علم روز/ درستي يکي از مشهوترين قضاياي استيون هاکينگ با استفاده از نوسانات فضا-زماني ايجاد شده توسط جفت سياه‌چاله‌ها تأييد شده است.
ما جمعي از علاقمندان به علم و انديشه هستيم که دوست داريم چيزهايي که در علم و فلسفه براي ما جذاب هست با شما به اشتراک بگذاريم. هدف ما ترويج دانش و گسترش آگاهي و انديشه در بين جامعه است.
قضيه مساحت سطح سياه‌چاله، که هاکينگ آن را در ۱۹۷۱ با استفاده از نسبيت عام اينشتين بدست آورد، بيان مي‌دارد که غير ممکن است مساحت سطح يک سياه‌چاله طي زمان کاهش يابد. اين قاعده مورد علاقه فيزيکدانان است زيرا بطور نزديک با قانون ديگري که ظاهرا راستاي زمان را مشخص مي‌کند ارتباط نزديک دارد: قانون دوم ترموديناميک، که مي‌گويد انتروپي يا بي‌نظمي براي يک سيستم بسته همواره بايد افزايش يابد. از آنجا که انتروپي سياه‌چاله متناسب با مساحت آن است، هر دو مي‌بايست افزايش يابند.

بر طبق پژوهش جديد، تأييد قانون مساحت توسط محققان ظاهرا دلالت بر اين دارد که ويژگي‌هاي سياه‌چاله‌ها سرنخ‌هاي کليدي براي قوانين پنهان شده‌ي حاکم بر جهان هستند. بطرز عجيبي، به نظر مي‌رسد قانون مساحت با يکي ديگر از قضاياي مشهور هاکينگ در تضاد باشد: اينکه سياه‌چاله‌ها مي‌بايست طي مقياس زماني بسيار طولاني تبخير شوند، بنابراين درک منشاء اين تناقض بين دو نظريه مي‌تواند فيزيک جديدي را آشکار کند.

ماکسيميليانو ايسي نويسنده مسئول در اين پژوهش که اخترفيزيکداني در مؤسسه فناوري ماساچوست (MIT) است به ما مي‌گويد:
مساحت سطح يک سياه‌چاله نمي‌تواند کاهش يابد، که مشابه قانون دوم ترموديناميک است. همچنين پايستگي جرم نيز داريم، شما نمي‌توانيم جرم آن را کاهش دهيد، که مشابه با قانون پايستگي انرژي است. در ابتدا مردم مي‌گفتند “واو، اين يک تصادف باحال است” اما ما خيلي زود دريافتيم که اين يک چيز بنيادي است. سياه‌چاله‌ها انتروپي دارند، و آن نيز متناسب با سطح آن‌هاست. اين يک تصادف بامزه نيست، بلکه يک واقعيت ژرف درباره جهان است.

مساحت سطح سياه‌چاله توسط مرز کروي شکل آن که افق رويداد نام دارد مشخص مي‌شود. طبق تفسير هاکينگ از نسبيت عام، همچنان که مساحت سطح سياه‌چاله همراه با جرم آن افزايش مي‌يابد، و به اين دليل که هيچ چيز از درون آن نمي‌تواند بگريزد، مساحت سطح آن نمي‌تواند کاهش يابد. اما مساحت سياه‌چاله با چرخش سريع‌تر آن منقبض مي‌شود، پس محققان فکر کردند که آيا ممکن است يک جسم را آنقدر شديد به درون سياه‌چاله پرتاب کنيم تا چرخش سياه‌چاله به حدي برسد که مساحت آن کاهش يابد.

دکتر ايسي مي‌گويد:
شما سرعت چرخش آن را افزايش خواهيد داد، اما نه آنقدر که با جرمي که به آن افزوده‌ايد در توازن شود. هر آنچه انجام دهيد، جرم و اسپين طوري خواهد بود که باز هم مساحت سياه‌چاله بزرگتر خواهد شد.
براي آزمودن اين نظريه، محققان امواج گرانشي که اعوجاج‌هايي در بافت فضا-زمان هستند را که 1.3 ميليارد سال قبل منتشر شده و ناشي از دو سياه‌چاله غول پيکر که با سرعت بالا در حال چرخش به دور يکديگر هستند بوده است را مورد تجزيه و تحليل قرار دادند. اين اولين امواج گرانشي آشکار شده توسط LIGO در سال ۲۰۱۵ بود.

