سياهچاله هاي کوانتومي

از حدود 80 سال پيش که فيزيک دانان موفق به ساخت شتاب دهنده هاي ذرات شدند، اين شتاب دهنده ها نه تنها هيچ وقت آنها را نااميد نکرده اند بلکه از حقايق بسياري در دنياي زيراتمي، مانند شکافت اتم ها، تغيير شکل عناصر، ايجاد پادماده و توليد ذراتي که تا به حال در طبيعت ديده نشده بودند، پرده برداشته اند. اگر بخت با آنها همراه باشد، به زودي در برخورد دهنده ي بزرگ هادرون (LHC)، که در آزمايشگاه اروپايي تحقيقات هسته اي در ژنو (سِرن) واقع شده است، موفق به کشفي مي شوند که تمام موفقيت هاي پيش را در سايه ي خود پنهان مي کند؛ در کنار ساير پيش بيني ها، اين شتاب دهنده ممکن است يکي از معماوارترين اجرام دنياي خلقت را توليد کند: سياهچاله ها.
وقتي نام سياهچاله را مي شنويم عموماً ديوهاي سياه رنگ عظيمي را تصور مي کنيم که به راحتي فضاپيماها يا حتي کل يک ستاره را مي بلعند. ولي نگران نباشيد! سياهچاله هايي که احتمالاً در پرانرژي ترين شتاب دهنده ها به دست انسان ايجاد خواهند شد خويشاوندان دور آن اعجوبه هاي اخترفيزيکي خواهند بود. اين نوع سياهچاله ها، اگر توليد شوند، آنقدر کوچک خواهند بود که در مقايسه با ذرات بنيادي ميکروسکوپي محسوب مي شوند. اين سياهچاله ها ستاره ها را در خود نمي مکند، کهکشان ها را نمي چرخانند و خطري هم براي سياره ي دوست داشتني ما يا حيات روي آن نيستند، ولي از جهاتي ويژگي هاي آنها کمي عجيب است. به علت اثرات کوانتومي، آنها طول عمر زيادي ندارند و با مرگ خود قسمت هاي مختلف شتاب دهنده را مانند ديوارهاي چراغاني شده در جشن ها روشن مي کنند. در اين صورت آنها مي توانند کمک بسياري براي درک ما از فضا-زمان و ابعاد بالاتر باشند.

