ScienceAlert: سانسور کوانتومی ممکن است حقیقت وحشتناک را در مورد آنچه درون سیاهچاله نهفته است پنهان کند

نظریه گرانش آلبرت انیشتین، نسبیت عام، به طور مشهور ناقص است. همانطور که راجر پنروز برنده جایزه نوبل فیزیک نشان داد، وقتی ماده تحت کشش گرانشی خود فرو می ریزد، نتیجه یک “تکینگی” است – نقطه ای با چگالی یا انحنای بی نهایت.

در یک تکینگی، مکان، زمان و ماده در هم شکسته و به سمت نیستی کشیده می شوند. قوانین فیزیک همانطور که می شناسیم کاملاً در حال شکستن هستند.

اگر می توانستیم تکینگی ها را مشاهده کنیم، نظریه های فیزیکی ما نمی توانستند برای پیش بینی آینده از گذشته استفاده شوند. به عبارت دیگر علم غیرممکن خواهد شد.

پنروز همچنین متوجه شد که طبیعت ممکن است درمانی برای این سرنوشت داشته باشد – سیاهچاله ها.

مشخصه بارز سیاهچاله افق رویداد آن است، غشایی یک طرفه در فضازمان. اجرام – از جمله نور – که از افق رویداد عبور می کنند به دلیل کشش گرانشی فوق العاده قوی سیاهچاله هرگز نمی توانند آن را ترک کنند.

در تمام توصیفات ریاضی شناخته شده سیاهچاله ها، تکینگی ها در هسته آنها وجود دارد.

پنروز فرض کرد که تمام تکینگی های فروپاشی گرانشی با افق رویداد سیاهچاله ها پوشیده شده اند – به این معنی که ما هرگز نمی توانیم یکی از آنها را مشاهده کنیم. با تکینگی درون افق رویداد، فیزیک در بقیه جهان مانند معمول است.

این فرضیه پنروز که هیچ تکینگی «لخت» وجود ندارد، سانسور کیهانی نامیده می شود.

پس از نیم قرن، هنوز ثابت نشده و یکی از مهم ترین مسائل باز در فیزیک ریاضی است. در عین حال، یافتن نمونه هایی از مواردی که این فرض صادق نیست به همان اندازه دشوار بوده است.

در کار اخیر منتشر شده در نامه معاینه فیزیکیما نشان داده‌ایم که مکانیک کوانتومی، که بر جهان کوچک ذرات و اتم‌ها حکومت می‌کند، از سانسور کیهانی پشتیبانی می‌کند.

سیاه چاله ها

سیاهچاله ها تا حدی تحت تأثیر مکانیک کوانتومی قرار دارند، اما این تأثیر عموماً توسط فیزیکدانان نادیده گرفته می شود. به عنوان مثال، پنروز در کار خود این تأثیرات را رد کرد، و همچنین نظریه ای که به دانشمندان اجازه داد امواج در فضا-زمان به نام امواج گرانشی از سیاهچاله ها را اندازه گیری کنند.

هنگامی که آنها روشن می شوند، دانشمندان سیاهچاله ها را “سیاهچاله های کوانتومی” می نامند. آنها مدتهاست که معمای دیگری را ارائه کرده اند، زیرا ما نمی دانیم که فرضیه پنروز چگونه در قلمرو کوانتومی کار می کند.

مدلی که در آن هم ماده و هم فضازمان از مکانیک کوانتومی پیروی می کنند، اغلب توصیفی اساسی از طبیعت در نظر گرفته می شود. این می تواند یک «نظریه همه چیز» یا یک نظریه «گرانش کوانتومی» باشد.

علی‌رغم تلاش‌های فراوان، یک نظریه تجربی تایید شده در مورد گرانش کوانتومی هنوز مبهم باقی مانده است.

به طور گسترده انتظار می رود که هر نظریه قابل دوام گرانش کوانتومی باید ویژگی های موجود در نظریه کلاسیک را حل کند – به طور بالقوه نشان می دهد که آنها صرفاً مصنوع از یک توصیف ناقص هستند. بنابراین منطقی است که انتظار داشته باشیم که اثرات کوانتومی نباید این مشکل را تشدید کند که آیا ما می توانیم یک تکینگی را مشاهده کنیم یا خیر.

این به این دلیل است که قضیه تکینگی پنروز مفروضات خاصی در مورد ماهیت ماده ایجاد می کند، یعنی ماده در جهان همیشه دارای انرژی مثبت است.

با این حال، چنین فرضیاتی را می توان به صورت مکانیکی کوانتومی شکست – ما می دانیم که انرژی منفی می تواند در قلمرو کوانتومی در مقادیر کم وجود داشته باشد (به نام اثر کازمیر).

