سیاهچالهها اغلب به عنوان غولهای کیهانی به تصویر کشیده میشوند که ستارهها را میبلعند و به کل کهکشانها شکل میدهند. اما برخی از جذابترین سیاهچالههایی که علم فیزیک پیشبینی کرده است، میتوانند بسیار کوچکتر از یک اتم باشند. دهههاست که دانشمندان میدانند نظریه نسبیت انیشتین اجازه میدهد این سیاهچالههای میکروسکوپی تحت شرایطی خارقالعاده شکل بگیرند؛ اما مشکل اصلی، اثبات دقیق چگونگی رخ دادن این پدیده بود.
اکنون محققانی از «دانشگاه گوته فرانکفورت» و «دانشگاه فنی وین» (TU Wien) به یک موفقیت بزرگ دست یافتهاند. آنها با استفاده از یک رویکرد ریاضی غیرمعمول، توانستهاند اولین فرمول دقیقی را استخراج کنند که فرآیندی موسوم به «فروپاشی بحرانی» (Critical Collapse) را توصیف میکند؛ پدیدهای که درست در مرز بین فضا-زمان معمولی و تشکیل یک سیاهچاله قرار دارد.
این نتیجه، یک توجیه تحلیلی را که مدتها به دنبالش بودند برای رفتاری ارائه میدهد که پیش از این تنها در شبیهسازیهای کامپیوتری دیده شده بود.
نقطه عطفی پنهان در فضا-زمان
در زندگی روزمره، سیستمها گاهی میتوانند به یک نقطه بحرانی برسند که در آن، یک تغییرِ تقریباً نامحسوس باعث ایجاد یک دگرگونی چشمگیر میشود. تبدیل شدن آب به یخ یک نمونه آشنا از این دست است.
پروفسور دانیل گرومیلر از دانشگاه فنی وین میگوید:
گاهی اوقات یک علت کوچک و بهظاهر ناچیز برای ایجاد یک تغییر بزرگ و دراماتیک کافی است. برای مثال، آب مایع را در دمای صفر درجه سانتیگراد (۳۲ درجه فارنهایت) در نظر بگیرید. یک تغییر بسیار کوچک کافی است تا آب منجمد شود. سپس مولکولهای آب به طور خودجوش در یک الگوی منظم آرایش مییابند و یک بلور یخ را تشکیل میدهند.
فیزیکدانان بر این باورند که فضا-زمان نیز میتواند دستخوش گذار (انتقال) مشابهی شود.
بر اساس نظریه نسبیت انیشتین، ماده و انرژی به هندسه فضا-زمان شکل میدهند. اجرام عظیمی مانند ستارهها انحواهای شدیدی ایجاد میکنند، در حالی که اجسام کوچکتر تأثیرات ضعیفتری دارند. با این حال، تحت شرایطی بسیار خاص، این انحناها میتوانند خود را در ساختاری به طور غیرمنتظره منظم سازماندهی کنند.
فضا-زمان به جای اینکه آشفته باقی بماند، یک الگوی تکرارشونده ایجاد میکند که محققان آن را «بلور فضا-زمان» مینامند.
کریستین اکر از موسسه فیزیک نظری در دانشگاه گوته فرانکفورت توضیح میدهد:
ما میگوییم فضا-زمان توسط جرم منحنی میشود. اجرام بزرگ مانند ستارهها فضا-زمان را به شدت خم میکنند؛ به عنوان مثال، ما میتوانیم این پدیده را زمانی مشاهده کنیم که پرتوهای نور توسط ستارههای پرجرم منحرف میشوند. اما جرمهای کوچکتر نیز انحنای فضا-زمان ایجاد میکنند، فقط به میزان کمتر.
وضعیت عجیب میان «هیچ» و یک «سیاهچاله»
یک بلور فضا-زمان جایگاه غیرمعمولی در فیزیک دارد. این پدیده نشاندهنده یک نقطه تعادل ظریف بین دو نتیجه کاملاً متفاوت است.