فشاري محکم
 

سياهچاله ها يکي از نخستين نتايج معادلات نسبيت عام بودند، بر اساس اين نظريه (يا نتيجه ي آن) در صورتي که جرم به اندازه ي کافي فشرده شود، گرانش آن چنان بر دافعه ي ذاتي اتم هايش فايق مي آيد که ابعاد آن جرم را به کلي از بين مي برد و حفره اي را در الياف فضا-زمان ايجاد مي کند که هر چيزي به دام آن بيفتد ديگر قادر به فرار از آن نيست. مرزهاي اين دام را افق رويداد سياهچاله مي نامند. اگر فضا بُعدهاي ناپيدا نداشته باشد يا آن ابعاد از افق رويداد سياهچاله کوچک تر باشند، اندازه ي افق رويداد رابطه ي مستقيمي با جرم سياهچاله خواهد داشت. براي تبديل خورشيد به يک سياهچاله، بايد آن را چهار ميليون برابر اندازه ي فعلي اش کوچک کنيد و شعاع آن را به سه کيلومتر برسانيد. اگر بخواهيد سياره ي زمين هم همين سرنوشت را داشته باشد شعاع آن بايد، با حفظ جرم، به يک ميلياردم اندازه ي فعلي اش يا 9 ميليمتر تقليل پيدا کند.
مي بينيم که هر چه سياهچاله کوچک تر باشد، فشاري که براي فشرده کردن آن نياز داريم بيشتر مي شود. چگالي نهايي براي توليد سياهچاله نيست معکوسي با توان دوم جرم آن دارد. براي سياهچاله اي به جرم خورشيد چگالي حدود 10 به توان 19 کيلوگرم بر متر مکعب است که از چگالي هسته ي اتم بيشتر است. اين چگالي يکي از بيشترين چگالي هايي است که مي توان در عالم امروز با رُمبِش گرانشي توليد کرد. جسمي کم جرم تر از خورشيد در مقابل رمبش مقاومت مي کند زيرا دافعه ي ذاتي ذرات آن را پايدار نگه مي دارد. سبک ترين نامزدهايي که اخترشناسان تا به حال براي سياهچاله ها مشاهده کرده اند حدود شش برابر خورشيد ما جرم دارند.
البته ايجاد سياهچاله تنها با رمبش ستاره ها اتفاق نمي افتد. اوايل دهه ي 1970/1350، استيون هاوکينگ از دانشگاه کمبريج و يکي از نويسندگان اين مقاله (برنارد کار) راهکاري را براي ايجاد سياهچاله ها در عالم نوزاد ارائه دادند. اين گونه سياهچاله ها را سياهچاله هاي اوليه مي نامند. در حالي که عالم انبساط پيدا مي کند، چگالي متوسط ماده کم مي شود؛ پس در گذشته چگالي خيلي بيشتر بوده است، طوري که تا چند ميکروثانيه بعد از انفجار بزرگ، چگالي عالم از حدّ هسته اي هم بيشتر شده بود. قوانين فعلي فيزيک فعلاً دنيايي را توجيه مي کنند که بيشترين چگالي ماده در آن حدّ پلانک يعني 10 به توان 97 کيلوگرم بر متر مکعب باشد. فراموش نکنيد که جرم متوسط انسان کمتر از 100 يا10به توان 2 کيلوگرم و جرم خورشيد حدود 10به توان 13کيلوگرم است. همان طور که گفته شد در صورتي که چنين چگالي زيادي در محلي کوچک جمع پيدا کند افت و خيزهاي کوانتومي مکانيکي (يا عدم قاطعيت هاي کوانتومي) موجب پارگي در الياف فضا-زمان مي شوند. با اين چگالي زياد، مي توانيم سياهچاله اي با جرم پلانک يا 10به توان 8- کيلوگرم با اندازه ي 10به توان 35- متر (طول پلانک) ايجاد کنيم.
سياهچاله اي که در بالا توصيف کرديم کوچک ترين سياهاله اي است که توصيف فعلي ما از گرانش مي تواند توجيه کند. اين سياهچاله خيلي سنگين تر از يک ذره ي بنيادين، اما اندازه ي آن هم کوچک تر از نين ذره اي، است. امکان تشکيل سياهچاله هاي اوليه ي سنگين تر با کاهش چگالي عالم همچنان وجود داشت. در آن هنوز سياهچاله اي با جرم 10به توان 12کيلوگرم کوچک تر از يک پروتون مي شد ولي سياهچاله هاي سنگين تر اندازه ي اجسام روزمره مي شدند . سياهچاله هايي که در دوراني ايجاد شدند که چگالي متوسط دنيا با چگالي هسته برابر بود جرمي تقريباً به اندازه ي خورشيد داشتند و در نتيجه ماکروسکوپي بودند.
چگالي بالاي عالم اوليه پيش شرطي براي تشکيل سياهچاله هاي اوليه بود اما تنها شرط آن به حساب نمي آمد. براي اينکه انبساط ناحيه اي متوقف شود و بِرُمبَد و به سياهچاله تبديل شود بايد از حدّ متوسط چگال تر مي بود و بنابراين، افت و خيزهايي در توزيع چگالي نيز بايد به وجود مي آمد. اخترشناسان مي دانند که چنين افت و خيزهايي دست کم در ساختارهاي بزرگ مقياس در عالم وجود داشت در غير اين صورت ساختارهاي بزرگ، مانند کهکشان ها يا خوشه هاي کهکشاني، هيچ گاه تجمع پيدا نمي کردند. براي شکل گيري اين سياهچاله هاي اوليه چنين افت و خيزهايي در مقياس هاي کوچک تر بايد با شدت بيشتري نسبت به مقياس هاي بزرگ تر ايجاد مي شدند، که البته امکان پذير بود ولي ناگزير نبود. حتي در نبود اين افت و خيزها امکان شکل گيري خود به خود چنين سياهچاله هايي در بعضي از گدازه هاي فازهاي کيهاني وجود داشت. به عنوان مثال، وقتي که تورم با انبساط شديد شتابدار اوليه ي عالم تمام شد، يا در زماني که چگالي عالم برابر چگالي هسته شد، يا وقتي که عالم، کمي سردتر شد و ذراتي مانند پروتون ها توليد شدند. البته همين نکته که جرم زيادي از عالم در اين سياهچاله ها از بين نرفت خود مي تواند يکي از قيودي باشد که کيهان شناسان با استفاده از آن مدل هاي نظري براي توجيه عمر جهان را دقيق تر کنند.

