای! به گفته‌ی «کارلو روولی» (Carlo Rovelli) فیزیکدان نظری مرکز فیزیک نظری در فرانسه «فقط در لحظه‌ای که چیزهایی به بیرون پرتاب می‌شوند، می‌توانید بگویید این یک سفیدچاله است.»

فیزیکدانان سفیدچاله را به عنوان «وارونگی زمان» یک سیاهچاله توصیف می‌کنند. به نوعی ویدیویی از یک سیاهچاله که رو به عقب پخش می‌شود، همان‌طور که یک توپ جهنده، وارونگی زمانی یک توپ در حال سقوط به شمار می‌رود. در حالی که افق رویداد یک سیاهچاله کره‌ای بدون خروجی و بازگشت است، افق رویداد یک سفیدچاله مرزی بدون ورود است و به نوعی اختصاصی‌ترین محیط فضا-زمان به شمار می‌رود، چون هیچ فضاپیمایی هرگز به لبه‌ی این منطقه نخواهد رسید.

چیزهای درون یک سفیدچاله می‌توانند از آن خارج شوند و با جهان بیرونی تعامل داشته باشند، اما با توجه به اینکه هیچ چیز نمی‌تواند وارد آن شود، فضای داخلی آن از گذشته‌ی جهان جدا می‌شود و بدین ترتیب هیچ رویداد خارجی هرگز بر داخل آن تأثیر نخواهد گذاشت. به گفته‌ی «جیمز باردین» (James Bardeen) سیاهچاله‌شناس و استاد بازنشسته‌ی دانشگاه واشنگتن «به نوعی یک موضوع خیلی شگفت‌انگیزتر این است که یک تکینگی در گذشته وجود داشته باشد که بتواند بر همه چیز در جهان خارج تأثیر بگذارد.»

سفیدچاله چیست؟

«سفیدچاله» (White Hole) در حال حاضر مفهومی صرفا نظری (تئوری) است که از راه حل‌های نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین که توسط کارل شوارتزشیلد در سال 1916 و تنها یک سال پس از انتشار اولیه‌ی نسبیت عام ابداع شد، ناشی می‌شود. طبق ریاضیات او سیاهچاله‌های جهان به عنوان اجرام کاملا فروپاشیده توصیف می‌شوند.

از سویی در نظریه‌ی نسبیت عام هیچ چیزی وجود ندارد که جهت پیشروی زمان را تعیین کند. می‌توانید ساعت را در جهت خاص فعلی قرار دهید و تصویری را دریافت کنید که در آن، گرانش اجرام را جذب می‌کند و همه چیز به درون یک سیاهچاله می‌افتند. اما می‌توانید جهت مخالف جریان آشنای زمان را هم انتخاب کنید تا اثر معکوس داشته باشید. بدین ترتیب علاوه بر یک سیاهچاله، طبق ریاضیات شوارتزشیلد با وارونه کردن شیوه‌ی عملکرد زمان، یک سفیدچاله شکل می‌گیرد.

سفیدچاله در تئوری به نوعی ناحیه‌ای از فضاست که عملکردی عکس سیاهچاله دارد.
Credit: Future/Adam Smith

تفاوت سفیدچاله و سیاهچاله

بنابراین به مفهوم خیلی ساده شده، سفیدچاله، معکوس سیاهچاله است. در یک سیاهچاله، یک میدان گرانشی شدید وجود دارد که همه چیز را به درون خود می‌کشد. یک غشای یک طرفه به نام افق رویداد دارید که اگر از آن بگذرید اسیر می‌شوید و دیگر راه گریزی از سیاهچاله ندارید. گرانش شما را به دام انداخته است و آینده‌ی شما مقدر شده است که در مرکز سیاهچاله باشد، مهم نیست چه کاری انجام دهید.

یک سفیدچاله اما برعکس است و تقریبا مانند یک جرم پادگرانش است که به طور بی‌پایان مواد را به بیرون می‌راند. در یک سفیدچاله، یک «افق رویداد» (Event Horizon) وجود دارد که مواد داخلی از آن گذشته و به جهان بیرون رانده می‌شوند. بدین ترتیب شما هیچ گاه نمی‌توانید وارد سفیدچاله شوید.

بنابراین در سیاهچاله، می‌توانید به سمت درون و نه بیرون حرکت کنید، اما در یک سفیدچاله، می‌توانید به سمت بیرون حرکت کنید اما راهی به سمت داخل ندارید.

