شرایطی که می‌تواند ناقض نظریه نسبیت عام باشد

از آنجا که سياه‌چاله‌ها به احتمال زياد بار زيادي ندارند، در واقع فقط دو ويژگي ديگر باقي مي‌ماند. در واقع اگر جرم و سرعت چرخش سياه‌چاله‌اي را بدانيد، همه چيز را در مورد آن سياه‌چاله خواهيد دانست.

اين ويژگي اغلب در قضيه يا نظريه "بدون مو" خلاصه مي‌شود. اين قضيه به طور مشخص ادعا مي‌کند که هنگامي که ماده در يک سياه‌چاله سقوط مي‌کند، تنها ويژگي که باقي مي‌ماند، جرم است.

نظريه "بدون مو" بيان مي‌دارد که همه جواب‌هاي سياهچاله‌ايِ معادلات گرانش و الکترومغناطيس اينشتين-ماکسوِل در نسبيت عام را مي‌توان به وسيله سه پارامتر کلاسيک قابل مشاهده از بيرون مشخص کرد:  جرم، بار الکتريکي و تکانه زاويه‌اي. همه اطلاعات ديگر که در اين نظريه به مو تشبيه شده‌اند، درباره موادي که سياه‌چاله را تشکيل داده‌اند يا موادي که به درون آن ريزش مي‌کنند، در پشت افق رويداد سياه‌چاله ناپديد مي‌شوند و براي هميشه از دسترس مشاهده ناظرين خارجي خارج مي‌شوند.

به عنوان مثال دو سياه‌چاله را در نظر بگيريد که جرم، بار و تکانه زاويه‌اي يکساني دارند. يکي از آنها از ماده معمولي تشکيل شده‌ است، درحالي‌ که ديگري از ضد ماده تشکيل شده‌ است. اين دو سياه‌چاله از ديدِ ناظري در بيرونِ افق رويداد قابل تمايز نخواهند بود.

در هر صورت افق رويداد يک سياه‌چاله کاملاً صاف و بدون هيچ ويژگي اضافي است و اصطلاحا سياه‌چاله‌ها مو ندارند.

اما نسبيت عام با تمام قدرت پيش‌بيني خود با نظريه کوانتوم تطابق ندارد. اين اختلاف به ويژه در مورد سياه‌چاله‌ها صدق مي‌کند. اگر قضيه بدون مو درست باشد، اطلاعاتي که درون يک جسم نگهداري مي‌شود با عبور از افق رويداد از بين مي‌رود. اين در حالي است که نظريه کوانتوم مي‌گويد که اطلاعات هرگز نمي‌توانند از بين بروند. بنابراين نظريه معتبر گرانش با نظريه معتبر کوانتوم مغايرت دارد. اين امر منجر به مشکلات و تناقضاتي شده است که به عنوان مثال نمي‌توان مشخص کرد که يک افق رويداد بايد گرم باشد يا سرد.

چندين نظريه براي حل اين تناقض ارائه شده است که اغلب شامل بسط نظريه نسبيت است. اما تفاوت بين نسبيت استاندارد و اين نظريه‌هاي اصلاح شده فقط در شرايط شديد ديده مي‌شود و مطالعه مشاهده‌اي آنها را دشوار مي‌کند.

اما اکنون يک مقاله در مجله Physical Review Letters  نشان مي‌دهد که چگونه ممکن است از طريق چرخش سياه‌چاله بتوان اين موضوع را مطالعه کرد.

بسياري از نظريه‌هاي اصلاح شده نسبيت يک پارامتر اضافي دارند که در نظريه استاندارد ديده نمي‌شود. اين پارامتر اضافي به نام "ميدان نرده‌اي بدون جرم" شناخته مي‌شود که به مدل اينشتين اجازه مي‌دهد تا با نظريه کوانتوم به گونه‌اي مطابق شود که متناقض آن نباشد.

در علم فيزيک، فيزيک نظري مدل‌هاي مختلفي براي توضيح جهان شتاب‌دار تاکنون مطرح کرده که همگي به مقوله انرژي تاريک مربوط مي‌شوند. توضيح رياضياتي اين پديده، "نظريه ميدان نرده‌اي" ناميده مي‌شود که مجموعاً به چهار فرم اثر، فانتوم، تاچيون و کوانتومي تقسيم مي‌شود.

محققان در اين مطالعه جديد، چگونگي اتصال چنين ميدان نرده‌اي به چرخش سياه‌چاله را بررسي کردند. آنها دريافتند که يک سياه‌چاله اصلاح شده در چرخش کم، از مدل استاندارد قابل تمايز نيست، اما در چرخش سريع، ميدان نرده‌اي اجازه مي‌دهد سياه‌چاله داراي ويژگي‌هاي اضافي باشد. به عبارت ديگر، در اين مدل‌هاي جايگزين، سياه‌چاله‌هايي که به سرعت در حال چرخش هستند، مي‌توانند مو داشته باشند.

جنبه‌هاي مويي سياه‌چاله‌هاي چرخان فقط در نزديکي افق رويداد ديده مي‌شوند، اما بر روي ادغام سياه‌چاله‌ها نيز تأثير خواهند گذاشت. همانطور که نويسندگان اين مطالعه اشاره کردند، رصدخانه‌هاي موج گرانشي آينده بايد بتوانند از سياه‌چاله‌هايي که به سرعت در حال چرخش هستند، استفاده کنند تا تعيين کنند آيا مدل جايگزين براي نسبيت عام معتبر است يا خير.

نظريه نسبيت عام اينشتين تاکنون از هر چالش مشاهده‌اي به سلامت عبور کرده است، اما احتمالاً در شديدترين محيط‌هاي جهان نقض خواهد شد. مطالعاتي مانند اين مطالعه جديد نشان مي‌دهد که چگونه ممکن است بتوانيم نظريه‌اي را که پس از آن مي‌آيد، کشف کنيم.