بدون تئوری کامل گرانش کوانتومی، پاسخ به این سوالات دشوار است. اما با در نظر گرفتن گرانش «نیمه کلاسیک» یا «جزئی کوانتومی» می‌توان پیشرفت کرد، جایی که فضازمان از نسبیت عام پیروی می‌کند اما ماده توسط مکانیک کوانتومی توصیف می‌شود.

اگرچه معادلات تعیین کننده گرانش نیمه کلاسیک شناخته شده است، اما حل آنها داستان دیگری است. در مقایسه با حالت کلاسیک، درک ما از سیاهچاله های کوانتومی بسیار کمتر کامل است.

بر اساس آنچه در مورد سیاهچاله های کوانتومی می دانیم، آنها تکینگی هایی را نیز ایجاد می کنند. اما ما انتظار داریم تعمیم مناسبی از سانسور کیهانی کلاسیک، یعنی سانسور کیهانی کوانتومی، در گرانش نیمه کلاسیک وجود داشته باشد.

توسعه سانسور فضایی کوانتومی

تاکنون هیچ فرمول ثابتی از سانسور کیهانی کوانتومی وجود ندارد، اگرچه سرنخ هایی وجود دارد.

در برخی موارد، یک تکینگی خالی را می توان با اثرات کوانتومی تغییر داد تا تکینگی ها پنهان شود. آنها لباس کوانتومی می شوند. این به این دلیل است که مکانیک کوانتومی در افق رویداد نقش دارد.

اولین نمونه از این دست توسط فیزیکدانان روبرتو امپاران، الساندرو فابری و نمانیا کالوپر در سال 2002 ارائه شد. اکنون، تمام ساختارهای سیاه چاله کوانتومی شناخته شده در این ویژگی مشترک هستند، که نشان می دهد فرمول دقیق تری از سانسور کیهانی کوانتومی وجود دارد.

نابرابری پنروز ارتباط نزدیکی با سانسور فضایی دارد. این یک رابطه ریاضی است که با فرض سانسور کیهانی، می گوید که جرم یا انرژی فضا-زمان به مساحت افق های سیاهچاله موجود در آن مربوط است.

بنابراین، نقض نابرابری Penrose به شدت حاکی از نقض سانسور فضایی است.

بنابراین، از نابرابری پنروز کوانتومی می توان برای فرمول بندی دقیق سانسور کیهانی کوانتومی استفاده کرد. یک تیم از محققان چنین نابرابری را در سال 2019 پیشنهاد کردند. اگرچه امیدوارکننده است، اما آزمایش پیشنهاد آنها برای سیاهچاله های کوانتومی در رژیم هایی که اثرات کوانتومی قوی هستند بسیار دشوار است.

در کارمان، یک نابرابری پنروز کوانتومی پیدا کردیم که برای همه نمونه های شناخته شده سیاهچاله های کوانتومی، حتی در حضور اثرات کوانتومی قوی، صادق است.

نابرابری کوانتومی پنروز انرژی فضازمان را بر حسب آنتروپی کل محدود می کند – اندازه گیری آماری بی نظمی یک سیستم –
سیاهچاله ها و ماده کوانتومی موجود در آنها. این افزودن آنتروپی ماده کوانتومی تضمین می کند که نابرابری کوانتومی حتی زمانی که نسخه کلاسیک شکسته می شود (در مقیاس های کوانتومی) صادق است.

اینکه انرژی کل این سیستم نمی تواند کمتر از آنتروپی کل باشد از نظر ترمودینامیک نیز طبیعی است. برای جلوگیری از نقض قانون دوم ترمودینامیک – آنتروپی کل هرگز کاهش نمی یابد.

هنگامی که ماده کوانتومی معرفی می شود، آنتروپی آن به سیاهچاله اضافه می شود و از قانون دوم تعمیم یافته پیروی می کند. به عبارت دیگر، نابرابری پنروز را می‌توان به‌عنوان محدودیت‌های آنتروپی نیز درک کرد – از این حد فراتر رفته و فضا-زمان تکینگی‌های خالی ایجاد می‌کند.

منطقاً واضح نبود که همه سیاهچاله‌های کوانتومی شناخته شده همان نابرابری جهانی را برآورده کنند، اما ما نشان داده‌ایم که آنها این کار را انجام می‌دهند.

نتیجه ما اثبات نابرابری پنروز کوانتومی نیست. اما این واقعیت که چنین نتیجه ای در هر دو حوزه کوانتومی و کلاسیک برقرار است، آن را تقویت می کند.

در حالی که مکان و زمان ممکن است به تکینگی ها ختم شود، مکانیک کوانتومی این سرنوشت را از ما دور می کند.

اندرو سوسکوپژوهشگر در فیزیک نظری، کالج کینگ لندن. Antonia Micol Frassino، همکار پژوهشی Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati; خوان اف. پدرازا، پژوهشگر موسسه Fisica Teorica UAM/CSIC، Universidad Autónoma de Madrid، و Robbie Henigar، عضو ویلمور در فیزیک ریاضی، دانشگاه دورهام

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.