دوقلوهای تئوری

در سال 1915 بود معادلات میدان اینشتین مانند یک سونامی به دنیای فیزیک ضربه زد و هنوز هم نظریه‌پردازان در حال بررسی بقایای آن هستند. فرضیه‌های او فراتر از توصیف نیروی گرانش، پیامی تکان‌دهنده درباره‌ی مفهوم «واقعیت» نیز به همراه داشت. اینکه فضا و زمان، بیش از یک پس‌زمینه‌ی سفت و سخت، همراه با جرم ستارگان و سیارات خم و تا می‌شوند. چنین دیدگاهی باعث توجه پژوهشگران به محاسبه‌ی میزان تأثیری شد که ماده می‌تواند بر فضای اطراف خود داشته باشد.

از جمله در عرض یک سال «کارل شوارتزشیلد» (Karl Schwarzschild) فیزیک‌دان و ستاره‌شناس، نخستین راه حل دقیق معادلات اینشتین را با محاسبه‌ی چگونگی انحنای فضا-زمان در اطراف یک توپ جرمی واحد، پیدا کرد. در ادامه‌ی فعالیت‌های او، بذر چیزی که فیزیک‌دانان امروزه آن را تکینگی می‌نامند، کاشته شد؛ یک جرم کروی که به یک نقطه‌ی بی‌نهایت چگال تبدیل شده و فضای اطراف خود را چنان در هم می‌پیچد که این منطقه از بقیه‌ی جهان جدا می‌شود. یک دنیای متمایز که افق رویداد آن، پیوند بین علت و معلول را می‌شکند.

بدین ترتیب سیاهچاله‌ها به عنوان معروف‌ترین تکینگی‌ها، مناطقی از فضا هستند که چنان تاب برداشته‌اند که هیچ راه خروجی از آن‌ها وجود ندارد. جهان بیرونی می‌تواند بر درون افق یک سیاهچاله اثر بگذارد، اما درون آن نمی‌تواند بر بیرون آن اثری داشته باشد.

طرحی از سیاهچاله و سفیدچاله با تکینگی مشترک
Credit: NASA/FQtQ

در سال 1960 «مارتین دیوید کروسکال» (Martin David Kruskal) توصیف شوارتزشیلد از سیاهچاله را گسترش داد تا تمام حوزه‌های فضا-زمان را پوشش دهد. تصویر جدید او شامل بازتاب تکینگی سیاهچاله هم بود، هرچند او در آن زمان متوجه اهمیت آن نشد. بعدها، با ورود سیاهچاله‌ها به زبان عامیانه، یک اصطلاح منطقی برای دوقلوهای تئوری آن‌ها هم شکل گرفت. چنان‌که روولی اشاره می‌کند 40 سال طول کشید تا سیاهچاله‌ها را بفهمیم و اکنون مردم بر سفیدچاله‌ها تمرکز کرده‌اند.

دلیل وجود نداشتن سفیدچاله

در حالی که نسبیت عام، سفیدچاله‌ها را از دیدگاه تئوری توصیف می‌کند، اما هیچ کس نمی‌داند که چگونه ممکن است یکی از آن‌ها واقعا تشکیل شود. یک سیاهچاله وقتی شکل می‌گیرد که همه‌ی جرم یک ستاره به حجم کوچکی فرو می‌ریزد اما وقوع این رویداد به صورت معکوس از نظر فیزیکی منطقی نیست. اینکه یک افق رویداد به یک ستاره تبدیل شود، مانند تخم مرغی است که از حالت املت به حالت یکپارچه درمی‌آید و این نقض قانون آماری است که بیان می‌کند جهان با گذشت زمان آشفته‌تر می‌شود.

حتی اگر سفیدچاله‌های بزرگی تشکیل شوند، احتمالا خیلی پایدار نخواهند ماند. هر ماده‌ی خروجی به شدت با ماده‌ی موجود در مدار سفیدچاله برخورد می‌کند و این سیستم در نهایت به یک سیاهچاله فرو می‌ریزد. بنابراین چنان‌که «هال هاگارد» (Hal Haggard) فیزیک‌دان نظری کالج بارد نیویورک یک سفیدچاله با عمر طولانی را بسیار بعید می‌داند.

دلیل وجود داشتن سفیدچاله

اما دلایلی هم برای احتمال واقعی بودن سفیدچاله هست. هرچند تا مدتی به نظر می‌رسید که سفیدچاله هم سرنوشت کرم‌چاله را دارد. یعنی مانند این تونل‌های ریاضی فضا-زمانی که احتمالا در واقعیت وجود نداشته باشند، در جهان فیزیکی دیده نشوند. در سال‌های اخیر اما برخی از فیزیک‌دانان، در تلاش برای بیان مفهوم سیاهچاله، سفیدچاله‌ها را هم احیا کرده‌اند.