پايان سياهچاله
 

اينکه مي توانيم سياهچاله هاي کوچک داشته باشيم، يکي از نخستين انگيزه هايي بود که موجب شد هاوکينگ اثرات کوانتومي را روي آنها بررسي کند. او در سال 1974/1353 به اين نتيجه رسيد که سياهچاله ها فقط ذرات را نمي بلعند، بلکه آنها را به بيرون هم «تُف» مي کنند. مدل هاوکينگ پيش بيني مي کرد که سياهچاله ها مانند يک زغال داغ تابش گرمايي دارند که دماي آنها با عکس جرم متناسب است. براي سياهچاله اي با جرم خورشيد، دما حدود يک ميليونيوم کلوين و با توجه به دماي زمينه ي کيهان کنوني کاملاً قابل چشم پوشي است. ولي اگر سياهچاله اي 10 به توان 12کيلوگرم يا به اندازه ي يک کوه جرم داشته باشد دماي تابش گرمايي آن 10 به توان 12درجه ي کلوين خواهد بود (حدود هزار ميليارد درجه ي سلسيوس) طوري که هم ذرات بي جرم مثل فوتون تابش مي کند و هم ذرات جرم دار، مانند الکترون و پوزيترون.
اما درست مانند همان زغال، که بعد از مدتي سرد مي شود، اين تابش به طور پيوسته انرژي سياهچاله و در نتيجه جرم آن را کمتر و کمتر مي کند. پس چنين سياهچاله اي شديداً ناپايدار است. همين طور که منقبض مي شود به طور يکنواخت داغ تر مي شود و ذراتي با انرژي فزاينده گسيل مي کند و باز هم سريع تر و سريع تر منقبض مي شود. وقتي که جرم سياهچاله به حدود يک ميليون کيلوگرم کاهش پيدا کرد، بازي تمام است و در کمتر از يک ثانيه با قدرتي برابر يک بمب هسته اي يک ميليون مگاتُني منفجر مي شود. عمر يک سياهچاله (مدت زمان تبخير آن) با توان سوم جرم اوليه ي آن رابطه ي مستقيم دارد. سياهچاله اي با جرم خورشيد،10به توان 64 سال عمر مي کند (بيشتر از سنِّ فعلي عالم). عمر سياهچاله اي با جرم10به توان 12کيلوگرم،10 به توان 10سال و تقريباً برابر سنّ عالم است، پس اگر چنين سياهچاله اي در سال هاي اول عالم ايجاد شده باشد، در اين دوره از سن عالم بايد به پايان عمر خود نزديک شود، سياهچاله هاي سبک تر هم زودتر از اين از بين رفته اند.
کار هاوکينگ پيشرفت مفهومي عظيمي محسوب مي شد زيرا او، با اين کار، سه شاخه از فيزيک را، که کاملاً از هم جدا هستند، به هم پيوند داد: نسبيت عام، نظريه ي کوانتوم و ترموديناميک. مي توان اين کار را يک قدم در جهت تکميل نظريه ي کوانتومي گرانش نيز دانست. حتي اگر سياهچاله هاي اوليه هيچ وقت ايجاد نشده باشند، فقط فکر کردن به آنها موجب تکامل درک ما از فيزيک شد.
اين کار هاوکينگ باعث کشف تناقضي شد که فهم ما را از گسستگي موجود بين مکانيک کوانتومي و نسبيت عام گسترش داد. بر اساس نظريه ي نسبيت عام، تمام اطلاعات (خصوصيات) جرمي که به دام سياهچاله مي افتد براي هميشه از دست رفته است، اما وقتي سياهچاله تبخير مي شود، چه بر سر آن اطلاعات مي آيد؟ مدل هاوکينگ پيش بيني مي کرد که پايان عمر يک سياهچاله با از بين رفتن تمام آن اطلاعات همراه است و اين با اصول اوليه ي مکانيک کوانتومي تناقض دارد. چنين مرگي با قانون بقاي انرژي نيز در تناقض است.
يک راه حل اين است که بگوييم سياهچاله هاي تبخير شده بقايايي از خود به جاي مي گذارند که البته اين راه حل هم پذيرفتني نيست. به اين علت که اگر بقايايي بماند، اين بقايا بايد تمام اطلاعات بلعيده شده توسط سياهچاله را در خود داشته باشند؛ که اين يعني بي نهايت حالت. قوانين فيزيک پيش بيني مي کنند که آهنگ توليد يک ذره با تعداد گونه هاي آن نسبت مستقيم دارد. در نتيجه اين بقايا بايد با آهنگ بي نهايت توليد شوند، که به اين ترتيب حتي وقايع روزمره ي اطراف ما، مانند روشن کردن ميکروويو، هم آنها را توليد مي کنند! در اين صورت طبيعت اساساً ناپايدار مي شد. احتمال سوم، که محتمل تر است، اين است که اطلاعات با از بين رفتن موضعيت (Locality) راه فرار پيدا مي کنند. منظور از «موضعيت» اين است که دو رويداد، که فاصله ي مکاني دارند، نمي توانند بي درنگ روي هم اثر بگذارند، بلکه بايد زماني، دست کم معادل زمان گذر نور بين آنها، بگذرد تا يکي روي ديگري اثر بگذارد. البته اين عميق تر از ناموضعيت کوانتومي است. اين معما هنوز يکي از اصلي ترين معماهاي نظريه پردازان امروزي است. در مکانيک کوانتومي به علت اصل عدم قطعيت نيز مجبور مي شويم «نا موضعيت» را وارد کنيم

