بیگ بنگ: مهم نیست تا چه اندازه آزاد باشیم؛ وجود انسان همیشه با محدودیت‌هایی روبه‌رو است. ما نمی‌توانیم از ابعاد جهان کلاسیک فرار کنیم؛ سه بُعد فضایی و جریان برگشت‌ناپذیر زمان.
به گزارش بیگ بنگ، اما شاید گرانش از همان قوانینی که بر ماده و اجسام معمولی حاکم است، پیروی نکند. شاید گرانش بتواند به درون یک بُعد پنجم و پنهان، موسوم به «بُعد تاریک» نفوذ کند؛ بُعدی فراتر از سطحی که ماده در آن محصور است و فیزیکدانان آن را بِرین (Brane) می‌نامند.
و اگر چنین قلمرویی واقعاً وجود داشته باشد، ممکن است اجرامی وجود داشته باشند که گرانششان به درون آن نفوذ کند و هندسه فضا-زمان را به شکلی تغییر دهد که بتواند پنجره‌ای رو به سطحی از واقعیت در اختیار ما بگذارد که ذهنمان به‌سختی قادر به تصور آن است.
یکی از این پنجره‌های احتمالی می‌تواند سیاه‌چاله‌های نخستین (Primordial Black Holes یا PBH) باشد؛ اجرامی میکروسکوپی اما فوق‌العاده چگال که تصور می‌شود اندکی پس از انفجار بزرگ و در شرایط بسیار شدید جهان اولیه شکل گرفته‌اند.
در واقع، بر اساس مطالعه جدیدی به سرپرستی لوئیس آنچوردوکی، فیزیکدان کالج لمان در آمریکا، اگر جهان دارای یک بُعد تاریک باشد، تمام سیاه‌چاله‌های نخستین باید پنج‌بعدی باشند؛ مگر اینکه نوعی فیزیک ناشناخته و بسیار عجیب در انرژی‌های پایین وجود داشته باشد. به بیان دیگر، آنها ظاهراً نمی‌توانند از پنج‌بعدی شدن فرار کنند.
سیاه‌چاله‌های نخستین چه هستند؟
احتمالاً با مفهوم سیاه‌چاله آشنا هستید؛ اجرامی فوق‌العاده چگال که زمانی شکل می‌گیرند که هسته ستارگان پرجرم پس از تمام شدن سوختشان فرو می‌ریزد و انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد. در سنگین‌ترین انتهای این طیف، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم قرار دارند که در مرکز بسیاری از کهکشان‌ها یافت می‌شوند.
اما در سوی دیگر این طیف، سیاه‌چاله‌های نخستین قرار دارند. این اجرام بسیار کوچک‌اند و آن‌قدر کوچک هستند که نمی‌توانسته‌اند از فروپاشی هسته یک ستاره به وجود آمده باشند. در عوض، فیزیکدانان فرض می‌کنند که آنها از ناهمگنی‌ها و نواحی بیش‌ازحد چگال در سوپ داغ و متلاطم جهان اولیه، تنها در نخستین لحظات پس از انفجار بزرگ، شکل گرفته‌اند.
البته سیاه‌چاله‌های نخستین هنوز فرضی هستند و تاکنون هیچ نمونه‌ای از آنها به‌طور قطعی شناسایی نشده است. با این حال، فیزیکدانان علاقه زیادی به آنها دارند؛ زیرا این اجرام می‌توانند مانند فسیل‌هایی از جهان نوزاد عمل کنند و سرنخ‌هایی از شرایط کیهان در دوره‌ای بسیار دور در اختیار ما قرار دهند؛ دوره‌ای که دسترسی مستقیم به آن تقریباً غیرممکن است.
از طرف دیگر، سیاه‌چاله‌های نخستین مدت‌هاست به‌عنوان یکی از گزینه‌های احتمالی برای توضیح ماده تاریک مطرح بوده‌اند؛ ماده‌ای اسرارآمیز که گرانش آن بر حرکت و تجمع ماده در سراسر کیهان تأثیر می‌گذارد.
به گفته آنچوردوکی و همکارانش، اگر سیاه‌چاله‌های نخستین به اندازه کافی کوچک باشند تا فیزیک در مقیاسی را بررسی کنند که در آن یک بُعد اضافی اهمیت پیدا می‌کند، شاید بتوانند اطلاعاتی درباره ساختار بُعدی خود فضا-زمان در اختیار ما قرار دهند. و اینجاست که مفهوم بِرین وارد داستان می‌شود.
