ابر‌هزارتوها؛ تصویری با وضوح میلیاردی از ساختار میکروسکوپی سیاه‌چاله‌ها
1
گروهی از فیزیکدانان با ترسیم «ابر‌هزارتوهای» پیچیده – ساختارهایی نظری که الگوی تازه‌ای برای درک پیچیدگی میکروسکوپی سیاه‌چاله‌ها ارائه می‌دهند – رویکردی نو برای اندیشیدن درباره این اجرام اسرارآمیز کیهانی پیشنهاد کرده‌اند.
پژوهش آن‌ها که در Journal of High Energy Physics منتشر شده، دیدگاه کلاسیک مبتنی بر نسبیت عام را گسترش داده و با تکیه بر نظریه ریسمان و M-theory، چشم‌اندازی دقیق‌تر از درون‌مایه‌های میکروسکوپی سیاه‌چاله‌ها ارائه می‌دهد.
فراتر از مرزهای نسبیت عام
سیاه‌چاله‌ها در نگاه سنتی و بر اساس نظریه نسبیت عام، اجرامی با جرم بسیار متراکم و افق رویدادی هستند که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن‌ها بگریزد. در این تصویر، سیاه‌چاله جسمی بدون ساختار داخلی است که صرفاً در اثر گرانش شدید شکل گرفته است.
اما چنین دیدگاهی با اصول مکانیک کوانتومی در تضاد است، چرا که طبق مکانیک کوانتومی، سیاه‌چاله‌ها باید دارای ساختارهای ریز بسیار پیچیده‌ای باشند تا بتوانند حجم عظیم اطلاعات درون خود را در بر گیرند.
به گفته نیکلاس وارنر، استاد فیزیک، نجوم و ریاضیات در دانشگاه USC و نویسنده همکار مقاله:
«نسبیت عام ابزار قدرتمندی برای توصیف ساختار بزرگ‌مقیاس سیاه‌چاله‌هاست، اما برای توصیف ساختارهای میکروسکوپی آن‌ها بسیار ناتوان است. در چارچوب نظریه‌هایی که از معادلات اینشتین فراتر می‌روند، ابر‌هزارتوها تصویری دقیق از ساختار میکروسکوپی سیاه‌چاله‌های برینی ارائه می‌دهند.»
از «توپ‌های پُرزدار» تا ابر‌هزارتوها
محققان با توسعه ایده‌های پیشین، از مفهوم «توپ‌های پرزدار» (Fuzzballs) در نظریه ریسمان استفاده کرده‌اند. در این رویکرد، سیاه‌چاله‌ها دیگر به‌صورت افق صاف و یکنواخت ظاهر نمی‌شوند، بلکه اجرامی بسیار پیچیده‌اند که از برین‌ها و ساختارهای هندسی در مقیاس‌های بسیار کوچک تشکیل شده‌اند.
فرم جدید ارائه‌شده تحت عنوان «ابر‌هزارتو» این دیدگاه را بسط داده و نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند جایگزین‌های دقیق‌تری برای مدل‌های کلاسیک باشند.
ساختن سیاه‌چاله‌ها با استفاده از برین‌ها
نظریه ریسمان مدت‌هاست پیشنهاد داده که ذرات بنیادی در واقع رشته‌هایی مرتعش در فضایی با ابعاد بالاتر هستند. M-theory یک گام فراتر می‌گذارد و بیان می‌کند که این اشیاء می‌توانند به صورت «برین» (مخفف membrane یا غشاء) در ابعاد فضایی مختلف نیز وجود داشته باشند.
در این چارچوب، سیاه‌چاله‌ها تنها یک نقطه متراکم از جرم نیستند، بلکه ساختارهایی گسترده و در هم‌تنیده از برین‌ها هستند.
وارنر در این باره توضیح می‌دهد:
«در این مقاله، ما به بررسی سیستم‌های درهم‌تنیده از M2-برین‌ها (دو بعدی) و M5-برین‌ها (پنج بعدی) در قلمرو ابرگرانش پرداختیم، که تقریب کم‌انرژی از M-theory است. ما هزارتو را به‌مثابه بستری می‌دانیم که تمام اطلاعات درباره آنچه سیاه‌چاله را ساخته یا در آن سقوط کرده، در آن رمزگذاری می‌شود.»