جستجو براي سياهچاله ها
 

معمولاً راهنماي اصلي پيشرفت ما در فيزيک داده هاي آزمايشي بوده اند، پس پرسش هايي که سياهچاله هاي ميکروسکوپي بر مي انگيزند يکي از اصلي ترين انگيزه هاي ما براي جستجوي آنهاست. يکي از احتمالات اين است که اخترشناسان ممکن است مرگ سياهچاله هاي اوليه با جرم اوليه ي 10به توان 12کيلوگرم را، که در عالم کنوني رخ مي دهد، رصد کنند. تقريباً يک دهم جرم چنين سياهچاله هايي به تابش گاما تبديل خواهند شد. در سال 1976/1355، هاوکينگ و دان پيچ، به اين نتيجه رسيدند که مشاهدات تابش زمينه اي گاما محدوديت هايي بر تعداد چنين سياهچاله هايي مي گذارد. اين سياهچاله ها نمي توانند بخش عمده اي از ماده ي تاريک را تشکيل دهند و انفجار آنها در اکثر موارد خيلي دورتر از آن است که ديده شود. اواسط دهه ي 1990/1370، ديويد کلاين و همکارانش پيشنهاد کردند که کوتاه ترين فوران هاي گاما ممکن است حاصل مرگ سياهچاله هاي اوليه باشد. گرچه فوران هاي گاماي بلند مدت تر در حال حاضر به انفجار يا يکي شدن (ادغام) ستاره ها نسبت داده مي شوند براي انفجارهاي گاماي کوتاه مدت ممکن است توضيح ديگري وجود داشته باشد. مشاهدات آينده بايد اين موضوع را بررسي کنند، ولي حتي فکر مشاهده ي آخرين مراحل عمر سياهچاله ها خيلي هيجان انگيز است.
اما هيجان انگيزتر از آن، توليد سياهچاله ها توسط شتاب دهنده هاي ذرات است. وقتي بحث از ايجاد چگالي هاي بالاست، هيچ دستگاهي نمي تواند به شتاب دهنده هاي هادرون در سِرن و تواترون در آزمايشگاه ملي شتاب دهنده ي فِرمي در شيکاگو برسد. اين شتاب دهنده ها ذرات زيراتمي، مانند پروتون، را به سرعت هايي نزديک به سرعت نور مي رسانند. چنين ذراتي انرژي جنبشي عظيمي پيدا مي کنند. در LHC يک پروتون به انرژي تقريبي 7 تراالکترون ولت (TeV) مي رسد. با در نظر گرفتن معادله ي معروف نسبيت (E=mc2) اين انرژي معادل جرم 10 به توان 23- کيلوگرم يا هفت هزار برابر جرم پروتون ساکن است. وقتي که دو ذره با اين انرژي به هم برخورد مي کنند انرژي فوق العاده زياد آنها در محدوده ي خيلي کوچک از فضا جايگزين مي شود. بر اين اساس مي توان حدس زد که در تعدادي از اين برخوردها اجتماع انرژي در مکاني کوچک ممکن است به يک سياهچاله بيانجامد.
استدلال بالا مشکلاتي نيز دارد:10به توان 23- کيلوگرم خيلي کمتر از حدّ جرمي پلانک يا10به توان 8- کيلوگرم است که بر اساس نظريه ي گرانش خالي بايد کمترين جرم يک سياهچاله باشد. اين حد پاييني از اصل عدم قطعيت مکانيک کوانتومي ناشي مي شود؛ ذرات رفتاري موجي دارند و گستره ي فضايي يک ذره به نسبت افزايش انرژي (در واقع افزايش اندازه ي حرکت) آن کم مي شود، که با انرژي هايي حدود انرژي هاي LHC، گستره ي ذره در حدود 10به توان 19- متر خواهد بود، پس مي توان اين محدوده را کوچک ترين محدوده ي عملي تجمع جرم دانست. براي ايجاد سياهچاله در چنين گستره اي چگالي 10به توان 34 کيلوگرم بر متر مکعب لازم است. براي توليد ذره اي که هم انرژي لازم و هم فشردگي لازم را براي توليد سياهچاله داشته باشد، بايد دستگاهي با انرژي حدوداً 10به توان 15 برابر LHC ساخت. اما نکته ي جالب اينجاست که طبق معادلات رياضي ما مي توانيم با شتاب دهنده ها اشيايي مانند سياهچاله توليد کنيم. به نظر مي آيد که برخورد دهنده ي نسبيتي يون هاي سنگين در آزمايشگاه ملي بروکهاون در آپتون ايالت نيويورک ممکن است اين کار را کرده باشد اما به نظر مي رسد خود سياهچاله ها هنوز دور از دسترس ما قرار دارند.