با تقسيم سيگنال موج گرانشي به دو بخش- قبل و بعد از ادغام دو سياه‌چاله- محققان جرم و اسپين هر دو سياه‌چاله‌ي اوليه و همچنين سياه‌چاله ادغام شده را محاسبه کردند. اين اعداد به آن‌ها امکان محاسبه سطح هر سياه‌چاله قبل و بعد از برخورد را داد.

دکتر ايسي مي‌گويد:
همچنان که اين جفت سياه‌چاله دور يکديگر سريع و سريع‌تر مي‌چرخند، دامنه امواج گرانشي بيشتر مي‌شود تا زماني که آن‌ها به هم برخورد کنند و يک انفجار امواج گرانشي را توليد کنند. آن‌چه باقي مي‌ماند يک سياه‌چاله جديد است که در اين حالت برانگيخته، شما مي‌توانيد با تحليل ارتعاشات، آن را مورد مطالعه قرار دهيد. اين کار شبيه به به صدا درآوردن يک زنگوله است، اوج و فرودها و طول زماني زنگ زدن به شما ساختار زنگ را مشخص مي‌کند و همچنين از چه چيزي ساخته شده است.
مساحت سطح سياه‌چاله‌ي تازه تشکيل يافته بزرگتر از مجموع دو سياه‌چاله اوليه است، که قانون مساحت هاکينگ را با سطح اطمينان بيش از ۹۵ درصد تأييد مي‌کند. نظريه نسبيت عام- که قانون مساحت از آن گرفته شده- نقش مؤثري در توصيف سياه‌چاله‌ها و ديگر اجرام بزرگ مقياس انجام مي‌دهد.

با اين وجود، معماي واقعي، زماني آغاز مي‌شود که تلاش مي‌کنيم نسبيت عام را با مکانيک کوانتومي جمع کنيم. اتفاقات عجيبي شروع به رخ دادن مي‌کنند، و قوانين فيزيک در هم مي‌شکند.
اين به اين خاطر است که سياه‌چاله‌ها طبق نسبيت عام نمي‌توانند منقبض شوند، اما طبق مکانيک کوانتومي مي‌توانند. فيزيکدان بريتانيايي نامدار در پشت قانون مساحت سياه‌چاله، همچنين مفهوم تابش هاکينگ را نيز توسعه داده است بدين صورت که يک مه از ذرات در لبه‌ي سياه‌چاله از طريق اثرات کوانتومي عجيب و غريبي توليد و منتشر مي‌شود. اين پديده منجر به انقباض سياه‌چاله‌ها مي‌شود،‌ و سرانجام، طي زماني بسيار طولاني‌تر از سن فعلي کيهان، سياه‌چاله تبخير مي‌شود. اين تبخير ممکن است در مقياس‌هاي زماني‌ِ طولاني رخ دهد که قانون مساحت را در کوتاه مدت نقض نکند، اما اين يک تسلاي اندک براي فيزيکدان‌هاست.

ايسي بيان مي‌کند که:
بطور آماري، طي دوره زماني طولاني، قانون نقض مي‌شود. مثل آب جوشاني است که بخار از روي آن تبخير مي‌شود، اما اگر مشاهده خودتان را محدود به آب در حال ناپديد شدن درون ظرف کنيد، ممکن است وسوسه شويد که انتروپي ظرف در حال کاهش است. اما اگر بخار را نيز وارد ماجرا کنيد، انتروپي کلي شما افزايش يافته است. اين همان چيزي است که در سياه‌چاله‌ها و تابش هاکينگ داريم.
با ثابت شدن قانون مساحت براي مدت زمان متوسط، گام‌هاي بعدي محققان تحليل داده‌هاي بدست آمده از مشاهدات بيشتر امواج گرانشي براي يافتن بينش عميق‌تر از سياه‌چاله‌هاست.

دکتر ايسي اضافه مي‌کند:
من به اين اجرام (سياه‌چاله‌ها) وسواس پيدا کرده‌ام زيرا آن‌ها واقعا متناقض‌نما (پارادوکسي) هستند. آن‌ها بي‌نهايت اسرارآميز و گيج کننده هستند، و هم‌زمان مي‌دانيم که ساده‌ترين اجرام موجود هستند. و همچنين اين واقعيت که آن‌ها جايي هستند که مکانيک کوانتوم و گرانش با هم تلاقي مي‌يابند، آن‌ها را به زمين بازي بسيار خوبي براي درک واقعيت جهان تبديل مي‌کند.

نتايج اين تحقيق در Physical Review Letters به چاپ رسيده است.

به پيج اينستاگرامي «آخرين خبر» بپيونديد
instagram.com/akharinkhabar