مطالعه نشان می دهد سیاهچاله های ساخته شده از نور غیرممکن هستند، نظریه نسبیت انیشتین را به چالش می کشد

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که اجرام افراطی موسوم به ‘کوگلبلیتزه’ – سیاهچاله‌هایی که صرفاً از نور تشکیل شده‌اند – در جهان ما غیرممکن هستند و نظریه نسبیت عام اینشتین را به چالش می‌کشند. این کشف محدودیت های قابل توجهی را بر روی مدل های کیهان شناسی ایجاد می کند و نشان می دهد که چگونه مکانیک کوانتومی و نسبیت عام را می توان برای رسیدگی به سؤالات علمی پیچیده با هم آشتی داد.

سیاهچاله ها – اجرام عظیم با چنان کشش گرانشی قوی که حتی نور هم نمی تواند از چنگ آنها فرار کند – از جذاب ترین و عجیب ترین اجرام در جهان هستند. به طور معمول، آنها از فروپاشی ستارگان عظیم در انتهای چرخه زندگی خود تشکیل می شوند، زمانی که فشار ناشی از واکنش های گرما هسته ای در هسته آنها دیگر نمی تواند نیروی گرانش را خنثی کند.

با این حال، فرضیه های عجیب و غریب بیشتری در مورد تشکیل سیاهچاله وجود دارد. یکی از این نظریه ها شامل ایجاد ‘کوگلبلیتز’ آلمانی برای ‘رعد و برق توپ’ است. (شکل جمع ‘kugelblitze’ است.)

در این مطالعه آمده است: کوگلبلیتز یک سیاهچاله فرضی است که به جای اینکه از فروپاشی ‘ماده معمولی’ (که اجزای اصلی آن پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها هستند)، از تمرکز مقادیر زیادی از تشعشعات الکترومغناطیسی مانند نور تشکیل شود. José Polo-Gómez یکی از نویسندگان، فیزیکدان دانشگاه واترلو و موسسه Perimeter برای فیزیک نظری در کانادا، در ایمیلی به Live Science گفت.

پولو گومز گفت: «اگرچه نور جرم ندارد، حامل انرژی است.» وی افزود که در نظریه نسبیت عام انیشتین، انرژی مسئول ایجاد انحناهایی در فضا-زمان است که منجر به جاذبه های گرانشی می شود. او گفت: ‘به همین دلیل، در اصل ممکن است نور سیاهچاله ها را تشکیل دهد – اگر به اندازه کافی از آن را در حجم کافی کوچک متمرکز کنیم.’

این اصول در نسبیت عام کلاسیک، که پدیده‌های کوانتومی را در نظر نمی‌گیرد، صادق هستند. برای بررسی تأثیر بالقوه اثرات کوانتومی بر تشکیل کوگلبلیتز، پولو گومز و همکارانش تأثیر اثر شوینگر را بررسی کردند.

آلوارو آلوارز-دومینگز، سرپرست تیم تحقیق، از موسسه ذرات وفیزیک کیهان (IPARCOS)، در دانشگاه Complutense de Madrid، در ایمیلی به Live Science می‌گوید: زمانی که انرژی الکترومغناطیسی فوق‌العاده شدیدی وجود دارد – به عنوان مثال، به دلیل غلظت عظیم نور – بخشی از این انرژی به شکل جفت الکترون-پوزیترون به ماده تبدیل می‌شود. این یک اثر کوانتومی به نام اثر شوینگر است که به عنوان قطبش خلاء نیز شناخته می شود.

Einsteins general theory — نظریه نسبیت عام اینشتین بیان می کند که انرژی، به جای جرم، مسئول انحنای فضا-زمان است که منجر به جاذبه های گرانشی می شود. طبق این نظریه، سیاهچاله ها باید تنها از انرژی نور تشکیل شوند. (اعتبار تصویر: NASA/JPL-Caltech)

در مطالعه خود، که برای انتشار در مجله Physical Review Letters پذیرفته شده است اما هنوز منتشر نشده است، این تیم سرعتی را محاسبه کردند که جفت الکترون-پوزیترون تولید شده در یک میدان الکترومغناطیسی انرژی را کاهش می دهد. اگر این نرخ از نرخ تجدید انرژی میدان الکترومغناطیسی در یک منطقه خاص بیشتر شود، کوگلبلیتز نمی تواند تشکیل شود.

این تیم دریافت که، حتی در شدیدترین شرایط، نور خالص هرگز نمی تواند به آستانه انرژی لازم برای تشکیل یک سیاهچاله برسد.

لوئیس جی. گارای، یکی از نویسندگان این مطالعه، همچنین از IPARCOS، به Live Science گفت: ‘آنچه ما ثابت می کنیم این است که کوگلبلیتزه با تمرکز نور، چه به صورت مصنوعی در آزمایشگاه یا در سناریوهای اخترفیزیکی طبیعی، غیرممکن است.’ به عنوان مثال، حتی اگر از شدیدترین لیزرهای روی زمین استفاده کنیم، باز هم بیش از ۵۰ مرتبه قدر با شدت مورد نیاز برای ایجاد یک کوگلبلیتز فاصله خواهیم داشت.

این یافته پیامدهای نظری عمیقی دارد و به طور قابل توجهی مدل‌های اخترفیزیکی و کیهانی را که قبلاً وجود کوگلبلیتزه را فرض می‌کردند، محدود می‌کند. همچنین هرگونه امید به مطالعه تجربی سیاهچاله ها در محیط های آزمایشگاهی را با ایجاد آنها از طریق تشعشعات الکترومغناطیسی از بین می برد.

با این وجود، نتایج مثبت این مطالعه نشان می‌دهد که اثرات کوانتومی را می‌توان به طور موثر در مسائل مربوط به گرانش ادغام کرد، بنابراین پاسخ‌های روشنی به سؤالات علمی واقعی ارائه کرد.

پولو گومز گفت: «از دیدگاه نظری، این کار نشان می‌دهد که چگونه اثرات کوانتومی می‌توانند نقش مهمی در درک مکانیسم‌های شکل‌گیری و ظاهر اجرام اخترفیزیک ایفا کنند.

محققان با الهام از یافته‌های خود، قصد دارند به کاوش در مورد تأثیر اثرات کوانتومی بر پدیده‌های مختلف گرانشی، که هم اهمیت عملی و هم اساسی دارند، ادامه دهند.

ادواردو مارتین مارتینز، همچنین از دانشگاه واترلو و موسسه محیطی، گفت: «چند نفر از ما علاقه زیادی به ادامه مطالعه در مورد خواص گرانشی ماده کوانتومی داریم، به ویژه در سناریوهایی که این ماده کوانتومی شرایط سنتی انرژی را نقض می کند. این نوع ماده کوانتومی اصولاً می‌تواند فضا-زمان‌های عجیب و غریب ایجاد کند و در نتیجه اثراتی مانند گرانش دافعه یا ایجاد راه‌حل‌های عجیب و غریب مانند محرک تار Alcubierre یا کرم‌چاله‌های قابل عبور ایجاد کند.»