دستيابي به ابعاد بالاتر
 

با وجود توضيحات بالا، در دهه ي گذشته فيزيک دانان به اين نتيجه رسيده اند که شايد تخمين استاندارد چگالي پلانک زيادي بالا باشد. نظريه ي ريسمان، که يکي از اصلي ترين رقيبان گرانش کوانتومي است، پيش بيني مي کند که ابعاد فضا بيشتر از سه بُعد طول، عرض و ارتفاع است و گرانش، بر خلاف ساير نيروها، بايد در اين ابعاد اضافي منتشر شود و در نتيجه اين نيرو، بر خلاف انتظار، در فواصل کوتاه بايد خيلي قوي تر باشد. در سه بُعد، نيروي گرانش، با نصف کردن فاصله، چهار برابر مي شود ولي در يک دنياي 9 بُعدي گرانش 256 برابر مي شود. در صورتي که اين ابعاد اضافي به اندازه ي کافي بزرگ باشند، اين اثر مي تواند خيلي تأثير گذار باشد، اثري که در چند سال گذشته تحقيقات بسياري درباره ي آن شده است. البته اين ابعاد بالاتر ممکن است در حالت هاي ديگري نيز حضور داشته باشند که به آن فشردگي پيچيده شده مي گويند. که همين تشديد نيروي گرانش را به همراه دارد و در صورتي که نظريه ي ريسمان درست باشد، احتمال حضورشان بيشتر است. اين نوع ابعاد در سال هاي اخير بسيار مورد بررسي قرار گرفته اند. افزايش شدت نيروي گرانش به اين معناست که شايد حدّ واقعي مخلوط شدن قوانين گرانش و کوانتوم، يا توليد سياهچاله، مي تواند خيلي کمتر از تصورات قبلي ما باشد.
با وجودي که هيچ شاهد آزمايشگاهي ( تجربي) تا به حال اين احتمال را تأييد نمي کند، اين ايده راه را براي حل معماهاي نظري بسياري روشن کرده است. اگر حقيقت داشته باشد، انرژي لازم براي توليد سياهچاله ها در محدوده ي انرژي LHC قرار مي گيرد. مطالعه ي نظري توليد سياهچاله ها در برخوردهاي پُرانرژي به کارهاي راجر پِنرُز (از دانشگاه آکسفورد) در اواسط دهه ي 1970/1350 و پيتر ديئث و فيليپ نوربرت پاين در دهه ي 1990/1370 باز مي گردد. در کارگاهي که در سال 2001/1380 برگزار شد يکي از نويسندگان (گيدينگز) و گروه هاي مستقل ديگري بحث نظري روش هاي مشاهده و احتمال کشف سياهچاله هايي در شتاب دهنده هايي مانند LHC را به نمايش گذاشتند و بعد از چند محاسبه روش آشکارسازي آنها را کاملاً اثبات کردند: در خوش بينانه ترين حالت هاي پيش بيني شده، با در نظر گرفتن پايين ترين حدّ ممکن براي حدود پلانک، مي توان با آهنگ يک بار بر ثانيه سياهچاله درست کرد. اين نتيجه البته شگفت آور است. فيزيک دانان به شتاب دهنده اي که با اين آهنگ ذره توليد کند کارخانه مي گويند. پس مي توان گفت LHC کارخانه ي سياهچاله است.
مرگ سياهچاله ها اثرات قابل شناسايي روي آشکارسازها ايجاد مي کند. برخوردهاي عادي تعداد متوسطي از ذرات پرانرژي را توليد مي کند، ولي سياهچاله اي در حال مرگ فرق مي کند. بر اساس نظريه ي هاوکينگ، نابودي سياهچاله ها تعداد زيادي ذره را در همه ي جهت ها و با انرژي هاي بالا منتشر مي کند. اين ذرات تمام ذرات موجود در طبيعت را شامل مي شوند. تعدادي از گروه هاي تحقيقاتي از آن موقع تا به حال مطالعات بسيار دقيقي روي اثرات چنين سياهچاله هايي و امکان آشکارسازي آنها در LHC کرده اند و اميد دارند که با راه اندازي کامل گران ترين آزمايشگاه تحقيقاتي ساخته شده بتوانند به جواب هايي براي اين پرسش هاي خود برسند. البته اين جواب يکي از چندين جواب بسيار بنيادي است که از اين آزمايشگاه انتظار مي رود. ساده ترين توضيح هر کدام از ديگر جواب هايي، که دانشمندان براي رسيدن به آن توسط اين آزمايشگاه ثانيه شماري مي کنند، مقاله اي از اين بلندتر مي طلبد.

