گردآورنده: شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

ادامه ذرات بنیادین و نیروهای طبیعت

فرض کنید: فضانوردی بی باک روی سطح ستاره ای در حال فروپاشی، فرود آمده و خود نیز در حال فروپاشی است. او از روی ساعت خودش، هر ثانیه یک علامت به سفینه اش که در حال گردش در مدار ستاره است، می فرستد. فرض کنیم با ساعت این فضانورد، شعاع ستاره در ساعت ۱۱:۰۰، از مقدار بحرانی کمتر می شود. در این شعاع بحرانی، میدان گرانشی چنان نیرومند می شود که هیچ چیز قادر به گریز نیست و علامتهای فضانورد ما دیگر به سفینه نخواهد رسید. وقتی زمان موعود یعنی ۱۱:۰۰، نزدیک می شود، همراهان فضانورد که در سفینه اند، در می یابند که فاصله های زمانی میان علامتهای متوالی ارسالی، طولانی و طولانیتر می شود؛ اما این پدیده پیش ازساعت :۱۰:۵۹:۵۹ بسیار ناچیز است. پس از دریافت علامت ارسالی ۵۹:۵۸: ۱۰، سرنشینان سفینه باید تنها اندکی بیش از یک ثانیه، صبر کنند تا علامت ارسالی در ۱۰:۵۹:۵۹ (براساس ساعت روی ستاره) را دریافت دارند. اما برای دریافت علامت ساعت ۱۱:۰۰ باید تا ابد منتظر بمانند. امواج نوری که در فاصله بین ۵۹ : ۵۹ : ۱۰ و ۱۱:۰۰( با ساعت فضانورد بیباک) از سطح ستاره گسیل می شوند، بدیده سرنشینان سفینه، بر یک دوره نامتناهنی زمانی منتشر می گردند. فاصله های زمانی بین دریافت امواج متوالی بوسیله سفینه، زیادتر و زیادتر می شود و در نتیجه نور ستاره، سرخ و سرختر و ضعیف و ضعیفتر بنظر میرسد. سرانجام، ستاره چنان تاریک می گردد که دیگر از سفینه دیده نمی شود: آنچه برجای می ماند، حفره ای سیاه در فضاست. اما سیاره همچنان، همان  نیروی گرانشی را بر سفینه اعمال میکند و فضاپیما به گردش حول ستاره ادامه می دهد.

اما این سناریو، بدلیل زیر، چندان واقعگرایانه نیست: هر چه فاصله از ستاره بیشتر باشد، گرانش ضعیفتر می شود، پس نیروی جاذبه وارد بر پاهای فضانورد بیباک ما، همواره از نیروی وارد بر سرش بیشتر است. این اختلاف باعث میشود: پیش از آنکه ستاره به شعاع بحرانی برسد و افق رویداد شکل بگیرد، فضانورد ما، مثل اسپاگتی کش بیاید یا آنکه پاره پاره شود! اما میدانیم اشیاء بسیار بزرگتری در جهان یافت میشود که میتواند متحمل فروپاشی گرانشی شود و حفره های سیاه بوجود آورد؛ مثل نواحی مرکزی کهکشانها؛ فضانوردی که روی یکی ازین مناطق باشد، پیش از آنکه حفره سیاه شکل گیرد، تکه تکه نمی شود.

کار مشترک -راجر پنروز- و من( هاوکینگ) در فاصله ۱۹۶۵ و ۱۹۷۰ نشان داد که براساس نسبیت عام، در حفره سیاه باید تکینگی ای با چگالی نامتناهی و انحنای، فضا- زمان بی نهایت وجود داشته باشد. این پدیده تقریباً همانند انفجار بزرگ در آغاز زمان است؛ با این تفاوت که در این مورد، این تکینگی، پایان زمان برای جسم فروپاشیده و فضانورد محسوب می شود. در این تکینگی، قوانین علم و توانائی ما برای پیش بینی آینده، درهم می شکند. اما هیچ یک از ناظرینی که خارج این حفره سیاه قرار داشته باشند، ازین پیش بینی ناپذیری، متأثر نمی شوند، زیرا نه نور و نه هیچ علامت دیگری ازین تکینگی، به آنان نخواهد رسید. این حقیقت پراهمیت، راجر پنروز را بر آن داشت که فرضیه سانسور کیهانی را پیشنهاد نماید که می توان آن را چنین تفسیر کرد: «خداوند از تکینگی عریان نفرت دارد. » به دیگر سخن، تکینگی هایی که از فروپاشی گرانشی ناشی شده اند، مثل حفره های سیاه، در نقاطی واقع می شوند که بوسیله یک افق رویداد، یکسره از دید نامحرمان خارجی محجوب و پنهان می مانند. این دقیقاً همان چیزی است که فرضیه -سانسور کیهانی ضعیف، نامیده می شود: این فرضیه ناظرانی را که بیرون حفره سیاه هستند، از پیامدهای پیش بینی ناپذیری، ویژه تکینگی محافظت میکند، اما برای فضانورد بیچاره و نگون بختی که در سیاهچاله افتاده است، هیچ کاری از دستش ساخته نیست.