گرومیلر میگوید:
این بلور فضا-زمان یک شیء بسیار عجیب و جذاب است. این یک جور حالت واسطه است؛ یک نقطه ناپایدار که میتواند در دو جهت متفاوت تکامل یابد. این بلور ممکن است به سادگی دوباره از هم بپاشد و فضا-زمان معمولیِ پر از ذرات در حال حرکتِ آزاد را به جا بگذارد. اما اگر مقدار ناچیزی انرژی به آن اضافه شود، این تکامل مسیر کاملاً متفاوتی را در پیش میگیرد: این بلور فضا-زمانِ بینظیر و نامحسوس، به یک سیاهچاله تبدیل میشود.
فیزیکدانان این رفتار آستانهای را فروپاشی بحرانی مینامند. این پدیده مرز دقیق بین سیستمی است که به شکلی بیخطر پراکنده میشود و سیستمی که به درون یک سیاهچاله فرو میپاشد.
پیشبینیای که سه دهه برای توجیه علمی منتظر ماند
وجود فروپاشی بحرانی اولین بار در سال ۱۹۹۳ توجهات را به خود جلب کرد؛ یعنی زمانی که شبیهسازیهای کامپیوتری یک الگوی شگفتانگیز را آشکار کردند. فارغ از اینکه سیستم چگونه تنظیم شده بود، به نظر میرسید تشکیل سیاهچاله در نزدیکی آستانه بحرانی از قوانین ریاضی دقیقی پیروی میکند.
این کشف سرنخی به دست داد مبنی بر اینکه یک نظریه عمیقتر در زیر این شبیهسازیها پنهان شده است. با این حال، با وجود دههها تلاش، محققان نتوانسته بودند یک توصیف ریاضی دقیق برای آن استخراج کنند، اما اکنون این چالش پشت سر گذاشته شده است.
این موفقیت بزرگ از نگاه کردن به مسئله به روشی حاصل شد که در ابتدا غیرمنطقی به نظر میرسد: افزایش تعداد ابعاد.
چرا ابعاد بینهایت میتواند فیزیک را سادهتر کند؟
کریستین اکر توضیح میدهد:
جهان ما چهار بعدی است؛ سه بعد فضا و یک بعد زمان. اما در اصل، هیچ چیز مانع از آن نمیشود که معادلات فیزیکی را برای تعداد ابعاد بیشتری بنویسیم؛ پنج بعد، چهل و دو بعد، یا حتی بینهایت بعد.
اگرچه اضافه کردن ابعاد به نظر میرسد که ریاضیات را به طرز غیرممکنی پیچیده میکند، اما ممکن است دقیقاً عکس این اتفاق بیفتد. برخی از ویژگیهای گرانش زمانی که فیزیکدانان آنها را در حد ابعاد بینهایت بررسی میکنند، بسیار سادهتر میشوند.
محققان با حل این مسئله در این محیط فرضی، موفق شدند روابط ریاضیای را کشف کنند که در فضا-زمان چهاربعدیِ معمولی پنهان مانده بود.
چالش بعدی، بازگرداندن و ترجمه این بینشها به مدلهای واقعگرایانه از جهان ماست. در صورت موفقیت، این رویکرد میتواند به ابزار جدید و قدرتمندی برای مطالعه برخی از دشوارترین مسائل در فیزیک گرانش تبدیل شود.
فلوریان اکر از دانشگاه فنی وین میگوید:
کاهش خطای تکنیک ما به طرز چشمگیری پایدار است. بسته به دقتِ مورد نیاز، ما میتوانیم فرمولهای خود را به طور سیستماتیک با استفاده از روشهای تقریبِ اضافی بهبود ببخشیم. این کار روش جدیدی را برای مطالعه پدیدههای مرتبط با سیاهچالهها به ما میدهد که پیش از این امکان تحلیل آنها به صورت تحلیلی وجود نداشت.
منبع: Scitechdaily
