نظریه مشهور استیون هاکینگ پیرامون سیاه‌چاله‌ها تأیید شد

قضیه مساحت سطح سیاه‌چاله، که هاکینگ آن را در ۱۹۷۱ با استفاده از نسبیت عام اینشتین بدست آورد، بیان می‌دارد که غیر ممکن است مساحت سطح یک سیاه‌چاله طی زمان کاهش یابد. این قاعده مورد علاقه‌ی فیزیکدانان است زیرا بطور نزدیک با قانون دیگری که ظاهرا راستای زمان را مشخص می‌کند ارتباط نزدیک دارد: قانون دوم ترمودینامیک، که می‌گوید انتروپی یا بی‌نظمی برای یک سیستم بسته همواره باید افزایش یابد. از آنجا که انتروپی سیاه‌چاله متناسب با مساحت آن است، هر دو می‌بایست افزایش یابند.

بر طبق پژوهشی جدید، تأیید قانون مساحت توسط محققان ظاهرا دلالت بر این دارد که ویژگی‌های سیاه‌چاله‌ها سرنخ‌های کلیدی برای قوانین پنهان شده‌ی حاکم بر جهان هستند. بطرز عجیبی، به نظر می‌رسد قانون مساحت با یکی دیگر از قضایای مشهور هاکینگ در تضاد باشد: اینکه سیاه‌چاله‌ها می‌بایست طی مقیاس زمانی بسیار طولانی تبخیر شوند، بنابراین درک منشاء این تناقض بین دو نظریه می‌تواند فیزیک جدیدی را آشکار کند.

ماکسیمیلیانو ایسی نویسنده مسئول در این پژوهش که اخترفیزیکدانی در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) است به ما می‌گوید:

مساحت سطح یک سیاه‌چاله نمی‌تواند کاهش یابد، که مشابه قانون دوم ترمودینامیک است. همچنین پایستگی جرم نیز داریم، شما نمی‌توانید جرم آن را کاهش دهید، که مشابه با قانون پایستگی انرژی است. در ابتدا مردم می‌گفتند “واو، این یک تصادف باحال است” اما ما خیلی زود دریافتیم که این یک چیز بنیادی است. سیاه‌چاله‌ها انتروپی دارند، و آن نیز متناسب با سطح آن‌هاست. این یک تصادف بامزه نیست، بلکه یک واقعیت ژرف درباره جهان است.

مساحت سطح سیاه‌چاله توسط مرز کروی شکل آن که افق رویداد نام دارد مشخص می‌شود. طبق تفسیر هاکینگ از نسبیت عام، همچنان که مساحت سطح سیاه‌چاله همراه با جرم آن افزایش می‌یابد، و به این دلیل که هیچ چیز از درون آن نمی‌تواند بگریزد، مساحت سطح آن نمی‌تواند کاهش یابد. اما مساحت سیاه‌چاله با چرخش سریع‌تر آن کاهش می‌یابد، پس محققان فکر کردند که آیا ممکن است یک جسم را آنقدر شدید به درون سیاه‌چاله پرتاب کنیم تا چرخش سیاه‌چاله به حدی برسد که مساحت آن کاهش یابد.

دکتر ایسی می‌گوید:

شما سرعت چرخش آن را افزایش خواهید داد، اما نه آنقدر که با جرمی که به آن افزوده‌اید در توازن شود. هر آنچه انجام دهید، جرم و اسپین طوری خواهد بود که باز هم مساحت سیاه‌چاله بزرگتر خواهد شد.

برای آزمودن این نظریه، محققان امواج گرانشی که اعوجاج‌هایی در بافت فضا-زمان هستند را که 1.3 میلیارد سال قبل منتشر شده و ناشی از دو سیاه‌چاله غول پیکر که با سرعت بالا در حال چرخش به دور یکدیگر هستند بوده است را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. این اولین امواج گرانشی آشکار شده توسط LIGO در سال ۲۰۱۵ بود.

با تقسیم سیگنال موج گرانشی به دو بخش- قبل و بعد از ادغام دو سیاه‌چاله- محققان جرم و اسپین هر دو سیاه‌چاله‌ی اولیه و همچنین سیاه‌چاله ادغام شده را محاسبه کردند. این اعداد به آن‌ها امکان محاسبه سطح هر سیاه‌چاله قبل و بعد از برخورد را داد.

