بریده‌هایی از کتاب پاسخ‌های کوتاه به پرسش‌های بزرگ

. نظریهٔ مساحت را می‌شود عملاً با رصدخانهٔ تداخل‌سنجِ لیزریِ امواج گرانشی (LIGO) آزمایش کرد. در چهاردهم سپتامبر سال ۲۰۱۵، LIGO امواج گرانشیِ ناشی از برخورد و ترکیب دو سیاهچاله را شناسایی کرد. می‌توان از شکلِ موج، جِرم و اندازهٔ حرکت زاویه‌ایِ سیاهچاله‌ها را تخمین زد و با این اطلاعات مساحت افق‌ها را با " نظریهٔ بی‌مو" تعیین کرد.

پس اگر می‌خواهید داخلِ یک سیاهچاله را کاوش کنید، حتماً دقت کنید که بزرگش را انتخاب کنید. سیاهچاله‌ای با جرم حدود چهار میلیون برابر خورشید در مرکز کهکشانِ ما، راه شیری، قرار دارد. با اینکه هنگام سقوط به داخل سیاهچاله چیز خاصی حس نخواهید کرد، کسی که از دور شما را تماشا کند هرگز عبورتان از افق رویداد را نخواهد دید. بلکه به نظر می‌رسد سرعتتان کم می‌شود و درست بیرون آن شناور می‌مانید. تصویرتان محوتر و محوتر و سرخ‌تر و سرخ‌تر می‌شود تا اینکه عملاً از دید خارج می‌شوید. تا جایی که به جهان بیرونی ربط دارد، شما تا ابد گم خواهید شد. کمی بعد از تولد دخترم لوسی، در ذهنم جرقه‌ای زده شد. نظریهٔ مساحت را کشف کردم. اگر نسبیت عام درست و چگالیِ انرژیِ ماده طبق معمول مثبت باشد، مساحت سطح افق رویداد که همان مرزِ سیاهچاله است، این خاصیت را دارد که وقتی مادهٔ اضافی یا تشعشع به داخل سیاهچاله می‌افتد، زیاد می‌شود. علاوه بر این، اگر دو سیاهچاله به هم بخورند و ترکیب شوند و سیاهچالهٔ واحدی بسازند، مساحتِ افق رویدادِ دورِ سیاهچالهٔ جدید از مجموع مساحت افق رویداد دو سیاهچالهٔ اول بیشتر است.

سیاهچاله لبه‌ای به اسم " افقِ رویداد" دارد. افق رویداد جایی است که در آن گرانش هنوز آن‌قدر نیرو دارد که نور را برگرداند و از گریز آن جلوگیری کند. چیزی سریع‌تر از نور نیست، پس هر چیز دیگری هم به داخل کشیده می‌شود. افتادن داخل افق رویداد کمی شبیه این است که با قایق پارویی از آبشار نیاگارا بیفتید. اگر آن بالا باشید و پارو زدنتان به‌اندازهٔ کافی سریع باشد می‌توانید فرار کنید ولی لحظه‌ای که از لبه عبور کنید دیگر گریزی نیست. هرچه به آبشار نزدیک‌تر شوید جریان هم سریع‌تر می‌شود؛ یعنی جلوِ قایق را بیشتر از عقب قایق می‌کشد. خطر تکه‌تکه شدنِ قایق در میان است. در سیاهچاله هم همین‌طور است. اگر هنگام افتادن در سیاهچاله پاهایتان پایین باشند، گرانش پاها را بیشتر از کلهٔ شما می‌کشد چون نزدیک‌ترند. در نتیجه، طولی کِش می‌آیید و عرضی پَخ می‌شوید. اگر جِرم سیاهچاله چند برابر خورشید باشد، قبل از رسیدن به افق رویداد پاره‌پاره و شبیه رشته‌فرنگی می‌شوید. ولی اگر داخل سیاهچاله‌ای بیفتید که خیلی بزرگ‌تر باشد و جِرمش بیش از یک میلیون برابر خورشید باشد، کشش گرانشی بر همهٔ بدنتان یکسان است و بدون مشکل به افق می‌رسید.

از بیرون نمی‌توانید بفهمید داخل سیاهچاله چیست. فرقی نمی‌کند چه به داخلش پرت کنید یا چگونه شکل گرفته باشد، همهٔ آنها شبیه هستند. معروف است که جان ویلر این اصل را چنین بیان کرده است: " سیاهچاله مو ندارد."

