تکینگی سیاهچاله چیست و فضا زمان در آن چگونه است؟

سیاهچاله‌ها و همین‌طور انفجار بزرگ که موجب آغاز کیهان شد شگفتی‌ها و اسرار زیادی دارند که یکی از آن‌ها تکینگی گرانشی (Gravitational Singularity) نام دارد. این پدیده در مرکز سیاهچاله‌ها و و بیگ بنگ وجود داشته و از آن تعبیر به تکینگی هم می‌شود.

برای بیان تکینگی به زبان ساده، تصور کنید نیروی گرانش شما را در یک نقطه بی‌نهایت کوچک فشرده می‌کند، به طوری که عملا هیچ حجمی را اشغال نمی‌کنید. چنین چیزی غیرممکن به نظر می‌رسد و البته غیرممکن هم هست! این پدیده رویدادی فیزیکی را نشان نمی‌دهد، اما نظریه‌های فیزیکی را که دانشمندان به آن‌ها دست یافته‌اند، نقض می‌کند.

در حقیقت تکینگی صرفا یک موضوع نظری است و ما چنین چیزی را در واقعیت نداریم؛ این پدیده به ما می‌گوید در شرایطی باید درک متفاوتی را با برخی قوانین فیزیکی که می‌شناسیم، جایگزین کنیم. اما تکینگی گرانشی چیست؟

در همین رابطه بخوانید: مه گسست و مه رمب؛ نظریه‌های پایان جهان چه می‌گویند؟

تکینگی چیست؟

تکینگی به شرایط گرانش بسیار شدید گفته می‌شود که در آن فضا زمان نیز از بین می‌رود؛ در واقع این پدیده بخشی از فضا زمان قاعده‌مندی که ما می‌شناسیم نیست و نمی‌توان آن را با قیدهای «مکان» یا «زمان» بیان کرد. این پدیده عمدتا در زمینه نظریه نسبیت عام در نظر گرفته می‌شود، جایی که چگالی در مرکز یک سیاهچاله ظاهرا بی‌نهایت است.

بر اساس نظریه نسبیت عام، هر جرم کیهانی که پس از زمانی مشخص فروپاشی می‌شود یک سیاه چاله را تشکیل می‌دهد که درون آن تکینگی وجود دارد و این پدیده توسط افق رویداد سیاهچاله پوشیده شده است. فیزیکدانان هنوز در مورد اینکه چنین پدیده‌ای واقعا وجود دارد یا در آغاز انفجار بزرگ وجود داشته است، اطمینان ندارند و نمی‌دانند آیا دانش کنونی بشر برای توصیف آنچه در این چگالی‌های شدید اتفاق می‌افتد، کافی است یا خیر.

قابل ذکر است که در نظریه نسبیت اینشتین، دو نوع تکینگی مختصاتی و حقیقی وجود دارد؛ نوع مختصاتی آن زمانی است که یک بی‌نهایت در یک سیستم مختصات اتفاق می‌افتد، ولی در سیستم مختصاتی غیر از آن ناپدید خواهد شد. پدیده مذکور انواع مختلفی دارد که هر کدام دارای ویژگی‌های فیزیکی متفاوتی هستند. در ادامه انواع تکینگی را معرفی می‌کنیم.

انواع تکینگی

به طور کلی سه نوع از این پدیده وجود دارد و هر کدام دارای خصوصیات مرتبط با نظریه‌هایی هستند که به واسطه آن‌ها مطرح شده‌اند.

مخروطی

وقتی نقطه‌ای داریم که در آن دیفئومورفیسم (Diffeomorphism) وجود نداشته باشد یا نامتناهی باشد، در این صورت فضا زمان در محدوده خود صاف و هموار نیست. بنابراین فضا زمان شبیه یک مخروط در اطراف این نقطه است، جایی که تکینگی در نوک مخروط قرار دارد. همچنین اندازه‌ها می‌توانند در هر جایی که از سیستم مختصات استفاده می‌شوند، محدود باشند.