چطور به ايده ي سياهچاله رسيديم؟
 

اينشتين در سال 1915/1294، بعد از ده سال کار، معادلات نسبيت عام را نوشت که چگونگي رفتار فضا-زمان را توصيف مي کردند. هنوز چند ماه نگذشته بود که کارل شوارتز شيلد توانست معادلات فضا-زمان را اطراف يک جرم نقطه اي بنويسد (در مقام نخستين حل نسبت عام). جالب اينجاست که او اين جواب را در حالي که به شدت بيمار بود و در ميدان جنگ عليه روسيه طي جنگ جهاني اول حضور داشت به چاپ رساند و يک سال بعد از دنيا رفت. راه حل سريع و ساده ي شوارتزشيلد، اينشتين را متحير کرد، طوري که در نامه اي به او نوشت «من با علاقه ي زياد مقاله ي شما را مطالعه کردم و اصلاً تصور نمي کردم که بتوان با چنين روش ساده اي به جواب دقيق معادلات رسيد.» معادلات او، وجود کُره اي اطراف آن جرم را پيش بيني مي کرد که در آن معادلات فضا-زمان جوابگو نيستند و فقط جواب بي نهايت مي دهند؛ همان جوابي که اگر شما عددي را بر صفر تقسيم کنيد، به دست مي آوريد.
تا حدود چهل سال بعد، دانشمندان بسياري روي تفسير اين کُره و چيستي آن نظراتي دادند اما هيچ کدام مورد اجماع همگي قرار نگرفت. ايده ي رايج، کپسولي بود که زمان روي سطح آن متوقف شده است. ديويد فينکلشتاين در سال 1958/1337 مفهوم افق رويداد را معرفي کرد؛ «اين شاع، غشايي است يک طرفه که فقط ممکن است به صورت تصادفي ذره اي وارد آن بشود اما هيچ ذره اي نمي تواند بيرون بيايد.» سياهچاله در نظر آنها موجودي کاملاً نظري محسوب مي شد و ايده ي کلي اين بود هيچ وقتي نمي توان جسمي را از افق رويدادي که براي آن تعريف مي شود کوچک تر کرد تا تبديل به سياهچاله شود.
در سال 1963/1342 روي کِر توانست معادلات سياهچاله هاي چرخان را بنويسد. اين معادلات مفهوم سياهچاله را کمي پذيرفتني تر مي کرد به اين علت که تمام اجسامي که در کيهان مي شناسيم در حال چرخش اند. در سال 1967/1346 اخترشناسان با کشف تپ اخترها، که از نوع ستارگان نوتروني اند، نشان دادند که در طبيعت اجرام متراکم هم وجود دارند: تا آن زمان ستارگان نوتروني هم فقط در معادلات ديده مي شدند و کسي انتظار مشاهده ي آنها را نداشت. چند سال بعد نيز، در سال 1970/1349، هاوکينگ و پِنرز نشان دادند که وجود سياهچاله در تمام حالت هاي حل معادلات نسبيت عام وجود دارند، نه فقط حلي که شوارتزشيلد انجام داده بود.
در سال 1971/1350 دو گروه مستقل در انگلستان و کانادا نوسانات عجيب ستاره ي HDD226868 (در صورت فلکي دجاجه) را مشاهده کردند که هيچ همدمي نداشت، بعد از بررسي منحني نوري آن ستاره و محاسبه ي جرم همدمش، به اين نتيجه رسيدند که اين جرم بايد سياهچاله باشد.