بعد، جنگ دوم جهانی مزاحم شد. اغلبِ دانشمندان، از جمله رابرت اوپنهایمر، توجهشان را بر فیزیک هسته‌ای متمرکز کردند و مسئلهٔ فروپاشی گرانشی تقریباً فراموش شد. کشف چیزهایی در دوردست به اسم شبه‌ستاره باعث شد توجه به این موضوع دوباره جان بگیرد. اولین شبه‌ستاره به نام ۳C۲۷۳ در سال ۱۹۶۳ پیدا شد. شبه‌ستاره‌های زیاد دیگری نیز کمی بعد کشف شدند. اینها با اینکه از زمین خیلی فاصله داشتند، درخشان بودند. نمی‌شد مقدار انرژی را که ساطع می‌کردند با فرآیندهای هسته‌ای توضیح داد چون فقط مقدار کمی از جرمِ ساکن خود را در قالب انرژی خالص رها می‌کردند. تنها توضیحِ ممکن، انرژی گرانشیِ آزادشده از طریقِ فروپاشی گرانشی بود. دوباره فروپاشیِ گرانشیِ ستارگان کشف شد. وقتی این اتفاق می‌افتد، گرانشِ شیء، تمام ماده‌ای را که اطرافش است به داخل می‌کشد. واضح بود که یک ستارهٔ کروی و یکنواخت منقبض می‌شود تا به نقطه‌ای با چگالیِ بی‌نهایت تبدیل شود؛ یعنی یک تکینگی. اگر ستاره یکنواخت و کروی نباشد چه؟ آیا ممکن است که توزیعِ نابرابرِ مادهٔ ستاره باعث شود فروپاشی یکنواخت نشود و تکینگی حاصل نشود؟ راجر پنروز در سال ۱۹۶۵ مقاله‌ای درخشان نوشت و فقط با استفاده از این نکته که گرانش عملکردی جذبی دارد نشان داد که باز هم سیاهچاله ایجاد می‌شود.

معادلات آینشتاین را نمی‌توان در یک تکینگی تعریف کرد. یعنی در این نقطهٔ دارای چگالی بی‌نهایت نمی‌توان آینده را پیش‌بینی کرد. یعنی هر وقت ستاره‌ای فرو بپاشد، اتفاق عجیبی می‌افتد. اگر تکینگی‌ها عریان نباشند، یعنی اگر از بیرون مانعی جلو دیده شدن‌شان نباشد، از بین رفتنِ توانِ پیش‌بینیﹾ بر ما تأثیری نمی‌گذارد. پنروز فرضِ ممیزیِ کیهانی را پیشنهاد داد: همهٔ تکینگی‌های حاصل از فروپاشی ستارگان یا اشیاء دیگر، درون سیاهچاله‌ها از دید پنهان هستند. سیاهچاله ناحیه‌ای است که در آن گرانش آن‌قدر قوی است که نور نمی‌تواند از آن بگریزد. تقریباً شکی در صحت فرض ممیزی کیهانی نیست چون همهٔ تلاش‌ها برای رد کردنش شکست خورده است. وقتی جان ویلر در سال ۱۹۶۷ عبارت " سیاهچاله" را ارائه کرد، این اسم جایگزین عبارت قدیمی‌ترِ " ستارهٔ منجمد" شد. ویلر با انتخاب این کلمه می‌خواست تأکید کند که بازماندهٔ ستارگان فروپاشیده فارغ از نحوهٔ شکل گرفتنشان جالب توجه‌اند. اسم جدید به‌سرعت گرفت.

. همچو نقطه‌ای تکینگی نام دارد. همهٔ نظریات ما دربارهٔ فضا با این فرض که فضازمان هموار و نسبتاً مسطح است فرموله می‌شود. در نتیجه، این نظریات در تکینگی‌ها جواب نمی‌دهند چون آن‌جا انحنای فضازمان بی‌نهایت است. در واقع، نقطهٔ پایانِ خودِ فضا و زمان است. همین بود که آینشتاین این‌قدر به آن اعتراض داشت.