دکتر ایسی می‌گوید:

همچنان که این جفت سیاه‌چاله دور یکدیگر سریع و سریع‌تر می‌چرخند، دامنه امواج گرانشی بیشتر می‌شود تا زمانی که آن‌ها به هم برخورد کنند و یک انفجار امواج گرانشی را تولید کنند. آن‌چه باقی می‌ماند یک سیاه‌چاله جدید است که در این حالت برانگیخته، شما می‌توانید با تحلیل ارتعاشات، آن را مورد مطالعه قرار دهید. این کار شبیه به صدا درآوردن یک زنگوله است، اوج و فرودها و طول زمانی زنگ زدن به شما ساختار زنگ را مشخص می‌کند و همچنین اینکه از چه چیزی ساخته شده است.

مساحت سطح سیاه‌چاله‌ی تازه تشکیل یافته بزرگتر از مجموع دو سیاه‌چاله اولیه است، که قانون مساحت هاکینگ را با سطح اطمینان بیش از ۹۵ درصد تأیید می‌کند. نظریه نسبیت عام- که قانون مساحت از آن گرفته شده- نقش مؤثری در توصیف سیاه‌چاله‌ها و دیگر اجرام بزرگ مقیاس انجام می‌دهد.

با این وجود، معمای واقعی، زمانی آغاز می‌شود که تلاش می‌کنیم نسبیت عام را با مکانیک کوانتومی جمع کنیم. اتفاقات عجیبی شروع به رخ دادن می‌کنند، و قوانین فیزیک در هم می‌شکند.

این به این خاطر است که سیاه‌چاله‌ها طبق نسبیت عام نمی‌توانند منقبض شوند، اما طبق مکانیک کوانتومی می‌توانند. فیزیکدان بریتانیایی نامدار در پشت قانون مساحت سیاه‌چاله، همچنین مفهوم تابش هاکینگ را نیز توسعه داده است بدین صورت که یک مه از ذرات در لبه‌ی سیاه‌چاله از طریق اثرات کوانتومی عجیب و غریبی تولید و منتشر می‌شود. این پدیده منجر به انقباض سیاه‌چاله‌ها می‌شود،‌ و سرانجام، طی زمانی بسیار طولانی‌تر از سن فعلی کیهان، سیاه‌چاله تبخیر می‌شود. این تبخیر ممکن است در مقیاس‌های زمانی‌ِ طولانی رخ دهد که قانون مساحت را در کوتاه مدت نقض نکند، اما این یک تسلای اندک برای فیزیکدان‌هاست.

ایسی بیان می‌کند که:

بطور آماری، طی دوره زمانی طولانی، قانون نقض می‌شود. مثل آب جوشانی است که بخار از روی آن تبخیر می‌شود، اما اگر مشاهده خودتان را محدود به آب در حال ناپدید شدن درون ظرف کنید، ممکن است وسوسه شوید که انتروپی ظرف در حال کاهش است. اما اگر بخار را نیز وارد ماجرا کنید، انتروپی کلی شما افزایش یافته است. این همان چیزی است که در سیاه‌چاله‌ها و تابش هاکینگ داریم.

با ثابت شدن قانون مساحت برای مدت زمان متوسط، گام‌های بعدی محققان تحلیل داده‌های بدست آمده از مشاهدات بیشتر امواج گرانشی برای یافتن بینش عمیق‌تر از سیاه‌چاله‌هاست.

دکتر ایسی اضافه می‌کند:

من به این اجرام (سیاه‌چاله‌ها) وسواس پیدا کرده‌ام زیرا آن‌ها واقعا متناقض‌نما (پارادوکسی) هستند. آن‌ها بی‌نهایت اسرارآمیز و گیج کننده هستند، و هم‌زمان می‌دانیم که ساده‌ترین اجرام موجود هستند. و همچنین این واقعیت که آن‌ها جایی هستند که مکانیک کوانتوم و گرانش با هم تلاقی می‌یابند، آن‌ها را به زمین بازی بسیار خوبی برای درک واقعیت جهان تبدیل می‌کند.

نتایج این تحقیق در Physical Review Letters به چاپ رسیده است.