عملکرد ابر‌هزارتوها؛ هزارتویی در دل فضا-زمان
مفهوم ابر‌هزارتو بر پایه ساختاری ریاضی است که نویسندگان آن را «تابع هزارتو» نامیده‌اند.
این تابع از یک معادله دیفرانسیل غیرخطی تبعیت می‌کند که شباهت زیادی با معادله مونژ-آمپیر (Monge-Ampère) دارد – معادله‌ای پیچیده که در هندسه دیفرانسیل و فیزیک ظاهر می‌شود.
راه‌حل‌های این معادله تعیین می‌کنند که چگونه M2- و M5-برین‌ها می‌توانند به شکل پیچیده‌ای در هم تنیده شوند و ساختاری شبیه سیاه‌چاله اما با تمام جزئیات کوانتومی ایجاد کنند.
وارنر می‌گوید:
«توابع هزارتو نقش اساسی در ارتباط بین پیکربندی برین‌ها و راه‌حل‌های ابرگرانشی ایفا می‌کنند. این توابع همانند دوربینی با وضوح میلیاردها پیکسل هستند که تصویری دقیق از ساختار میکروسکوپی سیاه‌چاله‌ها ارائه می‌دهند.»
وضوح بالا در برابر تصویر تار؛ تفاوت دیدگاه کلاسیک و کوانتومی
تفاوت میان افق سیاه‌چاله در نظریه کلاسیک و تصویر ارائه‌شده توسط ابر‌هزارتوها، همانند تفاوت میان تصویری با یک پیکسل و تصویری با وضوح بسیار بالاست.
وارنر برای روشن‌تر شدن موضوع چنین مثال می‌زند:
«تصور کنید می‌خواهید از نقاشی داوری نهایی میکل‌آنژ عکس بگیرید. نسبیت عام مانند دوربینی با یک پیکسل است – فقط لکه‌ای رنگی دیده می‌شود. تحقیقات قبلی ما تصویری با شاید هزار پیکسل ارائه می‌داد. اما ابر‌هزارتوها مانند تصویری با میلیاردها پیکسل هستند که جزئیات شاهکار را با دقتی خیره‌کننده نمایش می‌دهند.»
راهی به‌سوی نظریه‌ای فراگیر و جامع
هرچند ابر‌هزارتوها گامی بزرگ در جهت آشتی‌دادن مکانیک کوانتومی با نسبیت عام به‌شمار می‌آیند، اما پژوهشگران این مسیر را آغاز راه می‌دانند.
گام بعدی، بهبود چارچوب‌های هندسی برای بررسی مسائلی نظیر پارادوکس اطلاعات در سیاه‌چاله‌ها، دینامیک برخوردهای پرانرژی و تولید امواج گرانشی است.
هر مسئله‌ای در این حوزه، به تصویری دقیق از ساختار میکروسکوپی سیاه‌چاله نیاز دارد؛ تصویری که هم ویژگی‌های بزرگ‌مقیاس نسبیتی و هم حالت‌های پنهان کوانتومی را دربرگیرد.
به همین دلیل، ابر‌هزارتوها نه‌تنها نظریه سیاه‌چاله‌ها را بهبود می‌بخشند، بلکه ممکن است مسیرهای نوینی را در اخترشناسی امواج گرانشی و آزمایش‌های فیزیک پرانرژی بگشایند.
در نهایت، این پژوهش جهشی شگرف در فیزیک نظری را نشان می‌دهد؛ جایی که مفاهیم هندسی و نظریه ریسمان با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا درکی کاملاً متفاوت و نوین از سیاه‌چاله‌ها ارائه دهند.
با ادامه بررسی توابع هزارتو و راه‌حل‌های آن‌ها، شاید لایه‌های تازه‌ای از پیچیدگی در دل این اجرام کیهانی نمایان شود و ما را یک گام دیگر به سوی نظریه‌ای وحدت‌بخش برای گرانش کوانتومی نزدیک‌تر کند.
