سیاهچاله‌ها

نظریه‌ی نسبیت خاص

برای شناخت بسیاری از جنبه‌های سیاهچاله‌ها، باید با ماهیت نسبیت قدری آشنایی داشت. آلبرت اینشتین (1879-1955)، در اوایل سده‌ی بیستم، با یافتن راهی جدید و بهتر برای ادراک جهان فیزیکی، تصور انسان را از چگونگی کار جهان به طور اساسی دگرگون ساخت. مدت‌ها بود که در آزمایشگاه‌های فیزیک، چندین نتیجه عجیب، به ویژه در ارتباط با خواص نور، به دست آمده بود. اینشتین دریافت که اگر ماهیت نور متفاوت از آن باشد که قبلاً فیزیکدان‌ها فرض می‌کردند، درک بسیاری از این پدیده‌ها آسان‌تر خواهد بود.
یک قرن پیشتر معلوم شده بود که نور، در قالب پدیده‌ای موجی با نوسان‌های فوق‌العاده سریع، قابل شناخت است. آزمایش‌هایی که ارتباط میان مغناطیس و بار الکتریکی را نشان دادند دلایلی بودند بر وجود تابش الکترومغناطیسی، که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده را در بر می‌گیرد، و ما آن را به صورت نور، شامل نور مرئی، تابش رادیویی، پرتوهای X و پرتوهای دیگر حس می‌کنیم. اما اگر این تابش‌ها به صورت موج باشند، می‌باید در یک محیط منتشر شوند، درست همان‌طور که آب، موج‌های روی دریاچه را منتقل می‌کند و هوا، موج‌های صدا را از یک سو به سوی دیگر می‌رساند. از این رو، فیزیکدان‌ها به این اندیشه افتادند که می‌باید در فضا ماده‌ای فراگیر وجود داشته باشد تا محیطی برای انتشار امواج نور تدارک ببیند. آن‌ها این ماده را اتر نامیدند، اما ماهیت اتر مرموز و تا حدی نامتقاعد کننده باقی ماند. آیا زمین در گردش خود بر گرد خورشید، اتر را می‌شکافد؟ آیا خورشید نیز در سیر سریع خود در میان ستارگان، راه خود را از میان اتر می‌گشاید؟ فیزیکدان‌ها استدلال میکردند که ظاهراً چنین است، چرا که در غیر این صورت، نور نمی‌توانست در فضا منتقل شود و ما در ظلمت ابدی به سر می‌بردیم.
به نظر می‌رسد که اینشتین کلید راهیابی به نسبیت را از آزمایشی برگرفت که برای آشکار ساختن اتر انجام شده بود. درست پیش از آغاز قرن حاضر، دو فیزیکدان آمریکایی به نام‌های مایکلسون و مورلی ابزارهای نوری پیچیده‌ای را به کار گرفتند تا اثرات حرکت زمین در میان اتر را اندازه‌گیری کنند. آن‌ها با شگفتی دریافتند که نه تنها اثری ناشی از وجود اتر مشهود نیست، بلکه حتی هیچ‌گونه اثری هم که منتج از حرکت زمین در میان اتر باشد وجود ندارد. ظاهراً، برخلاف آنچه که عقل سلیم حکم می‌کرد، سرعت اندازه‌گیری شده نور چه در راستای حرکت زمین و چه عمود بر این راستا، یکسان بود. این امر بدین اندازه تعجب‌آور است که ببینیم سرعت هواپیمایی، بی‌توجه به سرعت و راستای وزش باد، همواره به یک مقدار است. مثال مشابه دیگر برای درک نتایج اکتشاف مایکلسون و مورلی این است که فرض کنیم اتوموبیلی با سرعت 150 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند و در این اثنا، یکی از سرنشینان این اتوموبیل تفنگی را در راستای حرکت اتوموبیل نشانه می‌رود و گلوله‌ای با سرعت مثلاً 500 متر در ثانیه (یا 1800 کیلومتر در ساعت) شلیک می‌کند. ناظری که در کنار جاده قرار دارد و ساکن است، سرعت گلوله را 1950= 150+ 1800کیلومتر در ساعت اندازه می‌گیرد. اما اگر راننده چراغ‌های جلوی اتوموبیل را روشن کند، برای ناظر، سرعت نور این چراغ‌ها همان است، نه 150+ C کیلومتر در ثانیه. (C نماد سرعت نور و مقدار آن 300000 کیلومتر در ثانیه است). به همین ترتیب، اگر چراغ‌های عقب این اتوموبیل روشن شوند، باز سرعت نور C خواهد بود، نه150C- کیلومتردر ثانیه، علاوه بر این، سرعت نور نسبت به خود اتوموبیل نیز همواره C است.
اینشتین دریافت که آزمایش مایکلسون- مورلی دلیلی است بر این که نور نه مثل هواپیماست و نه مثل گلوله‌ای که در محیطی حرکت می‌کند یا موجی که در روی حوض اجرا می‌شود، بلکه نور بدون نیاز به محیط، در فضای تهی سیر می‌کند. وانگهی، نور ویژگی‌های بنیادی معین و غیرعادیی دارد که با ماهیت اساسی ماده، فضا و زمان گره خورده است. اینشتین به این نکته پی‌برد که سرعت نور یک کمیت بنیادی است. وی دریافت که نتایج حاصل از این نظریه تماماً باهم سازگارند و راهی نو برای شناخت طبیعت فراهم می‌کنند.
