معادلاتی فراتر از تئوری نسبیت عام اینشتین!
مجله علمی ایلیاد - وقتی که ستارهها از هم میپاشند، میتوانند سیاهچالهها را بهوجود بیاورند؛ این فرآیند در همهی مکانهای جهان در حال انجام است و بنابراین مطالعهی آن از اهمیت بالایی برخوردار است. سیاهچالهها اجسام رازآلودی هستند که لبهی بیرونی آنها «افق رویداد» نامیده میشود و همهچیز حتی نور را به سمت خود میکشد. نظریهی نسبیت عام اینشتین پیشبینی میکند که اگر جسمی به درون افق رویداد سقوط کند، در مرکز سیاهچاله یا نقطهی یکتایی، در هم میشکند و به مسیر خود خاتمه میدهد. در این نقطهی یکتایی، جاذبهی گرانشی نامحدود است و همهی قوانین شناختهشدهی فیزیک، شامل نظریهی اینشتین نیز در آنجا از درجهی اعتبار ساقط هستند. فیزیکدانان نظری با حل معادلات ریاضیاتی پیچیده، در چند دههی گذشته این سوال را مطرح میکنند که آیا این نقاط یکتایی در واقعیت نیز وجود دارند یا خیر؟
تا کنون موفقیت کمی در این زمینه حاصل شده است. پروفسور «پارامپریت سینگا» به همراه «خاویر اولمدوس» و «ابهای اشتیکار» همکاران وی از بخش فیزیک و نجوم دانشگاه LSU، معادلات ریاضیاتی جدیدی نوشتهاند که تا فراتر از نظریهی نسبیت عام اینشتین را شامل شده و محدودیت کلیدی آن، یعنی نقطهی یکتایی در مرکز سیاهچاله را ندارد. این مطالعه اخیراً به چاپ رسیده و مورد توجه جامعهی فیزیک آمریکا قرار گرفته است.
فیزیکدانان نظری در دههی ۱۹۹۰، نظریهای به نام «گرانش کوانتومی حلقوی» را توسعه دادهاند که قوانین فیزیک کوانتوم را با گرانش ترکیب میکند و دینامیک فضا و زمان را توضیح میدهد. معادلات جدید اشتیکار، اولمدوس و سینگا، سیاهچالهها را در گرانش کوانتومی حلقوی تعریف میکند و نشان میدهد، در سیاهچالهها نقطهی یکتایی وجود ندارد.
سینگا میگوید: «در نظریهی اینشتین، فضا-زمان چیزی است که میتواند به خواست ما، به هر اندازهی کوچکی تقسیم شود. همین موضوع دلیل اصلی وجود نقطهی یکتایی است که در آنجا میدان گرانشی به سمت بینهایت میل میکند. در گرانش کوانتومی حلقوی، فضا-زمان دارای ساختاری موزاییکی است که نمیتوان آنرا به اندازههای کوچکتر از هر موزاییک تقسیم کرد. ما نشان دادهایم که درون سیاهچالهها این وضعیت وجود دارد و نقطهی یکتایی به طور کل وجود خارجی ندارد.»
در نظریهی گرانش کوانتومی حلقوی، یکتایی وجود ندارد، ولی به جای آن پیشبینی میشود که سیاهچاله با یک قیف به بخش دیگری از فضا-زمان متصل باشد. اشتیکار بهعنوان یکی از بنیانگذاران نظریهی گرانش کوانتومی حلقوی، میگوید: «ابعاد این هندسهی موزاییک شکل، به نام «تهییج کوانتومی» شناخته میشود که مشکل یکتایی را برطرف میکند، به اندازهای کوچک است که با تکنولوژیهای امروزی ما قابل تشخیص نیست، ولی ما توانستهایم با معادلات ریاضیاتی دقیق رفتار آنها را پیشبینی کنیم.»
سینگا میگوید: «ما در دانشگاه LSU با استفاده از ابرکامپیوترهای پیشرفته، در حال توسعهی بهترین روشهای محاسباتی برای استخراج دستآوردهای فیزیکی از این معادلات بودهایم و بدین ترتیب، گرانش کوانتومی را مورد آزمایش قرار دادهایم.»
نظریهی اینشتین نه تنها در مرکز سیاهچاله دارای ایراد است، بلکه در توضیح نحوهی شکلگیری جهان پس از یکتایی ناشی از انفجار بزرگ نیز عاجز است. بنابراین حدود یک دهه پیش، اشتیکار، سینگا و دیگر همکاران آنها شروع به بسط فیزیک در ماورای انفجار بزرگ کردند و پیشبینیهای جدیدی با استفاده از گرانش کوانتومی حلقوی انجام دادهاند. آنها با استفاده از معادلات ریاضیاتی و روشهای محاسباتی گرانش کوانتومی حلقوی، نشان دادند که انفجار بزرگ را باید با «پرش بزرگ» جایگزین کرد. ولی با این حال، غلبه بر مشکل وجود یکتایی در سیاهچاله، دارای پیچیدگیهای زیادی است.
«جورج پورین»، استاد فیزیک نظری در دانشگاه LSU که در این مطالعه حضور نداشته میگوید: «از دید من، سرنوشت سیاهچاله در نظریهی گرانش کوانتومی به عنوان مهمترین مسالهی فیزیک نظری مشخص شده است.»
نوشته: آلیسون ساتاک
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد