کشف جدید دیدگاه ما نسبت به سیاه‌چاله‌ها را دگرگون می‌کند
سیاه‌چاله‌ها همچنان عجیب‌تر می‌شوند.
عبارت ریاضیاتی عجیبی که نشان از وجود فشار در سیاه‌چاله‌ها است.
فشار سیاهچاله
سیاه‌چاله‌ها هر روز عجیب‌تر می‌شوند. اولین بار در دهه ۱۹۷۰ بود که دانشمندان وجود سیاه‌چاله‌ها را تأیید کردند، و ما تصور کردیم که آن‌ها اجساد ستار‌ه‌ای بسیار ساده‌ای هستند. پس از آن بود که فیزیکدان مشهور استیون هاکینگ کشف کرد که سیاه‌چاله‌ها کاملا سیاه نیستند و در واقع تابش گرمایی دارند. و اکنون، دو نفر از فیزیکدانان پی برده‌اند که این اجسام تاریک به نوعی فشاری به محیط اطرافشان وارد می‌کنند.
Xavier Calmet استاد فیزیک دانشگاه ساسکس (Sussex) در انگلیس می‌گوید:
این یافته که سیاه‌چاله‌های ساده و غیر چرخان علاوه بر دما دارای فشار نیز هستند هیجان و شگفتی را برانگیخته است.
کلمت و دانشجوی وی فولکرت کایپرز در حال بررسی اثرات کوانتومی در نزدیکی مرز افق رویداد سیاهچاله بودند، چیزی که به سختی می‌توان آن را اثبات کرد. برای این هدف، محققان روشی را به کار بردند تا محاسبات را ساده کنند. همچنان که روی موضوع کار میکردند، یک جمله عجیب در جواب ریاضیاتی آن‌ها ظاهر شد. پس از ماه‌ها سردرگمی، آن‌ها معنای این جمله کشف شده جدید را دریافتند: این جمله مربوط به فشار تولید شده توسط یک سیاهچاله است. هیچکس پیش از این نمی‌دانست که چنین چیزی امکان‌پذیر است، و این اتفاق روش تفکر دانشمندان پیرامون سیاه‌چاله‌ها و رابطه‌ی آن با باقی جهان را دگرگون می‌کند.
ماشین گرمایی هاکینگ
در دهه ۱۹۷۰، هاکینگ اولین فیزیکدانی بود که مکانیک کوانتومی را برای درک آن‌چه که در افق رویداد سیاهچاله رخ می‌دهد به کار برد یعنی همان‌جایی که فراتر از آن هیچ نور و هیچ چیز دیگری نمی‌تواند بگریزد. پیش از این کار، همه تصور میکردند که سیاه‌چاله‌ها اجسام بسیار ساده‌ای هستند. بر طبق نسبیت عام، یعنی همان نظریه‌ای که اولین بار پیشنهاد وجود سیاه‌چاله‌ها را مطرح کرد، هیچ چیز قابل توجهی درباره افق رویداد وجود ندارد. افق رویداد صرفا یک مرز از سیاهچاله است، که برای خروج از این مرز نیازمند سرعتی فراتر از نور هستید. اما این مرز صرفا یک خط فرضی در فضا بود- اگر از آن عبور کنید اصلا متوجه نخواهید شد، تا زمانی‌که سعی نکنید دور بزنید و آن‌جا را ترک کنید.
هاکینگ همه چیز را تغییر داد. وی دریافت که کف کوانتومی- که منظور از آن دریایی از ذرات است که در خلاء بطور دائمی خلق می‌شوند و سپس بلافاصله از بین می‌روند- می‌تواند نگاه ساده‌ی ما به افق رویداد را تغییر دهد. گاهی برخی از زوج‌های ماده و پاد-ماده از ذرات خلاء می‌تواند بطور آنی از خلاء پدید آیند، سپس با آزاد کردن انرژی نابود می‌شوند و به حالت اولیه خود در خلاء باز می‌گردند. اما وقتی این اتفاق در مرز یک سیاهچاله رخ می‌دهد، یکی از ذرات می‌تواند توسط افق رویداد به دام افتاده و ذره دیگر فرار کند. سیاهچاله تاوان انرژی ذره گریخته را خواهد پرداخت و جرم از دست می‌دهد.
این فرآیند که به نام تابش هاکینگ شناخته می‌شود، و از طریق این تابش دریافته‌ایم که سیاه‌چاله‌ها ۱۰۰ درصد سیاه نیستند. آن‌ها به مقدار بسیار کمی تابش می‌کنند. این تابش که به نام «تابش جسم سیاه» شناخته می‌شود، بدان معناست که سیاه‌چاله‌ها گرما و انتروپی (بی‌نظمی) و دیگر عباراتی که معمولا برای اجسام معمولی نظیر یخچال‌ها و ماشین‌های گرمایی به کار می‌بریم را دارند.