برداشتن نخستین گام‌ها در راه آشنایی با نسبیت تنها هنگامی میسر است که دریابیم در این راه، "عقل سلیم" چندان قابل اعتماد نیست. ثابت بودن سرعت نور، که واقعیتی اثبات شده است، با عقل سلیم همخوان نیست - چرا که این واقعیت با تجربه معمولی ما ناسازگاری دارد . اما این هشداری است بی‌شبهه که در شناخت مفاهیم غایی فیزیک بر آنچه که باید تکیه کنیم ریاضیات دقیق و آزمایش‌ها هستند، نه پیش‌داوری‌های مبتنی بر تجربیات عادی.
اینشتین نشان داد که ثابت بودن سرعت نور، توأم با فرمولبندی دقیق تعاریف و اندازه‌گیری‌های مربوط به مفاهیم بنیادی طول، زمان و جرم، چگونه در بررسی سرعت‌های نزدیک به نور، به نتایج شگفت‌آوری منجر می‌شود. ما، در اینجا، برای اینکه نشان دهیم اینشتین چگونه نظریه نسبیت خاص را استنتاج کرد، به ریاضیات متوسل نمی‌شویم، زیرا کلاً در این کتاب از به کار بردن زبان ریاضی پرهیز داشته ایم؛ اما به خوانندگان علاقه‌مند توصیه می‌کنیم که کتاب نوشته‌ی خود اینشتین به نام نسبیت، نظریه‌ی خاص و عام. شرح برای عموم (چاپ 1921) را مطالعه کنند.
نتایج اساسی کشف اینشتین چنین است: اگر جسمی سرعت بگیرد و به سرعت نور نزدیک شود، زمان اندازه‌گیری شده به وسیله‌ی ناظر ساکن با زمان اندازه‌گیری شده به توسط شخصی که با آن جسم حرکت می‌کند متفاوت می‌شود. برای مثال، اگر اتوموبیلی بتواند با سرعت مثلاً 90 درصد سرعت نور حرکت کند، ناظر ساکن در کنار جاده احساس می‌کند که ساعت نصب شده بر اتوموبیل درست کار نمی‌کند، چرا که به نظر او این ساعت عقب می‌ماند. البته این ساعت نیست که کند کار می‌کند، بلکه خود زمان کند می‌شود، و اگر رانند ه اتوموبیل زمان را اندازه‌گیری کند، چیزی عجیب و غیرعادی در ساعت خود نمی‌بیند. با وجود این، هنگامی که اتوموبیل به نقطه‌ی آغاز حرکت باز می‌گردد و متوقف می‌شود، راننده‌ی آن (بسته به اینکه چه مدتی در این سفر بوده) از ناظری که ساکن بوده است، چند دقیقه جوان‌تر خواهد بود. ممکن است این را باور نکنید، اما چنین پدیده‌هایی روی می‌دهند و کند شدن زمان، حتی در ساعت‌هایی که بر سفینه‌های در حال گردش به دور زمین نصب شده‌اند، اندازه‌گیری می‌شود. میزان کند شدن درست به همان مقداری است که اینشتین در سال 1905 پیش‌بینی کرده بود.
اثر شگفت‌آور دیگر، به طول جسمی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، مربوط می‌شود. در همان مثال پیش، که اتوموبیل مسابقه‌ای ما با سرعت 90 درصد سرعت نور حرکت می‌کرد، ناظر ساکن با تعجب می‌بیند که طول اتوموبیل، کوتاه‌تر می‌شود و به نصف طول معمولی آن می‌رسد، اتوموبیل پهن‌تر نیز دیده می‌شود، اما طول آن، در راستای حرکت، به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. البته، راننده‌ی اتوموبیل هیچ چیز غیرعادی احساس نمی‌کند. فیزیکدانان، این اثر انقباض نسبیتی طول را نیز در آزمایشگاه اندازه‌گیری کرده‌اند.
سومین اثر به جرم مربوط است. اینشتین نشان داد که جرم جسم متحرک از نظر ناظر ساکن، به سرعت آن جسم وابسته است. برای مثال، اگر وزن اتوموبیل مسابقه‌ای فوق، مثلاً 500 کیلوگرم باشد، هنگامی که سرعت اتوموبیل به 90 درصد سرعت نور می‌رسد، وزن آن نیز دو برابر می‌شود و به 1000 کیلوگرم می‌رسد.
پس، سه پیشگویی اساسی نظریه نسبیت خاص، که اثرات مهم ناشی از حرکت یک جسم در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور هستند، از نظر ناظر ساکن عبارتند از: زمان کند می‌شود، طول در راستای حرکت منقبض می‌شود، و جرم افزایش می‌یابد. طبق معادلات و آزمایش‌های متعدد تأییدکننده، این اثرات در حوالی سرعت نور، به شدت افزایش می‌یابند؛ به طوری که برای جسمی که تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کند، زمان تقریباً متوقف می‌شود، جسم به صورت صفحه‌ای پهن می‌شود و جرم تقریباً بی‌نهایت می‌شود. (این پدیده‌ها را ناظر ساکن چنین می‌بیند).