گاهی می‌تواند خود را به‌شکل ستارهٔ کوتولهٔ سفید نگه دارد؛ یعنی بازماندهٔ متراکم هستهٔ ستاره. ولی سوبراهمانیان چاندراسِکار در سال ۱۹۳۰ نشان داد که حداکثر جِرم یک کوتولهٔ سفید حدود ۱.۴ برابر خورشید است. فیزیکدانی روسی به نام لِو لانداو هم جرمی به همین مقدار برای ستاره‌ای که فقط از نوترون ساخته شده باشد محاسبه کرد. پس از اتمام سوخت هسته‌ای، سرنوشت ستارگانِ بی‌شمار با جرمی بیش از جرمِ حداکثریِ یک کوتولهٔ سفید یا یک ستارهٔ نوترونی چیست؟ رابرت اوپِنهایمِر که بعدها به‌خاطر بمب اتم معروف شد در این مورد تحقیق کرد. او در دو مقاله که در سال ۱۹۳۹ با جرج وُلکُف و هارتلَند اسنایدِر منتشر کرد،‌ نشان داد که همچو ستاره‌ای نمی‌تواند با فشار حفظ شود. طبق نظر او اگر فشار را در نظر نگیریم یک ستارهٔ همگن و دائماً دارای تقارنِ کروی، به نقطه‌ای با چگالیِ بی‌نهایت منقبض می‌شود.

آلبرت آینشتاین حتی مقاله‌ای نیز در سال ۱۹۳۹ نوشت و ادعا کرد که امکان ندارد گرانش باعث فروپاشی ستاره‌ها شود چون ماده را از حد معینی نمی‌توان فشرده‌تر کرد. خیلی از دانشمندان با این احساسِ غریزیِ آینشتاین موافق بودند. استثنای مهم دانشمندی آمریکایی به اسم جان ویلر بود که از خیلی لحاظ قهرمان داستان سیاهچاله‌هاست. در کارهایش در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ تأکید کرد که خیلی از ستاره‌ها در نهایت فرو می‌پاشند و مشکلاتی را که این موضوع برای فیزیکِ نظری ایجاد می‌کرد بررسی کرد. در ضمن، خیلی از خواص اشیائی را که ستاره‌های فروپاشیده به آن تبدیل می‌شدند پیش‌بینی کرد؛ یعنی خواص سیاهچاله‌ها را. در طول بیشترِ عمر یک ستارهٔ معمولی، یعنی تا میلیاردها سال، ستاره با فشار حرارتی ناشی از فرآیندهای هسته‌ایِ تبدیلِ هیدروژن به هلیوم در مقابلِ فروپاشی مقاومت می‌کند. ولی در نهایت سوخت هسته‌ای ستاره تمام می‌شود. ستاره منقبض می‌شود.

برای درکِ آنها اول باید گرانش را بشناسیم. گرانش در نظریهٔ نسبیت عام آینشتاین توصیف شده؛ نظریه‌ای که در مورد فضا و زمان و گرانش است. رفتارِ فضا و زمان مطابق مجموعه معادلاتی به نام معادلات آینشتاین است که در سال ۱۹۱۵ ارائه کرد. گرانش بسیار ضعیف‌تر از نیروهای طبیعی دیگری است که می‌شناسیم ولی دو حُسن کلیدی نسبت به آنها دارد. اول اینکه فاصلهٔ عملکرد آن خیلی زیاد است. زمین در مداری حول خورشید است و با آن یکصدوپنجاه میلیون کیلومتر فاصله دارد و خورشید هم در مداری حول مرکز کهکشان است که از آن ده هزار سال نوری دور است. حُسن دوم این است که گرانش همیشه جذب می‌کند، برخلاف نیروهای الکتریکی که ممکن است جاذب باشند یا دافع. این دو خصوصیت به این معنی است که اگر ستاره به اندازهٔ کافی بزرگ باشد، جاذبهٔ گرانشی بین ذرات آن‌قدر هست که بر همهٔ نیروهای دیگر غالب باشد و نتیجه‌اش فروپاشیِ گرانشی است. به‌رغم این واقعیت‌ها، زمان بُرد تا جامعهٔ علمی بفهمد که ستارگانِ بزرگ ممکن است بر اثر گرانش خودشان در خود فرو بریزند و بفهمد رفتارِ چیزی که باقی می‌ماند چگونه می‌تواند باشد.