تصور کنید ما روی یک صفحه زندگی می‌کنیم
فرض کنید یک تکه کاغذ در دست دارید و روی آن یک آدمک کشیده‌اید. این آدمک می‌تواند روی صفحه به چپ و راست یا بالا و پایین حرکت کند، اما در همان دو بُعد گرفتار است. او نمی‌تواند از سطح کاغذ بلند شود و وارد بُعد سوم شود؛ حتی تصور جهانی فراتر از صفحه برایش بسیار دشوار خواهد بود.
حالا تصور کنید صفحه وجود ما نیز به همین شکل درون فضایی با ابعاد بالاتر قرار گرفته باشد. سه بُعد فضایی که تجربه می‌کنیم، به همراه زمان، یک بِرین چهاربعدی را تشکیل می‌دهند که در فضایی با ابعاد بالاتر قرار گرفته است؛ فضایی که فیزیکدانان به آن Bulk یا «فضای حجمی» می‌گویند.
همان‌طور که موجود دوبعدی نمی‌تواند به‌راحتی بُعد سوم را تصور کند، ما نیز هنگام تلاش برای تصور یک بُعد فضایی چهارم فراتر از جهان خود با محدودیت روبه‌رو می‌شویم. سناریوی «بُعد تاریک» پیشنهاد می‌کند که چنین بُعدی واقعاً وجود دارد، اما در مقیاسی بسیار کوچک، حدود یک میکرومتر، فشرده شده است.
«فشرده‌سازی بُعد» یعنی این بُعد اضافی برخلاف ابعاد آشنای فضا، اندازه‌ای محدود و بسیار کوچک دارد. ذراتی که ماده معمولی را تشکیل می‌دهند، روی این بِرین محصور شده‌اند و نمی‌توانند وارد بُعد اضافی شوند.
اما شاید گرانش از این محدودیت پیروی نکند. و اگرچه یک میکرومتر برای ما بسیار کوچک است ــ تنها یک میلیونیم متر ــ برای یک سیاه‌چاله نخستین فوق‌العاده کوچک، این اندازه می‌تواند کاملاً قابل‌توجه باشد.
وقتی یک سیاه‌چاله آن‌قدر کوچک شود که بُعد پنجم را حس کند
معمولاً فیزیکدانان سیاه‌چاله‌ها را اجرامی چهاربعدی در نظر می‌گیرند؛ اجرامی که گرانش شدیدشان سه بُعد فضا و یک بُعد زمان را به‌شدت خم می‌کند. این مدل برای سیاه‌چاله‌های بزرگ و کلان‌مقیاسی که در جهان مشاهده می‌کنیم بسیار خوب عمل می‌کند.
اما اگر یک سیاه‌چاله را به اندازه کافی کوچک کنیم، داستان تغییر می‌کند. اگر اندازه افق رویداد سیاه‌چاله در مقایسه با مقیاس بُعد تاریک بسیار کوچک شود، میدان گرانشی آن می‌تواند به سمت آن بُعد فضایی اضافی گسترش پیدا کند.
در این حالت، سیاه‌چاله دیگر صرفاً به چهار بُعد محدود نیست و هندسه آن پنج‌بعدی می‌شود. آنچوردوکی و همکارانش می‌خواستند بدانند این موضوع چه معنایی برای سیاه‌چاله‌های نخستین دارد؛ به‌ویژه اینکه آیا فرایندهای مختلفی که تصور می‌شود در جهان اولیه باعث تشکیل این سیاه‌چاله‌ها شده‌اند، اجرامی چهاربعدی ایجاد می‌کنند یا پنج‌بعدی.
دو راه برای ساخت سیاه‌چاله‌های نخستین
دانشمندان چندین سناریو برای شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های نخستین در جهان اولیه مطرح کرده‌اند. پژوهشگران در این مطالعه روی دو مورد تمرکز کردند: ۱. گذارهای فازی شدید هنگام سرد شدن جهان اولیه ۲. فروپاشی «رشته‌های کیهانی»؛ نقص‌های فرضی در ساختار فضا-زمان.
در هر دو سناریو، نتیجه یکسان بود: سیاه‌چاله‌های نخستین به بُعد پنجم راه پیدا می‌کردند.
جهان اولیه چگونه سیاه‌چاله ساخت؟
در مورد نخست، باید بدانیم که جهان اولیه با سرعت بسیار زیادی سرد می‌شد. این سردشدن سریع می‌توانسته باعث گذارهای فازی ناگهانی شود؛ چیزی شبیه تبدیل بخار به مایع یا یخ زدن سریع مایع. البته به‌جای مولکول‌های آب، اینجا با خودِ ماده و انرژی جهان اولیه سروکار داشتیم.
در نتیجه این گذارها ممکن بود مناطقی از جهان اولیه شکل بگیرند که چگالی‌شان آن‌قدر زیاد باشد که تحت گرانش خود فروبریزند و به سیاه‌چاله‌های بسیار کوچک تبدیل شوند. پژوهشگران با استفاده از برآورد دماهای موجود در آن دوران بررسی کردند که آیا این سیاه‌چاله‌ها آن‌قدر بزرگ بوده‌اند که بتوانند ساختاری چهاربعدی داشته باشند یا نه.