یک روش مؤثر
هاکینگ بر روی چگونگی اثرات کوانتومی در همسایگی سیاهچاله تمرکز کرد. اما این همه داستان نیست. مکانیک کوانتومی نیروی گرانش را شامل نمی‌شود، و یک توصیف کامل از آن‌چه که نزدیک افق رویداد رخ می‌دهد مستلزم گرانش کوانتومی است، یعنی توصیف این‌که چطور نیروی قوی گرانش در مقیاس‌های بسیار ریز عمل می‌کند.
از دهه ۱۹۷۰، فیزیکدانان متعددی شانس خود را برای توسعه نظریه گرانش کوانتومی و به کار بردن آن در فیزیک افق رویداد سیاهچاله امتحان کرده‌اند. آخرین تلاش مطالعه اخیر Calmet و Kuipers که در ژورنال Physical Review D چاپ شده است می‌باشد.
کلمت اظهار می‌کند:
شهود برجسته‌ی هاکینگ از این‌که سیاهچاله دارای طیف تابشی شبیه به یک جسم سیاه هستند، سیاه‌چاله‌ها را به یک آزمایشگاه ایده‌آل برای واکاوی اثرات متقابل مکانیک کوانتومی، گرانش و ترمودینامیک بدل کرده است.
بدون یک نظریه کامل گرانش کوانتومی، این دو محقق از یک روش تقریبی به نام نظریه میدان مؤثر یا EFT استفاده کردند. این نظریه فرض می‌کند که گرانش در سطوح کوانتومی ضعیف است- فرضی که به شما امکان پیشروی در محاسبات بدون این‌که همه چیز از هم گسسته شود، که معمولا وقتی گرانش را در رژیم کوانتومی با شدت بالا مدل‌سازی می‌کنیم رخ می‌دهد را می‌دهد. در عین حال که این محاسبات تصویر کامل از افق رویداد را بدست نخواهد داد، ممکن است بینشی درباره درون سیاهچاله بدست دهد.
کلمت توضیح می‌دهد:
اگر سیاه‌چاله‌ها را تنها با نسبیت عام تصور کنید، می‌توان نشان داد که آن‌ها یک تکینگی در مرکز هستند که قوانین فیزیکی که ما می‌شناسیم در آن‌جا دچار شکست می‌شوند. امید آن است که وقتی نظریه میدان کوانتومی را در نسبیت عام وارد کنیم، ممکن است یک توصیف جدید از سیاه‌چاله‌ها داشته باشیم.
در این‌جا فشار وارد می‌شود
کلمت و کایپرز در حال بررسی ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها با استفاده از نظریه EFT در همسایگی افق رویداد بودند که متوجه یک عبارت ریاضیاتی عجیب در معادلاتشان شدند. در ابتدا، این عبارت آن‌ها را کاملا مبهوت کرد- آن‌ها نمی‌دانستند که به چه معناست و چطور باید تفسیر شود. اما در طی گفتگویی در روز کریسمس سال ۲۰۲۰ اوضاع تغییر کرد.
آن‌ها متوجه شدند که این عبارت عجیب در معادلات نمایانگر یک نوع فشار است. یک فشار واقعی. همان فشاری که هوای داغ درون یک بادکنک ایجاد می‌کند یا فشار روی پیستون درون یک موتور ماشین.
کایپرز به یاد می‌آورد که:
لحظه‌ای که متوجه شدیم نتیجه معمایی در معادلات ما می‌گوید که سیاهچاله‌ای که ما در حال مطالعه آن بودیم دارای فشار است-پس از ماه ها مبارزه با آن-هیجان انگیز بود.
این فشار به طرز مسخره‌ای کوچک است، کمتر از ۱۰۵۴ برابر کمتر از فشار هوا در زمین. اما وجود دارد. آن‌ها همچنین پی بردند که فشار می‌تواند مثبت یا منفی باشد، بسته ادغام خاص ذرات کوانتومی نزدیک سیاهچاله. یک فشار مثبت شبیه فشاری است که بادکنک را باد شده نگاه می‌دارد، اما فشار منفی شبیه به تنشی است که وقتی یک نوار لاستیکی را می‌کشید ایجاد می‌شود.
نتایج آن‌ها این ایده را که سیاهچاله به عنوان موجودات ترمودینامیکی نه تنها دما و انتروپی دارند بلکه فشار دارند را گسترش می‌دهد. از آن‌جا که کار آن‌ها تنها گرانش کوانتومی ضعیف را مدل می‌کند و گرانش قوی را در نظر نمی‌گیرد، نمی‌تواند بطور کامل رفتار سیاهچاله را توضیح دهد اما یک گام مهم است.
کلمت نتیجه می‌گیرد:
کار ما یک گام در این راستا است، و اگرچه فشار اعمال شده توسط سیاهچاله در این مطالعه بسیار کوچک است، این واقعیت که این فشار وجود دارد امکان‌های جدید گسترده‌ای را می‌گشاید، که از مطالعات اخترفیزیکی، فیزیک ذرات و فیزیک کوانتوم را در بر می‌گیرد.
