فیزیک سیاهچاله ها/سفید چاله، نگاهی دیگر

ویکی‎کتاب، کتابخانهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
سیاه چاله‌ها و اثرات کوانتومی سفید چاله، نگاهی دیگر تصویر پردازی از یک افق رویداد


يک آزمايش ذهنی در نظر بگيريد که در آن مقدار مشخصی انرژی درون يک جعبه به حجم 𝑉>𝑉𝑐 که 𝑉𝑐 حجم شوارتس شيلد است.

Schwarzschild black hole
شبیه‌سازی همگرایی گرانشی توسط یک سیاهچاله که سبب کج‌نمایی (اعوجاج) تصویر کهکشان پس زمینه شده‌است.

طبق اصل ارگوديسيته اگر زمان کافی به سيستم بدهيم، تمام حالت های ممکن را در فضای فاز طی می کند، و در نهايت حافظه اش را که از کجا شروع کرده به کلی از دست می دهد. اين يعنی اگر ما برای مدتی طولانی رفتار سيستم را مورد مطالعه قرار دهيم، نمی توانيم جهت مرجحی برای زمان پيدا کنيم؛ هر طرحی از رفتار سيستم کاملا می تواند در جهت معکوس هم اتفاق بيفتد. اگر در بازه از زمان سيستم ما تنها ذرات بدون جرم داشته باشد و در زمان های بعدی افت و خيز های فضای فاز اين ذرات باعث ايجاد سياه چاله ای شود که بعدها بخار می شود، فرآيند معکوس نيز کاملا محتمل است. هر از چند گاهی بايد ببينيم که ذراتی بدون جرم از بين می روند، و طی اين نابود شدن معکوس زمانی يک سياه چاله، يک سفيدچاله، را توليد می کنند. اين سفيد چاله کمی بعدتر ذرات بدون جرمی از خود ساطع می کند.

در نسبيت عام کلاسيک، تصور می شد که "اصلی سانسور کيهانی" برقرار باشد. اين اصل بيان می کند که هيچ تکينگی برهنه ای وجود ندارد. به عنوان مثال در بحث مقدماتی نسبيت عام گفتيم که مرکز يک سياه چاله شواترس شيلد يک تکينگی واقعی است اما از آنجا که هيچ سيگنالی از داخل شعاع شارتس شيلد نمی تواند به بينهايت فرار کند می گويم که افق رويداد تکينگی را سانسور می کند. اين اصل وجود سفيدچاله ها را به عنوان تکينگی های برهنه رد می کند. اما، اگر ما اثرات کوانتومی را در بررسی سياه چاله ها دخيل بدانيم، آن وقت تکينگی های برهنه، اگر از متريک های کلاسيک استفاده کنيم، وجود خواهند داشت.

همان جعبه را در نظر بگيريد، در جهت مثبت زمان، در بيشتر زمان ما سياه چاله ای می بينيم که با نرخی تقريبا مساوی با نرخ جسم سياه، جذب و تابش می کند. بنابراين، اگر ما اين فرض معقول را بکنيم که گسيل از سفيدچاله ها ربطی به محيط اطراف ندارد، نتيجه می شود که نرخ تابش همان نرخ تابش سياه چاله ای با جرم، بار و تکانه زاويه ای يکسان است. با ديدگاه ترموديناميکی فرآيند های شکل گيری و تبخير سياه چاله ها معکوس يکديگرند. به معنای ديگر، يک سياه چاله می تواند به طرق بسيار متعددی از از گراويتون ها، فوتون ها و نوترينو ها تشکيل شود، که بيشترين احتمال برای حالتی با گسيل گرمايی است.

اين و نتيجه قبل نشان می دهد که سفيد چاله ها و سياه چاله ها برای يک ناظر بيرونی يکسان هستند. اين يک اصل کلی است که يک نظريه فيزيکی نبايد عناصری داشته باشد که از يکديگر تميز ناپذيرند و نبايد دو پديده را که تميز ناپذيرند به دو گونه متفاوت توضيح دهد. در نظريه نسبيت عام کلاسيک، يک متريک يکتا وجود دارد که برای سياه چاله ها و سفيدچاله ها متفاوت است. با اين وجود، اگر فضا زمان کوانتيده شود، بايستی ايده متريک يکتا را که مستقل از ناظرهاست دور بريزيم، دقيقا مثل نسبيت خاص که زمان مطلق را دور انداختيم. در واقع اگر فضا زمان را توسط نوعی انتگرال فاينمن روی متريک ها تعريف کنيم، آن وقت متريک هايی که يک ناظر در انتگرال لحاظ می کند کاملا بستگی به موقعيتی دارد که می خواهد آن را توضيح دهد، که به نوبت به اندازه گيری هايی که انجام شده ربط دارد.

ناظری که خود را بيرون يک تکينگی اندازه گيری می کند، می تواند از متريک سياه يا سفيد چاله استفاده کند. در متريک سياه چاله مواد درون تکينگی فرومی افتند و در عين حال ذراتی بيرون افق رويداد به وجود می آيند. در مريک سفيد چاله به نظر می رسد که ذرات توسط ميدان گرانشی نابود می شوند و باز به نظر می رسد که در گذشته ذرات از درون تکينگی به بيرون ساطع شده اند. ناظری که خودش را در حال فروافتادن اندازه گيری می کند، ذرات گسيلی را نمی بيند و تنها از متريک سياه چاله استفاده می کند. مشابها، در پديده ساختن و گسيل کردن از يک سياه چاله، يک ناظر خود را گسيل شده از يک سفيد چاله متصور می شود و تنا از متريک سفيد چاله استفاده می کند.

تصويری که تا به حال از سفيدچاله ها داده می شد، معکوس زمانی رمبش يک توده غبار است. اما ما می توان نشان داد که ما نمی توانيم يک فاز ناگسيلی داشته باشيم، زيرا در آن صورت بايد در ميدان قوی گرانشی زوج زايی (pair creation) اتفاق افتد. نتيجه اين است که سفيد چاله ها به صورت پيوسته تابش می کنند. اين گسيل کاملا کاتوره ای است و تمام حالت های فضای فاز در اين فرآيند امکان پذير است و همه آنها هم احتمال هستند. البته اين احتمال وجود دارد که سفيدچاله ای برای مدت زمانی تابش نکند و بعد از آن شروع به ساطع کردن ابر غبار کند، اما اين احتمال به خاطر نسبت حجم اين نوع فرآيند ها به کل فرآيند های ممکن بسيار کوچک است.