برای معادلات نسبیت عام، راه حلهایی وجود دارد که براساس آنها، فضانورد ما می تواند یک تکینگی عریان را ببیند: او می تواند از برخورد با تکینگی اجتناب کند و در عوض درون «یک سوراخ کرم» بیفتد و از یک ناحیه دیگر جهان سر درآورد. این امر امکانات عظیمی برای سیر و سفر در فضا و زمان عرضه می نماید، اما بدبختانه این راه حل ها همگی بسیار ناپایدار بنظر می رسند؛ کمترین اختلال، مثل حضور یک فضانورد، میتواند تغییراتی در آنها پدید آورد که در اینصورت فضانورد ما تنها با برخورد با تکینگی و پایان گرفتن زمانش، می تواند آن را نظاره کند. بدیگر سخن، تکینگی همواره در آینده او قرار دارد و نه در گذشته اش. نگارش قوی فرضیه سانسور کیهانی میگوید:که در یک راه حل واقع بینانه، تکینگی ها همواره یا بطور کامل در آینده قرار دارند (نظیر تکینگی های فروپاشی گرانشی) یا یکسره در گذشته واقع میشوند (مثل انفجار بزرگ). امیدواری بسیاری وجود دارد که نگارشی از فرضیه سانسور کیهانی صدق نماید، زیرا نزدیک تکینگی های عریان، سفر به گذشته ها شاید امکان پذیر شود؛ اگر چه این امر برای نویسندگان داستانهای علمی تخیلی خوشایند است ولی متضمن آنست که زندگی هیچ کس دیگر در امان نیست: امکان دارد یکنفر به گذشته برود و پیش از تولدتان، پدر و مادر شما را به قتل برساند!

افق رویداد، یعنی مرز ناحیه ای از فضا -زمان که گریز از آن امکان پذیر نیست، تا حدی مثل پوسته ای یکسویه در اطراف حفره سیاه عمل می کند: اشیائی نظیر فضانوردان بی احتیاط میتوانند از افق رویداد، گذشته و درون حفره سیاه بیفتند؛ اما هیچ چیز نمی تواند از افق رویداد بگذرد و از حفره سیاه خارج شود. (بیاد داشته باشید که «افق رویداد»، مسیر نور در حال گریز از حفره سیاه در فضا -زمان، است و هیچ چیز نمیتواند از نور سریعتر حرکت کند.) آنچه که -دانته- پیرامون راه ورود به جهنم سروده بود، در مورد افق رویداد نیز صادق است: « هر آنکس که به اینجا وارد می شود، تمامی امیدش را از دست میدهد.» هر چیز یا هر کس در محدوده افق رویداد بیفتد، بزودی به ناحیه ای که چگالی اش نامتناهی است، میرسد و برای او این پایان زمان است.