نسبیت عام

اینشتین پس از تکمیل نظریه نسبیت خاصی به اصلاح نظریه‌ی نیوتون درباره‌ی گرانش پرداخت تا آن را با اصول نسبیتی تطبیق دهد. نیوتون فرض می‌کرد که نیروی گرانش به طور لحظه‌ای عمل می‌کند؛ نظر او این بود که اعمال شدن کشش خورشید بر روی زمین محتاج زمان نیست، و برهم‌کنش‌های گرانشی، حتی در فواصل نامحدود ستارگان، در آنی روی می‌دهند. اینشتین به نادرست بودن این نظر پی برد، چرا که هیچ برهم‌کنشی (و همچنین هیچ جسمی) نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور منتشر شود. از این رو، اینشتین تکمیل نظریه جدیدی را درباره‌ی گرانش آغاز کرد که در آن هم سرعت انتشار گرانش همان سرعت نور باشد و هم بتواند حرکت‌های سیارات را به خوبی نظریه نیوتون توضیح دهد.
به فرجام رساندن این کار، نه از نظر فرمولبندی ریاضی آسان بود و نه به راحتی در تصور می‌آمد. اینشتین مجبور بود که پیش از ترسیم تصویر کاملی از گرانش، بعضی از تصورات پیشین درباره‌ی ماهیت فضا، زمان و حرکت را کنار بگذارد. وی لازم دید که منظره‌ی ساده و به راحتی قابل تصوری که از فضا داریم، یعنی فضای مسطح سه بعدی، را نیز کنار بگذارد. در عوض، آنچه از جانب اینشتین مطرح و نشان داده شد این بود که میدان گرانشی در فضا، مثلاً میدان ناشی از وجود خورشید، به اعوجاجی در فضا می‌انجامد، که شد ت آن به میزان جرم جسم بستگی دارد. علاوه بر این، اینشتین دریافت که صرفاً در قالب جهان سه بعدی نمی‌توان به راحتی این موضوع را درک کرد و از این رو، در معادلات خود، زمان را به منزله‌ی بعد چهارم به کار برد. ما معمولاً فرض می‌کنیم که یک رویداد تنها در فضا روی می‌دهد و بنابراین فکر می‌کنیم که هر رویداد را تنها به کمک سه عدد، که مختصات فضایی آن را نشان می‌دهند، می‌توان وصف کرد. برای مثال، برای توصیف یک زمین لرزه می‌گوییم که مختصات کانون آن در به'30 ْ33 عرض شمالی و ماه '20 ْ118 طول غربی بوده است و بدین ترتیب، مکان وقوع زمین لرزه را در دو بعد معلوم می‌کنیم. زمین لرزه به سبب حرکت بخشی از لایه‌های زیر سطح زمین، مثلاً در عمق 400 متری، روی می‌دهد. این عدد آخر، بعد سوم است. با این سه عدد می‌توانیم مکان دقیق رویداد را مشخص کنیم، اما این برای توصیف کامل رویداد کافی نیست، زیرا در این اطلاعات، زمان وقوع رویداد معلوم نشده است. اگر زمان را به منزله‌ی بعد چهارم به این داده‌ها اضافه کنیم و مثلاً بگوییم که این زمین لرزه در ساعت 8 و یک دقیقه بعدازظهر 9 بهمن ماه 1364 شمسی روی داده است، آنگاه این رویداد به طور کامل و سودمند توصیف می‌شود.
اینشتین رویدادها را در فضا- زمان توصیف کرد، اما باز قدمی جلوتر نهاد و فرض کرد که چهار بعد فضا- زمان می‌تواند خمیده باشد. این مسئله، که دریافت آن در وهله‌ی اول دشوار می‌نماید، تعیین انحنای عام فضا – زمان، مسئله‌ای کلیدی در کیهان‌شناسی است.
سرانجام، در 1916، نظریه‌ی نسبیت عام به طور کاملاً ریاضی بسط داده شد، که شامل معادلات توصیف کننده‌ی انحنای فضا- زمان در پیرامون یک جسم پرجرم بود. برای اینکه این مسئله را راحت‌تر تجسم کنید، لحظه‌ای فکر کنید که فضا- زمان، به عوض چهار بعدی بودن، دو بعدی است (برای لحظه‌ای، تنها دو بعد را نادیده بگیرید، درست همان‌طور که ما در مثال پیش، زمین لرزه را تنها با عرض و طول جغرافیایی مشخص کردیم). ما می‌توانیم این فضا- زمان دوبعدی را به صورت یک صفحه‌ی مسطح، که هیچ جسم دارای جرم در مجاورت آن نیست، نشان دهیم. اما در حضور یک جسم، مانند خورشید، صفحه‌ی مسطح معوج می‌شود و فرورفتگیی ظاهر می‌گردد که نشانگر انحنای فضا- زمان در نتیجه‌ی میدان گرانشی جسم است. هرچه جرم جسم بيشتر باشد، به فرورفتگی بزرگتری در فضا- زمان می‌انجامد. هر جسمی که به قدر کافی به این فرورفتگی نزدیک شود مجبور است که مسیر خود را تغییر دهد. اگر حرکت جسم بسیار آرام و کاملاً به طرف مرکز فرورفتگی باشد، به درون حفره‌ی فرورفتگی می‌افتد و در ته آن ساکن می‌شود (برای مثال، فضاپیمایی که به سوی خورشید حرکت می‌کند، با نزدیکتر شدن به خورشید، شتاب می‌گیرد و سرانجام به درون آن می‌افتد). اگر جسم به هنگام حرکت به سوی خورشید، سرعت کافی داشته باشد، خورشید را پشت سر می‌گذارد، اما مسیر آن خط راست نخواهد بود. جسم، موقعی که از فرورفتگی عبور می‌کند، مستقیم‌ترین مسیر ممکن را، که خط ژئودزیک نامیده می‌شود، طی می‌کند، اما آشکار است که این خط نمی‌تواند خط مستقیم باشد، زیرا صفحه‌ای که جسم در آن حرکت می‌کند، خمیده است. از این رو، جسمی مانند یک دنباله‌دار، هنگامی که از کنار خورشید می‌گذرد، در اثر گرانش خورشید چنان تغییر مسیر می‌دهد که پس از عبور از مجاورت آن، راستایی کاملاً متفاوت را در پیش می‌گیرد. به همین ترتیب، سیاره‌ای مانند زمین، علی‌رغم سرعت بسیار زیادی که در فضا دارد، گرفتار فرورفتگی فضا-زمان خورشید می‌شود و در میان دامنه‌های این فرورفتگی برای همیشه گردش می‌کند.