از زمانی که «استیون هاوکینگ» (Stephen Hawking) در دهه‌ی 1970 میلادی متوجه شد که سیاهچاله‌ها نشت انرژی دارند، فیزیک‌دانان درباره‌ی چگونگی انقباض و مرگ این موجودات بحث کرده‌اند. اگر یک سیاهچاله تبخیر شود، چه اتفاقی برای همه‌ی چیزهایی که بلعیده است، می‌افتد؟ نسبیت عام اجازه‌ی خروج اطلاعات را نمی‌دهد و مکانیک کوانتومی حذف آن را ممنوع می‌کند. با اعمال معکوس زمان بر فرآیندهای سیاهچاله‌ای، برخی از دانشمندان حدس می‌زنند که سفیدچاله‌ها می‌توانند به طور مشابه ماده و نور را به عنوان یک فرآیند فیزیکی منعکس کننده تابش هاوکینگ ساطع کنند. به گفته‌ی روولی نمی‌دانیم که یک سیاهچاله چگونه می‌میرد. اما شاید شکل‌گیری یک سفیدچاله مرگ یک سیاهچاله باشد. از سویی هرچند این دو موضوع به خوبی به هم مرتبطند، اما در گذر از یکی به دیگری باید معادلات نسبیت عام نقض شود.

روولی بنیانگذار گرانش حلقه‌ی کوانتومی است که تلاشی ناقص برای فراتر رفتن از نسبیت عام با توصیف خود فضا به عنوان بستر ساخته شده از ذرات به سبک لگو محسوب می‌شود. او و دیگران با راهنمایی ابزارهای این چارچوب، سناریویی را توصیف می‌کنند که در آن یک سیاهچاله به اندازه‌ای کوچک می‌شود که دیگر از قوانین شناخته شده برای ستارگان و توپ‌های بیلیارد پیروی نمی‌کند. در سطح فیزیک ذرات، تصادفی بودن کوانتومی غلبه می‌کند و سیاهچاله می‌تواند به یک سفیدچاله تبدیل شود.

روند تشکیل سفیدچاله با در نظر گرفتن اثر کوانتومی

به گفته‌ی هاگارد چنین سفیدچاله‌ای با اندازه‌ی میکروگرم که از نظر جرم مشابه تار موی انسان است، هیچ یک از چالش‌های گرانشی همتای پیشین سیاهچاله‌ای خود را نخواهد داشت، اما یک فضای داخلی غار-مانند را در خود نهفته دارد که اطلاعات هر چیزی را که سیاهچاله بلعیده است، شامل می‌شود. سفیدچاله که برای جذب ماده‌ی در حال چرخش بسیار کوچک است، ممکن است به اندازه‌ی کافی پایدار بماند تا در نهایت تمام اطلاعات جمع‌آوری شده توسط جد سیاهچاله‌ای خود را به بیرون بریزد.

در چنین دیدگاهی، پس از اینکه ستارگان سوختند و سیاهچاله‌ها از بین رفتند، سفیدچاله‌ها روزی بر جهان مسلط می‌شوند. هاگارد حدس می‌زند که در آن زمان هر ناظری می‌تواند به راحتی این اجرام را به عنوان ذرات نسبتا بزرگی تشخیص دهد، اما چنین روزی تریلیون‌ها برابر سن فعلی جهان در آینده خواهد بود.

بدین ترتیب فرضیاتی برای شکل گرفتن سفیدچاله‌ها وجود دارد اما هنوز هیچ یک کامل نیستند و قطعیتی در وجود چنین پدیده‌هایی نیست.

شواهد وجود سفیدچاله

باید تأکید کرد که تا کنون هیچ نشانه‌ای از وجود سفیدچاله در جهان واقعی یافت نشده است. هرچند در مورد برخی پدیده‌های عجیب در کیهان گمانه‌زنی‌هایی وجود دارد که ممکن است نشانه‌هایی از سفیدچاله داشته باشند اما در نهایت هنوز هیچ چیزی وجود ندارد که بتوانیم مانند سیاهچاله که می‌بینیم، به آن اشاره کنیم و بگوییم این یک سفیدچاله است!

شاید این موضوع به دلیل انتخابی باشد که ما در رابطه با گذشته و آینده انجام می‌دهیم. شاید تنها یک انتخاب واقعی و آن هم در جهت آینده وجود داشته باشد؛ به این معنی که با پیشروی زمان به جلو، ما فقط می‌توانیم راه حل سیاه‌چاله‌ای داشته باشیم. برخی از دانشمندان معتقدند واقعیت جهان نامتقارن که باعث می‌شود ما فقط آغاز را با مه‌بانگ ببینیم و آینده‌ای بی‌نهایت را پیش روی خود داشته باشیم، یک جهت زمانی یک طرفه را تعیین می‌کند که آینده‌ی آن در جهان نوشته می‌شود و بدین ترتیب فقط راه حل سیاهچاله‌ای می‌تواند وجود داشته باشد.

بنابراین اگرچه یک سفیدچاله از نظر ریاضی امکان‌پذیر است اما این واقعیت که جهان ما نامتقارن است، به این معنی است که این اجرام از نظر فیزیکی تحقق پیدا نمی‌کنند.

