جرم شگفت‌انگیز سیاهچاله‌ها در حالت‌های کوانتومی

به گزارش گروه علم و آموزش ایران اکونومیست از وبگاه سایِنس اَلِرت (Science Alert)، بیش از نیمی از یک قرن، فیزیک کوانتوم و نظریه نسبیت عام با مشکلاتی بسیار جدی مواجه بوده‌اند. هر کدام از آن‌ها به نوبه خود عالی هستند؛ اما نمی‌توانند یکدیگر را تحمل کنند.

اکنون یک راه‌حل ریاضی درباره ماهیت کوانتومی سیاه‌چاله‌ها ممکن است به ما نشان دهد که چگونه این دو می‌توانند با هم آشتی کنند، حداقل در حدی که یک نظریه بزرگ جدید درخصوص نحوه عملکرد کیهان در مقیاس کیهانی و ریزکیهانی ایجاد شود.

تیمی از فیزیکدانان از نظر ریاضی نشان داده‌اند که چگونه سیاه‌چاله‌ها، این اجسام چگال، ممکن است در حالت برهم‌نهی کوانتومی وجود داشته باشند و طیفی از ویژگی‌های ممکن را به طور هم‌زمان اشغال کنند. محاسبات آن‌ها نشان داد که برهم‌نهی‌های جرم در یک نوع نظری از سیاه‌چاله به نام سیاه‌چاله BTZ نوارهای جرم متفاوتی را به طرز شگفت‌انگیزی، به طور هم‌زمان اشغال می‌کنند.

این تحقیق نشان می‌دهد که در برهم‌نهی جرم‌هایی که توسط یک سیاه‌چاله نگه داشته می‌شوند، براساس الگویی که احتمالاً برای مدل‌سازی جرم به روش کوانتیزه‌شده مفید است، برخی از معیارها بر سایر آن‌ها ترجیح دارند. این موضوع احتمالاً چارچوبی جدید برای بررسی اثرات کوانتومی‌گرانشی سیاهچاله‌ها در برهم‌نهی به ما ارایه می‌دهد تا بتوانیم تنش بین نسبیت عام و نظریه کوانتومی را کاهش دهیم.

جاشوا فو (Joshua Foo)، فیزیکدان نظری از دانشگاه کوئینزلند استرالیا، توضیح می‌دهد: تاکنون، به صورت عمیق بررسی نکرده‌ایم که آیا سیاه‌چاله‌ها برخی از رفتارهای عجیب و شگفت‌انگیز فیزیک کوانتومی را نشان می‌دهند یا خیر.

یکی از این رفتارها برهم نهی است که در آن ذرات در مقیاس کوانتومی می‌توانند در چندین حالت به صورت هم‌زمان وجود داشته باشند. این موضوع معمولاً با استفاده از آزمایش گربه شرودینگر نشان داده شده است که می‌تواند هم‌زمان هم زنده باشد و هم مرده. اما برای سیاه‌چاله‌ها، می‌خواستیم ببینیم که آیا آن‌ها می‌توانند هم‌زمان جرم‌های بسیار متفاوتی داشته باشند و معلوم شد که می‌توانند. تصور کنید هم پهن و قدبلند هستید و هم کوتاه‌قد و لاغر؛ این وضعیتی است که به طور شهودی گیج‌کننده است؛ زیرا ما در دنیای فیزیک سنتی زندگی می‌کنیم؛ اما این واقعیت مربوط به سیاه‌چاله‌های کوانتومی است.

گرانش اطراف سیاه‌چاله‌ها

گرانش شدید اطراف سیاه‌چاله‌ها، آزمایشگاهی عالی برای کاوش گرانش کوانتومی می‌سازد: زنجیره غلتشی فضازمان بر اساس نظریه نسبیت عام که با نظریه مکانیک کوانتومی پیوند خورده است که جهان فیزیکی را بر حسب کمیت‌های گسسته، مانند ذرات توصیف می‌کند.

مدل‌های مبتنی‌بر انواع خاصی از سیاه‌چاله‌ها ممکن است به یک نظریه منتهی شود که ذرات و گرانش را توضیح می‌دهد؛ مثلاً نمی‌توان برخی از اثرات مشاهده‌شده در اطراف سیاه‌چاله را براساس نسبیت عام توصیف کرد؛ در نتیجه، به گرانش کوانتومی یعنی یک نظریه یکپارچه که هر دو مجموعه قوانین را در بر می‌گیرد و آن‌ها را به‌خوبی اجرا می‌کند، نیاز داریم.

فو و همکارانش یک چارچوب ریاضی ایجاد کردند که به فیزیکدانان اجازه می‌دهد ذره‌ای را مشاهده کنند که در خارج از سیاه‌چاله‌ای است که در حالت برهم نهی کوانتومی قرار دارد. آن‌ها جرم را به‌عنوان اصلی‌ترین ویژگی بررسی کردند؛ زیرا جرم از معدود ویژگی‌های سیاه‌چاله‌ها است که می‌توانیم آن را اندازه‌گیری کنیم.

به گفته محققان، نتایج، مسیری را برای بررسی مفاهیم گرانش کوانتومی، مانند سیاه‌چاله‌های کوانتومی و فضازمان برهم‌نهاده‌شده باز می‌کنند. برای یک توصیف کامل از گرانش کوانتومی، گنجاندن این مفاهیم بسیار مهم است.

محققان می‌گویند: کیهان به ما نشان می‌دهد که عجیب‌تر، اسرارآمیزتر و جذاب‌تر از چیزی است که تا کنون آن را تصور کرده‌ایم.

گربه شرودینگر یک آزمایش فکری است که در سال ۱۹۳۵ اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، ابداع کرد. این آزمایش که گاهی به‌صورت پارادوکس تعریف می‌شود، ماحصل مکالمه‌ای جامع میان شرودینگر و آلبرت اینشتین بود. این پارادوکس نشان می‌دهد که اگر قوانین مکانیک کوانتومی بر اشیای عادی و روزمره اعمال شود، چه اتفاقی می‌افتد.