از سال 1916، آزمایش‌های متعددی برای بررسی نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین انجام گرفته که تا حال، همه‌ی آن‌ها حاکی از درستی این نظریه بوده است. برخورد علمی با هر نظریه‌ی جدید، با این پرسش آغاز می‌شود که: این نظریه‌ی جدید چه چیزی را پیشگویی می‌کند که یا پیشتر انتظار آن نمی‌رفت و یا نظریه‌های دیگر قادر به پیشگویی آن نبودند. آنگاه پیشگویی‌ها به بوته‌ی آزمایش گذاشته می‌شوند و نتیجه‌ی آزمایش‌ها، درستی یا نادرستی نظریه را معلوم می‌کنند. یکی از پیشگویی‌هایی نظریه‌ی نسبیت عام این است که نور به هنگام عبور از مجاورت یک جسم پرجرم منحرف می‌شود. برای مثال، نور ستاره‌ای دوردست را در نظر بگیرید که از کنار خورشید می‌گذرد. چون نور می‌باید از خط ژئودزیک عبور کند، به ناگزیر به فرورفتگی فضا- زمان – که ناشی از جرم خورشید است – می‌افتد. موقعی که نور از طرف دیگر بیرون می‌آید، و مثلاً به سوی زمین رهسپار می‌شود، راستای مسیر تغییر می‌یابد.
ماه در حرکت خود بر گرد زمین، گاه کاملاً جلوی نور خورشید را می‌گیرد و گرفت کامل روی می‌دهد. این فرصتی گرانبهاست که طبیعت برای آزمودن پیشگویی اینشتین در اختیار دانشمندان قرار داده است. هنگام گرفت کامل، مشاهده و اندازه‌گیری مکان ظاهری ستارگان نزدیک به قرص خورشید امکانپذیر می‌شود و از این رو می‌توان بررسی کرد که آیا انحراف نور آن‌ها در مجاورت خورشید با مقدار پیشگویی شده مطابقت دارد یا نه. البته، طبق فیزیک سماوی، مکان ظاهری این ستارگان باید همان باشد که در اوقات دیگر سال و هنگامی که خورشید در سر راه نور آن‌ها نیست، اندازه‌گیری می‌شود.
سه سال پس از انتشار نظریه‌ی نسبیت عام از سوی اینشتین، گروهی از اخترشناسان انگلیسی در افریقا و برزیل، گرفت کامل خورشید را مشاهده کردند و با اندازه‌گیری مکان ستارگانی که از آن‌ها عکسبرداری کرده بودند، با خوشحالی اعلام داشتند که پیشگویی اینشتین درست است. مکان همه‌ی این ستارگان، درست به اندازه‌ای که اینشتین پیشگویی کرده بود، جا به جا شده بود.
نظریه‌ی نسبیت عام، هنوز بهترین و مقبول‌ترین نظریه در مورد فضا، زمان و گرانش است. از سال 1916، فیزیکدانان زیادی سعی کرده‌اند تا نظریه‌های دیگری برای توضیح پدیده‌های جهان بیابند، اما تاکنون هیچ یک از این نظریه‌ها، جایگزین راه حل اینیشتین نشده است. اینیشتین، در 40 سال آخر عمر خود سعی داشت که نظریه‌ی خود را با یافتن اصولی عام با فرمول‌بندیی که تمام فیزیک را در برگیرد و شامل چگونگی برهم‌کنش ذرات زیر اتمی باشد، کامل کند، اما در این کار توفیق نیافت. اگر چنین اصل ساده‌ای وجود داشته باشد، باید در انتظار دانشمند دیگری بود تا همچون اینیشتین، برای تفسیر آنچه در پیرامون خود می‌بینیم و می‌سنجیم، راهی نو پیش پای ما بگذارد.