طرحی فرضی از یک سفیدچاله

از سویی با توجه به اینکه سفیدچاله جایی است که همه چیز با انرژی زیادی به بیرون پرتاب می‌شود، دانشمندانی مانند «راجر پنروز» (Roger Penrose) این نظریه را مطرح می‌کنند که یک سفیدچاله مانند خروجی برای یک سیاهچاله در جهان دیگر است. مواد در یک جهان به درون یک سیاهچاله می‌افتند و از طریق یک سفیدچاله به جهان دیگر پرتاب می‌شوند.

بنابراین پژوهشگران به دنبال مکان‌هایی بوده‌اند که به نظر می‌رسد انرژی در حال تزریق به جهان است، اما هنوز چیزی که امضای متمایز یک سفیدچاله را داشته باشد، کشف نشده است.

سفیدچاله‌ی نهایی

از سوی دیگر، پیامدهای یک سفیدچاله ممکن است در همه جای جهان ما وجود داشته باشد. از نظر برخی فیزیک‌دانان سیاهچاله، خودِ انفجار ماده و انرژی در بیگ بنگ، مانند رفتار بالقوه‌ی یک سفیدچاله به نظر می‌رسد. به گفته‌ی هاگارد، در هر دو مورد هندسه بسیار مشابه است. حتی تا حدی که گاهی اوقات از نظر ریاضی یکسان هستند و می‌توانند در امتداد هم باشند.

نظریه پرش بزرگ
Credit: Samuel Velasco/Quanta Magazine

کیهان‌شناسان چنین نگرشی را «پرش بزرگ» (Big Bounce) می‌نامند و برخی به دنبال ویژگی‌های مشخصه‌ی سفیدچاله در نخستین نور قابل مشاهده در جهان هستند. برخی حتی این پرسش (تا حد زیادی بعید) را مطرح می‌کنند که آیا فوران‌های رادیویی سریع، فریادهای سیاهچاله‌های کوچک نظری باقی مانده از مه‌بانگ را نشان می‌دهند که در ابتدای تبدیل به سفیدچاله‌ها رخ می‌دهند؟

هرچند جهان ممکن است خود را به تمام اشکالی که نسبیت عام اجازه می‌دهد، تغییر شکل ندهد، اما به گفته‌ی هاگارد فیزیک‌دانان باید این معما را تا انتها دنبال کنند. اینکه آیا سفیدچاله‌ها پیامدهای جالب توجهی دارند یا خیر؟ شاید این پیامدها چیزی نباشند که انتظار دارید، اما نادیده گرفتن آن‌ها هم کار درستی نیست.

جمع‌بندی

درک سفیدچاله‌ها همچنان یکی از اسرارآمیزترین و چالش‌برانگیزترین موضوعات در کیهان‌شناسی به شمار می‌رود. سفیدچاله یک پدیده‌ی فرضی است که در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین ریشه دارد و به عنوان معکوس سیاهچاله شناخته می‌شود؛ جایی که برخلاف سیاهچاله که هیچ چیز از آن نمی‌گریزد، هیچ چیز نمی‌تواند وارد سفیدچاله شود. اما سفیدچاله‌ها در حال حاضر فقط بر پایه‌ی ریاضیات شکل گرفته‌اند و هنوز مدرکی تجربی برای وجود آن‌ها در جهان فیزیکی مشاهده نشده است. برخی از فیزیک‌دانان آن را به‌عنوان وارونگی زمانی سیاهچاله می‌شناسند، اما سازوکار شکل‌گیری آن‌ها همچنان ناشناخته باقی مانده است.

با وجود این ابهامات، سفیدچاله‌ها همچنان در نظریه‌های نوین فیزیکی جایگاه خود را دارند و در برخی مدل‌ها، مانند مدل گرانش کوانتومی حلقه‌ای، نقش مهمی در توصیف رفتار نهایی سیاهچاله‌ها ایفا می‌کنند. حتی برخی دانشمندان احتمال می‌دهند که سیاهچاله‌ها در پایان عمر خود ممکن است به سفیدچاله تبدیل شوند و اطلاعات بلعیده شده را به کیهان بازگردانند. هرچند این فرضیه‌ها هنوز اثبات نشده‌اند، اما نشان می‌دهند که سفیدچاله‌ها ابزار مفهومی مهمی در درک بهتر فضا-زمان و سرنوشت نهایی کیهان هستند.

عکس کارو: طرحی گرافیکی از یک سفیدچاله
Credit: Baperookamo/Wikipedia

منابع: Space, How Stuff Works, Science Focus, Sky at Night

نوشته آشنایی با سفیدچاله؛ پدیده‌ی کیهانی مرموز در دل نسبیت اینشتین اولین بار در دیجی‌کالا مگ. پدیدار شد.

منبع