کارخانه سياهچاله
 

* نيازي نيست سياهچاله ها حتماً غول هاي همه چيزخوار غول پيکر باشند. بر اساس معادلات، سياهچاله ها مي توانند تنوع بسيار زيادي داشته باشند. حتي کوچک تر از ذرات زيراتمي، اين نوع سياهچاله ها تحت تأثير عوامل کوانتومي خيلي سريع، تقريباً در همان لحظه ي تولد، از بين مي روند.
* سياهچاله هاي کوچکي ممکن است هنوز از دوران انفجار بزرگ اوليه باقي مانده باشند و شايد اخترشناسان بتوانند انفجار تعدادي از آنها را در آسمان مشاهده کنند.
* عده اي از نظريه پردازان معتقدند که ممکن است حتي روي سياره ي زمين هم سياهچاله توليد کرد. قبلاً فکر مي کردند انرژي مورد نياز خيلي بالاست. اما اگر فضا ابعاد بيشتر با ويژگي هاي مناسب داشته باشد، حدّ انرژي لازم براي توليد سياهچاله خيلي پايين مي آيد. در اين صورت ممکن است در برخورد دهنده ي بزرگ هادرون و برخوردهاي پرتوهاي کيهاني به جوّ زمين سياهچاله توليد شود. فيزيک دانان مي توانند با استفاده از اين سياهچاله ها بُعدهاي بيشتر فشار را، در صورت وجود، بهتر بشناسند.

راه هاي ساخت يک ريز سياهچاله
 

افت و خيزهاي چگالي اوليه
 

در لحظات اوليه ي عمر گيتي، پلاسماي گرم و چگالي تمام فضا را پوشانده بود. چگالي همه جا يکسان نبود و در جاهايي که چگالي نسبي به اندازه ي کافي بالا بود، تجمع پلاسما مي توانست به سياهچاله بيانجامد.

برخوردهاي پرتوهاي کيهاني
 

پرتوهاي کيهاني، که ذرات بسيار پرانرژي از منابع کيهاني اند مي توانند با برخورد پرانرژي به جوّ زمين سياهچاله درست کنند. تقريباً در همان لحظه ي تولد اين سياهچاله ها منفجر مي شوند و باراني از ذرات ثانويه توليد مي کنند که مي توان در آزمايشگاه آنها را مشاهده و ثبت کرد.

شتاب دهنده هاي ذرات
 

يک شتاب دهنده مانند LHC مي تواند دو ذره را چنان به هم برخورد دهد که آنها را به سياهچاله تبديل کند. آشکار کننده ها مي توانند واپاشي اين سياهچاله ها را ثبت کنند.