سیاهچاله‌های ساده

اندکی پس از انتشار نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین، کارل شوارتسشیلد، اخترشناس آلمانی، با بررسی معادلات این نظریه، راه حلی یافت که فضای اطراف جسم فشرده‌ی بسیار پرجرمی را که میدان گرانشی بسیار شدیدی دارد توصیف می‌کرد. یادآوری می‌کنیم که نیروی گرانش نه تنها به جرم، بلکه به فاصله نیز بستگی دارد؛ از این رو نیروی گرانش (برای مثال نیروی گرانش سطحی) جسم پرجرمی که اندازه‌ی کوچکتری دارد و جرمش بسیار متراکم است، بیشتر است. شوارتسشیلد دریافت که اگر جرم یک جسم چنان متراکم شود که در واقع تمام جرم آن در مرکزش جای بگیرد، آنگاه فضا- زمان در فاصله‌ی معینی از جسم (که اکنون شعاع شوارتسشیلد نامیده می‌شود) هندسه‌ی خاص و شگفت‌انگیزی به خود می‌گیرد. یک فضاپیما، یک ذره، و حتی نور، به هیچ روی نمی‌تواند شعاع شوارتسشیلد را پشت سر بگذارد و از این جسم پرجرم بگریزد. میدان گرانشی جسم چنان قوی می‌شود که حتی پرتوهای نور خمیده می‌شوند، به طوری که نور گسیل شده از جسم دوباره به سوی جرم مرکزی باز می‌گردد.
این جسم پرجرم، از بیرون، غیرقابل مشاهده خواهد بود. نوری از آن بیرون نخواهد تافت و آشکار ساختن آن تنها از روی میدان گرانشی میسر خواهد بود. فضانوردان نادانی که فضاپیمای خود را به نزدیکی این جسم بیاورند، بی‌درنگ فضاپیما را غیرقابل کنترل خواهند یافت، به درون حفره‌ی فضا- زمان کشیده خواهند شد و در دام شعاع شوارتسشیلد گرفتار خواهند شد، و در این هنگام تمام تلاش آن‌ها برای فرستادن پیام رادیویی و خواستن کمک، برای ابد بی‌جواب خواهد ماند.
آنچه در نزدیکی شعاع شوارتسشیلد روی می‌دهد، طبق اصول نسبیت، کاملاً متفاوت است و به این بستگی دارد که آیا ناظر بیرونی و در حال سکون است یا سوار بر یک فضاپیماست و به سوی جسم پرجرم مرکزی که سیاهچاله نامیده می‌شود، می‌شتابد. از بیرون، خواهیم دید که دوستانمان گویی با یک آهنربای قوی، به سوی نقطه‌ای نامرئی کشیده می‌شوند، اما به رغم پیشروی شتاب‌آلودشان، به نظر می‌رسد که تا ابد طول خواهد کشید تا آن‌ها از شعاع شوارتسشیلد به سوی جسم مرکزی نفوذ کنند. از سوی دیگر، این قربانیان، به سبب کند شدن زمانشان، متوجه چنین نامحدودیتی در زمان نخواهند شد. به موازات گذار از حد شوارتسشیلد، دنیای بالای سرشان تیره و تار و به سرعت ناپدید خواهد شد و آن‌ها بی‌رحمانه به سوی مرکز جسم سقوط خواهند کرد.
چه چیزی در مرکز سیاهچاله قرار دارد؟ فیزیکدانان نخست ترجیح میدادند که چندان به این مسئله نپردازند، زیرا محاسبات ریاضی پاسخ نسبتاً نامتقاعد کننده‌ای به دست می‌داد . طبق این محاسبات، پیش‌بینی می‌شود هر چیزی که به چنگ سیاهچاله می‌افتد، از جمله جرم خودش، بی‌درنگ به نقطه‌ای در مرکز سیاهچاله کشیده می‌شود که تَکینِگی نام دارد. نیرویی چنان قوی در فیزیک شناخته نشده است که بتواند در برابر گرانش بی‌اندازه قوی سیاهچاله مقاومت کند. اتم، اتم را درهم می‌شکند، هسته، هسته را و نوترون نوترون را، تا اینکه همه در یک مکان واحد - در یک نقطه‌ی بی‌نهایت کوچک- فشرده می‌شوند.
اکنون فیزیکدانان و اخترشناسان تلاش می‌کنند تا راهی بیابند که در معادلات خود با تکینگی روبه‌رو نشوند. برای دانشمندان، برخورد با چیزهایی مانند تکینگی اصلاً خوشایند نیست، زیرا این‌ها تمام قوانین فیزیک و قواعد طبیعت را درهم فرو می‌ریزند. اکنون، گفتن اینکه پس از سقوط ماده به تکینگی چه روی می‌دهد، ممکن نیست. آیا ماده برای همیشه ناپدید می‌شود؟ آیا به شکل چیز دیگری در می‌آید؟ آیا در رویدادهایی درگیر می‌شود که ما حتی نمی‌توانیم به تصور درآوریم؟ راهی برای شناختن این‌ها وجود ندارد، گویی که ماده واقعاً به یک حالت تکینگی و استثنایی می‌رسد.
بهتر است بدانید که در نیمه‌ی دهه‌ی 1970، هنگامی که آشکار شد برخورد با تکینگی‌ها در سیاهچاله‌ها اجتناب‌ناپذیر است، فیزیکدانان خاطرنشان کردند که دست‌کم فیزیک، در مواجهه با مسئله‌ی تکینگی در نمی‌ماند. فضاپیمای از دست رفته و خدمه‌ی آن می‌باید با تکینگی برخورد کنند، اما برای فیزیکدانانی که در بیرونند، چنین برخوردی پیش نمی‌آید، هیچ راهی هم وجود ندارد که اطلاعاتی از برخورد فضاپیما با تکینگی به بیرون درز کند و از این رو، هرگز به توضیح دادن آن نیازی پیدا نمی‌شود.