نسبیت عام پیش بینی می کند که اشیاء سنگین متحرک، موجب گسیل امواج گرانشی می شوند؛ چین و شکن هایی که با سرعت نور در انحنای فضا منتشر می گردند، درست مثل نور، که در واقع چین و شکن هایی در میدان مغناطیسی میباشد؛ اما آشکارسازی امواج گرانشی بس دشوارتر است. امواج گرانشی مثل نور، انرژی را از اشیائی که آنها را گسیل کرده اند، انتقال میدهند. بنابراین انتظار میرود که دستگاهی متشکل از اشیاء دارای جرم زیاد، سرانجام از حرکت باز ایستد، چرا که در هر حرکت، مقداری انرژی بوسیله گسیل امواج گرانشی انتقال می یابد. (تقریباً مثل انداختن یک چوب پنبه در آب: نخست چوب پنبه به شدت بالا و پائین می رود، اما رفته رفته چین و شکن های امواج، انرژی آن را منتقل می سازند و بالاخره چوب پنبه ساکن میشود.) برای مثال، حرکت زمین بگرد خورشید، موجب گسیل امواج گرانشی می شود. نتیجه اتلاف انرژی حاصل ازین امر، تغییر مدار زمین میباشد، بطوریکه رفته رفته کره ما به خورشید نزدیکتر میشود و عاقبت با آن برخورد میکند و بحال سکون در می آید. البته میزان اتلاف انرژی در این مورد بسیار ناچیز است، یعنی تقریباً برابر است با: انرژی لازم برای گرم کردن یک اجاق برقی کوچک. در نتیجه حدود یکهزار ملیون ملیون ملیون ملیون سال طول خواهد کشید تا سرانجام زمین با خورشید تصادف کند، بنابراین دلیل عاجلی برای نگرانی وجود ندارد! میزان تغییر در مدار زمین بسیار ناچیز است و قابل مشاهده نیست، اما در طی چند سال گذشته، همین پدیده در مورد دستگاهی بنام 16+1913  PSR )-PSR مخفف کلمه پالسار است: نوع خاصی از ستاره های نوترونی که با ضربانهای منظم، امواج رادیوئی گسیل می کنند) مشاهده شده است. این دستگاه از دو ستاره  نوترونی تشکیل میشود: که گرد یکدیگر در حال چرخشند و به سبب گسیل امواج گرانشی و اتلاف انرژی، بطور مارپیچی بسوی هم حرکت می کنند.

در طول فروپاشی گرانشی یک ستاره و تشکیل حفره سیاه، سرعت حرکات، بسیار بالاتر از پیش است و بنابراین میزان انتقال انرژی بسیار بیشتر می باشد و در نتیجه، چیزی نمی گذرد که سکون و ایستائی چیره میگردد. این وضعیت فرجامین و نهائی، به چه چیز می ماند؟ میتوان فرض کرد که این حالت به ویژگیهای مرکب و مختلف ستاره بستگی دارد: بعنوان مثال جرم ستاره و سرعت گردش آن، چگالی بخشهای مختلف ستاره و حرکتهای پیچیده  گازهای درون آن – و چنانچه تنوع و گونه گونی حفره های سیاه، به همان اندازه تنوع اشیاء تشکیل دهنده آن باشد، پیش بینی کلی پیرامون حفره های سیاه ، بس دشوار خواهد بود.

اما در سال ۱۹۷۶،-ورنر اسرائیل، دانشمند کانادائی( او متولد برلن بود و در آفریقای جنوبی بزرگ شده بود و درجه دکترایش را در ایرلند گرفته بود)، پژوهش روی حفره های سیاه را دستخوش انقلاب نمود. اسرائیل نشان داد که بر طبق نسبیت عام، حفره های سیاهی که در حال چرخش نیستند، باید بسیار ساده باشند؛ آنها کاملاً کروی اند و اندازه شان تنها به جرمشان بستگی دارد و هر دو حفره سیاهی که جرم یکسانی داشته باشند، مثل یکدیگرند. در واقع با یک جواب خاص معادلات انشتین، میتوان آنها را توصیف کرد. این جواب خاص، بفاصله کوتاهی پس از کشف نسبیت عام، یعنی در سال ۱۹۱۷، بوسیله -کارل شوارتس شیلد، پیدا شده بود. در آغاز افراد بسیاری از جمله خود اسرائیل، استدلال میکردند که حفره های سیاه، تنها از فروپاشی اجسام کاملاً کروی بوجود می آیند: چرا که یک حفره سیاه خود باید کاملاً کروی باشد. بنابراین، هر ستارۀ حقیقی و واقعی، بخاطر آنکه هرگز بطور کامل کروی نیست، پس از فروپاشی، تنها یک تکینگی عریان بوجود خواهد آورد.

ادامه دارد…