پاسخ منفی بود. در آن اندازه بسیار کوچک، ساختار چهاربعدی ناپایدار می‌شد و سیاه‌چاله‌ها مجبور می‌شدند به اجرامی پنج‌بعدی تبدیل شوند. این فرایند به نام ناپایداری گرگوری–لافلام (Gregory–Laflamme instability) شناخته می‌شود.
رشته‌های کیهانی؛ مسیر دیگری به بُعد پنجم
رشته‌های کیهانی مسیر متفاوتی را برای رسیدن به تقریباً همان نتیجه فراهم می‌کنند. این نقص‌های فرضی در فضا-زمان ممکن است در جهان اولیه شکل گرفته باشند، حلقه‌هایی ایجاد کرده باشند و سپس تحت کشش خودشان منقبض شده و در نهایت به سیاه‌چاله تبدیل شده باشند.
اما در این سناریو، محاسبات حتی قاطع‌تر بودند: در سناریوی بُعد تاریک، سیاه‌چاله‌های نخستینی که از فروپاشی رشته‌های کیهانی شکل می‌گیرند، از همان ابتدا پنج‌بعدی هستند.
بُعد پنجم می‌تواند عمر سیاه‌چاله را تغییر دهد
این ایده فقط یک بازی نظری جالب نیست. وجود بُعد اضافی می‌تواند زندگی یک سیاه‌چاله را تغییر دهد. سیاه‌چاله‌ها به‌تدریج جرم خود را از طریق تابش هاوکینگ از دست می‌دهند و سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر بسیار سریع‌تر تبخیر می‌شوند.
اما سیاه‌چاله‌های پنج‌بعدی می‌توانند آهسته‌تر از نمونه‌های چهاربعدی تبخیر شوند. پژوهشگران محاسبه کردند که برخی از سیاه‌چاله‌های نخستینی که از فروپاشی رشته‌های کیهانی شکل گرفته‌اند، ممکن است طول عمری قابل‌مقایسه با ۱۳٫۸ میلیارد سال، یعنی تقریباً تمام عمر جهان داشته باشند.
این یعنی ممکن است هنوز تعدادی از آنها در جهان اطراف ما وجود داشته باشند؛ سیاه‌چاله‌هایی که اکنون در آخرین مراحل عمر خود هستند و سرانجام با انفجاری از ذرات برای همیشه ناپدید خواهند شد.
آیا یک سیاه‌چاله پنج‌بعدی می‌تواند یک ذره شبح‌مانند بسازد؟
پژوهشگران حتی احتمال داده‌اند که چنین رویداد تبخیری بتواند توضیحی برای یک نوترینوی فوق‌العاده پرانرژی باشد که رصدخانه KM3NeT آن را شناسایی کرده است. طبق این ایده، یک سیاه‌چاله نخستین پنج‌بعدی می‌تواند ذراتی را به درون فضای حجمی یا Bulk منتشر کند.
این ذرات ممکن است بعداً در بِرین ما برهم‌کنش کرده و یک نوترینو تولید کنند. این سناریو شاید توضیح دهد که چرا از همان جهت، هیچ فوتون پرانرژی متناظری مشاهده نشده است. البته این بخش از ماجرا بسیار فرضی است.
نه وجود سیاه‌چاله‌های نخستین تاکنون اثبات شده و نه وجود بُعد تاریک. خود پژوهشگران نیز اذعان دارند که در تفسیر رویداد KM3NeT به این شکل، مشکلات و پرسش‌های حل‌نشده‌ای وجود دارد.
شاید سیاه‌چاله‌های نخستین پنجره‌ای به ابعادی باشند که نمی‌توانیم واردشان شویم
اما همین موضوع یکی از دلایلی است که سیاه‌چاله‌های نخستین را تا این اندازه جذاب می‌کند. اگر آنها واقعاً وجود داشته باشند، این بقایای بسیار کوچک از جهان نوزاد ممکن است اطلاعاتی درباره فیزیکی در اختیار ما قرار دهند که در مقیاس‌ها و انرژی‌هایی رخ داده که هرگز نمی‌توانیم آنها را در آزمایشگاه بازسازی کنیم.
و شاید حتی اطلاعاتی درباره ابعادی از جهان که خودمان نمی‌توانیم وارد آنها شویم. فقط یک مشکل باقی می‌ماند: باید یکی از آنها را پیش از آنکه برای همیشه ناپدید شود، پیدا کنیم. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review D منتشر شده است.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: sciencealert.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=110035