باوجود این، در اوایل دهه‌ی 1970، در برخورد با مسئله‌ی تکینگی ، پیشرفت‌هایی حاصل شد که در این امر، فیزیکدان جوان انگلیسی، استفن هاوکینگ نقش عمد‌ه‌ای داشت. هاوکینگ رهیافت نوینی را پیش کشید که عبارت بود از تلفیق نسبیت با مکانیک کوانتومی. مکانیک کوانتومی روشی است برای شناخت ذرات ریز و رویدادهای زیر اتمی. هاوکینگ در سال 1974 نشان داد که اگر اثرات مکانیک کوانتومی با معادلات نسبیت عام توصیف کننده‌ی سیاهچاله‌ها تلفیق شوند، ممکن است با مسئله‌ی تکینگی رودررو نشد. در عوض، ممکن است که سیاهچاله‌ها قادر باشند که به موازات بلعیدن ذرات، ذراتی را هم تولید کنند و ذرات بنیادیی ‌مانند الکترون، نوترون و فوتون (نور) در تمام جهات بگسیلند. از دست دادن ماده به تحلیل جرم سیاهچاله منجر می‌شود و آهنگ گسیل ذرات را افزایش می‌دهد، تا اینکه وضعیتی برای فرار مواد از سیاهچاله فراهم می‌شود و سیاهچاله به حالت انفجار می‌رسد. متأسفانه، زمان لازم برای اینکه سیاهچاله‌ای "معمولی" به جرم چند برابر جرم خورشید یا حتی به جرم خورشید، بدین نحو منفجر شود بسیار طولانی و حتی از عمر جهان نیز بیشتر است. از این رو، ما ناظران بیرونی نمی‌توانیم امید آن را داشته باشیم که انفجار چنین سیاهچاله‌هایی را ببینیم. زمان لازم برای انفجار سیاهچاله‌های ریز بسیار مطلوب است.

مشاهده‌ی سیاهچاله ها

جرم یک ستاره نوترونی نمی‌تواند بیش از حدود سه برابر جرم خورشید باشد. از طرف دیگر، جرم ستاره‌ی نوترونی HZ جاثی، که از روی دوره‌ی تناوب این منظومه‌ی دوتایی تخمین زده شده است در حدود 0/6 جرم خورشید است، که به نظر می‌رسد کران پایین این حد باشد. اما اگر جسم پرجرمی، مثلاً با جرم ده، صد، یا هزار برابر جرم خورشید برمبد، و اگر چرخش جسم برای مقابله با رُمبش کفایت نکند، توقف رُمبش آن غیرمسکن می‌شود. در اين جسم، نه فشار گاز، نه دمای بسيار زياد واکنش‌های هسته‌ای و نه عاملی دیگر، هرقدر هم که شدید باشند، نمی‌توانند از فروریزش ماده به طرف مرکز جسم جلوگیری کنند. نتیجه آن می‌شود که رُمبش شتاب می‌گیرد، و سطح ستاره‌ی رمبنده با سرعت‌های بیشتر و بیشتر به طرف درون حرکت می‌کند، تا اینکه سرانجام جسم به سیاهچاله‌ها تبدیل می‌شود و از نظر پنهان می‌گردد.
البته، مشاهده‌ی سیاهچاله ناممکن است. با وجود این، اخترشناسان امیدوارند که آن‌ها را به یکی از این دو روش آشکار کنند؛ نخست اینکه چون جرم سیاهچاله‌ها بسیار زیاد است، آشکارسازی آن‌ها از روی تأثیر گرانشی که بر اجسام مجاور دارند، امکان‌پذیر است. برای مثال پیشنهاد می‌شود که اگر اخترشناسان جرم‌های تمام ستارگان موجود در یک خوشه‌ی ستاره‌ای را به دقت تعیین کنند و ببینند که مجموع جرم این ستارگان مرئی به طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از جرم کل خوشه است (که از روی حرکت ستارگان خوشه تعیین می‌شود) پس باید جرم قابل مشاهده‌ای – که نشانه‌ی وجود سیاهچاله‌هاست- در خوشه وجود داشته باشد.
مرکز کهکشان‌ها به عنوان مکان‌هایی تلقی می‌شود که در آن‌ها سیاهچاله وجود دارد، زیرا چگالی مواد در آنجا بسیار زیاد است و همچنین محتمل است که در آغاز حیات کهکشان‌ها، اجرام بسیار پرجرمی در آن‌ها وجود داشته و رمبیده است. اگر مشاهده شود که در مرکز کهکشان‌ها جرم کمتری از آنچه بر پایه‌ی محاسبه انتظار می‌رود، وجود دارد، پس وجود سیاهچاله‌ها در این مراکز محتمل است. مثالی از این نوع محاسبه، که در سال 1978 اعلام شد، کهکشان رادیویی غولپیکر 87 M است که در آن مقدار جرم هسته‌ی کهکشان ظاهراً بسیار بیشتر از مقداری است که از روی نور ستارگان هسته به دست می‌آید.