منحنی یا خمیده

حل معادلات نسبیت عام یا نظریه دیگری از گرانش (مانند ابرگرانش) اغلب منجر به برخورد با نقاطی می‌شود که ابعاد تا بی‌نهایت گسترش می‌یابند. با این حال، بسیاری از این نقاط کاملا منظم بوده و بی‌نهایت‌ها صرفا نتیجه استفاده از یک سیستم مختصات نامناسب در این نقطه هستند.

برای آزمایش اینکه آیا یک این پدیده در یک نقطه خاص وجود دارد یا خیر، باید دید در این نقطه کمیت‌های تغییر شکل دیفئومورفیسم (یعنی اسکالرها) نامحدود می‌شوند یا خیر. چنین کمیت‌هایی در هر سیستم مختصاتی یکسان هستند، در نتیجه این بی‌نهایت‌ها با تغییر مختصات از بین نمی‌روند.

بدون پوشش یا برهنه

تا اوایل دهه ۱۹۹۰ باور دانشمندان بر این بود که نسبیت عام هر نوع تکینگی را در پشت افق رویداد پنهان می‌کند و چنین پدیده‌ای نمی‌تواند آشکار باشد. در سال ۱۹۹۱ استوارت شاپیرو (Stuart Shapiro)، اخترفیزیکدان آمریکایی، و سائول توکولسکی (Saul Teukolsky)، دانشمند اهل آفریقای جنوبی، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از یک صفحه غبار کیهانی در حال چرخش انجام دادند که نشان داد بر اساس نظریه نسبیت عام ممکن است تکینگی برهنه نیز ایجاد شود.

البته اینکه این پدیده‌ها در چنین مدلی چه شکلی خواهند بود، ناشناخته است. همچنین مشخص نیست که اگر مفروضات ساده‌سازی مورد استفاده برای شبیه‌سازی حذف شوند، پدیده مذکور همچنان به وجود می‌آید یا خیر. با این حال مطابق این فرضیه، نوری که وارد یک تکینگی می‌شود به طور مشابه به ژئودزیک آن پایان می‌دهد و در نتیجه نوع آشکار آن مانند یک سیاهچاله به نظر می‌رسد.

در همین رابطه بخوانید: جهان قابل مشاهده چیست؟+عکس جهان هستی

قضایای تکینگی پنروز-هاوکینگ

قضایای تکینگی پنروز-هاوکینگ حاصل نظریه‌های دو دانشمند مشهور بریتانیایی یعنی راجر پنروز (Roger Penrose) و استیون هاوکینگ بوده و در پی پاسخ به این پرسش است که گرانش چه زمانی باعث ایجاد چنین پدیده‌ای می‌شود.

تکینگی پنروز یک قضیه در هندسه ریمانی است و تفسیر نسبیتی عام آن یک تکینگی گرانشی در تشکیل سیاهچاله را پیش‌بینی می‌کند. قضیه تکینگی هاوکینگ بر اساس قضیه پنروز است و از آن به عنوان تکینگی گرانشی در شرایط انفجار بزرگ یا بیگ بنگ تعبیر می‌شود. پنروز در سال ۲۰۲۰ به خاطر کشف این موضوع که تشکیل سیاه چاله یک پیش‌بینی قوی حاصل از نظریه نسبیت عام است، موفق به دریافت جایزه نوبل شد.

رویدادها و نظریه‌های شگفت‌انگیز فراوانی در دنیای کیهان و کیهان‌شناسی وجود دارد که این پدیده فقط یکی از آن‌هاست. شما همراهان گرامی اسپاش می‌توانید مقاله‌های مشابه را در وبسایت ما بخوانید؛ از جمله درباره تئوری بحث‌برانگیز و جذاب جهان موازی و یا پاد ماده که یکی از مواد شگفت‌انگیز خلقت است.

دیدگاه‌های خود را در قسمت نظرات با ما مطرح کنید و سوالاتتان را بپرسید؛ کارشناسان اسپاش به شما پاسخ می‌دهند.