تولد و مرگ يک سياهچاله ي کوانتومي
 

* تولد
جرم: 10 تراالکترون ولت (TeV)
زمان: 0
در شرايط مناسب، دو ذره (که در اينجا به صورت بسته هاي موج نمايش داده شده اند) مي توانند با هم برخورد کرده و به سياهچاله تبديل شوند. سياهچاله ي توليد شده نامتقارن خواهد بود و ممکن است در حال چرخش، لرزان يا باردار باشد؛ در اينجا زمان ها و جرم ها تقريبي اند: يک تراالکترون ولت تقريباً برابر 10به توان 24- کيلوگرم است.
*مرحله کچل شدن
جرم: 10 تا 8 TeV
صفر تا 1 ضربدر10 به توان 27- ثانيه
سياهچاله در اولين مرحله ي عمر خود امواج گرانشي و الکترومغناطيس تابش خواهد کرد. به قول جان ويلر، سياهچاله موهايش را از دست مي دهد و تقريباً به يک شيء بدون هيچ ويژگي تبديل مي شود که فقط بار، چرخش و جرم دارد. حتي بار هم به سرعت به صورت ذرات باردار از سياهچاله خارج مي شود.
* مرحله کند شدن چرخش
جرم: 8 تا TeV 6
1 تا 3 ضربدر 10 به توان 27- ثانيه
سياهچاله ديگر سياه نيست. تابش مي کند. با اين تابش چرخش سياهاله کم مي شود و سياهچاله به ذره اي کروي تبديل مي شود. تابش عموماً از استواي سياهچاله تابش مي شود.
* مرحله شوارتزشيلد
جرم: 6 تا TeV2
3 تا 20 ضربدر 10 به توان 27- ثانيه
با از بين رفتن رخش، سياهچاله، حتي از قبل هم ساده تر خواهد شد و تنها ويژگي آن جرمش است. حتي جرمش را هم به صورت تابش و ذرات جرم دار از دست مي دهد که در هر جهتي بخش مي شوند.
* مرحله ي پلانک
جرم: 2 تا صفر TeV
20 تا 22 ضربدر 10 به توان 27- ثانيه
سياهچاله به جرم پلانک نزديک مي شود - کمترين جرمي که معادلات نظري پيش بيني مي کنند- و با يک جرقه به نابودي مي رسد. نظريه ي ريسمان مي گويد که در اين مرحله سياهچاله ريسمان تابش مي کند؛ بنيادي ترين واحدهاي ماده.

ساخت سياهچاله کار آساني نيست
 

چقدر انرژي نياز داريد تا مقداري ماده را به سياهچاله تبديل کنيد؟ هر چه کوچک تر باشد بايد بيشتر آن را فشرده کنيد تا به يک سياهچاله تبديل شود . سياهچاله کردن انسان ها و سيارات خيلي سخت تر از ستاره ها است (نمودار). طبيعت موجي ماده در برابر فشرده شدن خيلي مقاومت مي کند. ذرات نمي تواند کوچک تر از طول موجشان بشوند. (شکل). پس هيچ سياهچاله اي نمي تواند کوچک تر از 10به توان 8- کيلوگرم باشد. ولي اگر فضا ابعاد بيشتري داشته باشد، گرانش ذاتاً در فواصل کوچک تر قوي تر عمل خواهد کرد و اصلاً نيازي نيست ذره براي سياهچاله شدن از اين کوچک تر شود، اميد سياهچاله سازان آينده به همين است.

داستان دو سياهچاله
 

فرض بر اين است که سياهاله هاي اخترفيزيکي اجساد باقيمانده ي ستاره هاي عظيمي اند که به سبب جرم خود رمبش کرده اند. آنها با جذب ماده به سمت خود مانند نيروگاه هاي عظيم آبي -برقي کيهاني عمل مي کنند و با چرخش آن، انرژي پتانسيل گرانشي آزاد مي شود که تنها توضيح براي تابش بسيار قوي پرتوهاي ايکس و جت هاي گازي عظيم است که از منظومه ي دوتايي که در اين شکل مي بينيد فوران مي کند.
محدوده ي جرمي سياهچاله هاي ميکروسکوپي تا جرم يک سيارک بزرگ مي رسد. آنها احتمالاً بر اثر تمرکز ناگهاني جرم در عالم اوليه ايجاد شده اند. اگر فضا بُعدهاي ناپيداي ديگري داشته باشد ممکن است توسط برخورد دهنده هاي ذرات پرانرژي نيز توليد شوند. چنين سياهچاله اي به جاي بلعيدن ماده خيلي سريع تابش پرانرژي خواهد کرد و از بين خواهد رفت.
برگرفته از:
Scientific American Reports, April 2007
منبع: نشريه نجوم، شماره 188