راه دوم برای آشکارسازی سیاهچاله‌ها، یافتن اثرات آن‌ها بر روی مواد میان ستاره‌ای مجاورشان است. می‌توان انتظار داشت که سیاهچاله، به خاطر جرم بسیار زیادی که دارد، گازهای اطراف را به سوی خود می‌کشد، محاسبات نشان می‌دهند که پیش از آنکه گاز به درون سیاهچاله سرازیر و برای همیشه ناپدید شود، نخست در یک حلقه یا لایه به دور سیاهچاله می‌چرخد. تحت چنین شرایطی، حلقه‌ی گاز می‌تواند ویژگی‌های اپتیکی غیرعادیی داشته باشد که آشکارسازی آن‌ها از زمین، محتمل است. کاوش برای یافتن چنین اجرامی ادامه دارد و نمونه‌ای از آن نیز کشف شده است. در صورت فلکی دجاجه منبع پرتوایکس قدرتمندی وجود دارد که به نظر اخترشناسان یک ستاره‌ی دوتایی، یا حداقل یک "چیز" دوتایی است. یک ستاره‌ی ابرغول مرئی به دور یک همدم نامرئی می‌گردد که طیف این همدم، نشانگر وجود حلقه‌ی گازی چرخانی در اطراف آن است. پرتوهای ایکس از جریانی از گاز صادر می‌شوند که از ستاره‌ی مرئی جاری و به سرعت به طرف همدم نامرئی کشیده می‌شود. اخترشناسان، با مطالعه‌ی مدار این منظومه، دوره‌ی تناوب گردش همدم‌ها و نیم محور بزرگ مدار را تعیین کرده‌اند که اندازه‌گیری جرم منظومه را به کمک قوانین نیوتون ممکن می‌کند. معلوم شده است که جرم جسم غیرمرئی، ظاهراً سه برابر جرم خورشید است. این جسم نمی‌تواند یک ستاره‌ی نوترونی باشد و احتمالاً سیاهچاله است. چرا که ستاره‌ای پرجرم، که تنها از روی اثر گرانشی آن بر روی همدمش قابل رویت است و درخشش گازهایی که در دام گریزناپذیر آن فرومی‌افتند، تنها می‌تواند نشانگر وجود سیاهچاله باشد.

سیاهچاله‌های چرخان

بیشتر ستاره‌ها می‌چرخند. خورشید حدود هر 29 روز، یک بار به دور خود می‌چرخد، و چرخش برخی از ستارگان، از چرخش خورشید هم سریع‌تر است. اگر ستاره‌ی پرجرمی به یک سیاهچاله برمبد، سیاهچاله نیز خواهد چرخید، زیرا که در خلال رُمبش چندان فرصتی برای رهایی از اندازه حرکت زاویه‌ای نیست. اگر جسم به آرامی یک ستاره بچرخد، به سبب بقای اندازه حرکت زاویه‌ای، سرعت چرخش آن به هنگام رُمبش، بسیار زیاد خواهد بود. از این رو ممکن است که سیاهچاله، تا زمانی که در شعاع شوارتسشیلد ناپدید شود، با سرعتی باور نکردنی بچرخد. اما نتایج این چرخش چیست؟
فیزیکدانان با وارد کردن چرخش به معادلات مربوط به سیاهچاله‌ها، به نتایج شگفت‌آوری می‌رسند. چرخش، به عوض اینکه ماده را به تکینگی تحویل دهد، آن را در بیرون از این موقعیت می‌جنباند. گویی ماده، پیش از آنکه در آن چگالی نامحدود له شود، به عقب می‌جهد و روبه بیرون می‌گذارد، انگار که رُمبش معکوس شده‌است. افرادی که در فضاپیما گرفتار سیاهچاله شده‌اند، می‌بینید که زندان نسبیتی آن‌ها گشوده شده است و آن‌ها به بیرون پرتاب شده‌اند. آسمان، که با ورود آن‌ها به شعاع شوارتسشیلد، بسته شده بود و دیده نمی‌شد، دوباره باز شده و ستارگان به تدریج آشکار گشته‌اند.
اما دوستان و بستگان آن‌ها در بیرون، به عبث انتظارشان را می‌کشند. ظاهراً، معادلات می‌گویند که این فضانوردان نمی‌توانند به جهان ما بیایند. بلکه به سوی جهان دیگری می‌روند. ستارگانی هم که آن‌ها می‌بینید، دسته‌ای از ستارگان دیگر است.
فوران نور و ماده که ناگهان در این جهان دیگر جرقه می‌زند، "سفید چاله" نام گرفته است و ارتباط میان این جهان و آن جهان، به شوخی "مارپیچ چاله" نامیده می‌شود. این چاله‌ها، می‌توانند جهان ما را با جهانی دیگر مرتبط کنند، یا شاید دو بخش کاملاً جدای جهان را به هم مربوط می‌سازند، اگرچه تنها یک جهان دست‌یافتنی باشد. البته، برای دیدن این سناریو در ریاضیات باید به تخیل و تصور متوسل شد و چیزهایی را دید که به داستان‌های علمی- تخیلی شبیه است تا پیشگویی علمی. گاه، برای مجموعه‌ای از معادلات، راه‌حل‌های گوناگونی وجود دارد که الزاماً همه‌ی آن‌ها راه حل‌های واقعی، که نشانگر چیزی در طبیعت باشند، نیستند.
در نیمه‌ی دهه‌ی 1970، نشان داده شد که سفید چاله‌ها احتمالاً در صورتی می‌توانند وجود داشته باشند که از آغاز جهان پدید آمده باشند. پس سیاهچاله‌ها نیز می‌بایست دقیقاً در جایی که یک تکینگی در آغاز جهان به وجود آمد، رمبیده باشند. این نوع تطابق، اجتناب‌ناپذیر می‌نماید و از این رو، اندیشه‌ی مارپیچ چاله نامحتمل به نظر می‌رسد، اگرچه نمی‌تواند ناممکن باشد.

سیاهچاله‌های ریز

هر ستاره‌ای که می‌رمبد و سیاهچاله می‌شود، می‌باید پرجرم بوده و دست‌کم سه بار یا بیشتر، پرجرمتر از خورشید باشد؛ در غیر این صورت فقط به ستاره‌ی نوترونی یا کوتوله‌ی سفید تبدیل می‌شود. اما هاوکینگ نشان داد که در آغاز انبساط جهان، درست پس از "انفجار بزرگ" فشار باورنکردنی و چگالی بسیار زیاد ماده چنان بوده است که اجسام بسیار کوچکتر توانسته‌اند برمبند و سیاهچاله‌های ریز را تشکیل دهند. برای نمونه، جرم چنین سیاهچاله‌هایی ممکن است گرم (1 میلیارد تن) و شعاعشان تنها سانتیمتر، یعنی تقریباً به اندازه‌ی یک پروتون، باشد. این سیاهچاله‌ها، به خاطر اندازه‌ی بسیار کوچکشان، نمی‌توانند تأثیر زیادی بر محیط اطراف خود داشته باشند و آشکار ساختن آن‌ها نیز، حتی از فاصله چند ده متری، دشوار خواهد بود. ممکن است تعدادی از آن‌ها در منظومه‌ی شمسی وجود داشته باشد، و در کهکشان ما نیز شاید بیش از عدد از این سیاهچاله‌ها موجود باشد، بی‌آنکه ما بتوانیم آن‌ها را کشف کنیم.
اگر چنین سیاهچاله‌هایی در آغاز پیدایش زمان پدید آمده باشند، احتمالاً کسر بزرگی از جرم جهان را در خود بلعیده‌اند. شاید چگالی جهان بیشتر از آن مقداری است که اکنون اندازه می‌گیریم، زیرا مقدار زیادی از جرم به این سیاهچاله‌های ریز نامرئی پیوند خورده است. اخترشناسان، غالباً نگران آن هستند که آنچه در جهان می‌توان دید ممکن است همه‌ی آن چیزی نباشد که در جهان هست؛ سن، شکل و آینده‌ی جهان از اندازه‌گیری چگالی تعیین می‌شود، اما اگر آنچه می‌بینیم تنها بخشی از جهان باشد، پس چگالی جهان را به نادرست اندازه می‌گیریم. از این رو مهم است بدانیم که آیا بخشی از جهان "گم شده است" یا نه. ما هنوز نمی‌دانیم که جرم گمشده به صورت سیاهچاله‌های ریز درآمده است یا نه.
برخی از کیهان‌شناسان براین باورند که اگر سیاهچاله‌های ریز هاوکینگ وجود داشته باشند، شاید بتوان آن‌ها را آشکار کرد. زمان لازم برای انفجار جسمی به جرم یک میلیارد تن، که هاوکینگ محاسبه کرده است، تنها در حدود 10 میلیارد سال، یعنی تقریباً به اندازه‌ی سن جهان است. پس اگر این اجرام درست پس از تولد جهان شکل گرفته باشند، اکنون زمان انفجار آن‌ها فرا رسیده است. شاید مدت زیادی طول نکشد که تابش حاصل از انفجار آن‌ها را، که عمدتاً به شکل پرتوهای گاماست، به کمک ماهواره‌ها آشکار کنیم. هاوکینگ میزان روشنایی این تابش‌ها را نیز پیشگویی کرده است و حال، تلاش ما باید آن باشد که با آشکار کردن این تابش‌ها، سیاهچاله‌های ریز را اندازه‌گیری کنیم. هر چند که نتایج نظری زیادی در این فصل مورد بحث قرار گرفتند، اما باز نظریه‌های زیاد دیگری نیز فرمول‌بندی می‌شوند که هنوز درباره‌ی درست بودن آن‌ها یقین نداریم. اثبات نظریه هنگامی حاصل می‌شودکه بتوانیم پیشگویی‌های آن‌ها را محک بزنیم. درست بودن پیشگویی‌های اینیشتین درباره گرانش و نور، به رغم اینکه ظاهراً موافق عقل سلیم نبود، به مقبولیت نسبیت انجامید. شاید در آینده‌ی نزدیک، پیشگویی‌های مربوط به سیاهچاله‌ها و ارتباطشان با جهان به اثبات رسد، و این اجسام که غیرواقعی می‌نمایند، واقعیت یابند و جزو مفاهیم مهم جهان فیزیکی شوند.
منبع مقاله :
هاچ، پاول؛ (1388)، ساختار ستارگان و کهکشان‌ها، برگردان: توفيق حيدرزاده. تهران: مؤسسه جغرافيايي و کارتوگرافي گيتاشناسي، چاپ هفتم.