برای درک بهتر مفهوم تکینگی، نیروی جاذبهای را تصور کنید که شما را به سمت یک نقطه بی نهایت کوچک میکشد طوری که میتوان گفت هیچ فضایی را اشغال نمیکنید. این نقاط که به آنها تکینگی کفته میشود، در مرکز سیاه چالهها و شروع بیگ بنگ وجود داشته اند. تکینگیها در دنیای فیزیکی رخ نمیدهند بلکه در محاسبات ما رخ میدهند و نشان میدهند که نظریههای ما درباره فیزیکی نقض شده و باید آنها را با نظریههایی با درک بهتر جایگزین کنیم.
تکینگی چیست؟
امکان رخ دادن تکینگی در همه جا وجود دارد و در محاسبات مورد استفاده ما برای درک جهان بسیار متداول هستند. به زبان ساده، تکینگی جایی رخ میدهد که محاسبات ما در آن برقرار نیست و معمولاً دلیل آن بزرگ بودن بسیار زیاد مقادیر است. در علم فیزیک نمونههای بیشماری از تکینگی ریاضی وجود دارد: معمولاً هر زمان در یک معادله از 1/X استفاده شود که در آن X به سمت صفر میل کند، مقدار این معادله به بی نهایت میل خواهد کرد.
معمولاً اکثر تکینگیها با اشاره به اینکه فاقد یکسری فاکتور خاص هستند یا ممکن نبودن رسیدن به آن نقطه از نظر ما، نادیده گرفته میشوند. به عبارتی گفته میشود که این نقاط واقعی نیستند.
اما در فیزیک، تکینگی نقاطی را شامل میشود که راه حل سادهای ندارند و مهم ترین آنها تکینگیهای جاذبهای است که در قانون نسبیت عام انیشتین رخ داده اند.
در نظریه نسبیت دو نوع تکینگی وجود دارد: مختصاتی و حقیقی. تکنینگی مختصاتی وقتی رخ میدهد که یک بی نهایت در یک سیستم مختصات رخ میدهد اما در سیستم مختصات دیگر ناپدید میشود.
تکینگی گرانشی کجا و چگونه رخ میدهد؟
به گفته ، اگر یک شی را طوری فشرده کنید که به کمتر از شعاع شوارتزشیلد خودش برسد، در این صورت جاذبه به حدی قوی میشود که شی خودبخود به فشرده شدن ادامه میدهد تا وقتی که به یک نقطه بی نهایت کوچک برسد.
برای دههها، فیزیکدانان بر سر اینکه آیا فروپاشی تا نقطه بی نهایت کوچک ممکن است یا اینکه نیروهای دیگری میتوانند از فروپاشی کامل پیشگیری کنند، اختلاف نظر داشتند. به گفته ناسا گرچه کوتولههای سفید و ستارههای نوترونی میتوانند به صورت نامحدود خودشان را حفظ کنند، اما شیای که حدود 6 برابر بزرگتر از جرم خورشید باشد، جاذبه بسیار شدیدی خواهد داشت که بر همه نیروهای دیگر غلبه کرده و آن را به یک نقطه بی نهایت کوچک تبدیل میکند که این یک نوع تکینگی حقیقی است.
تکینگی برهنه
تکینگی همان چیزی است که با نام سیاه چاله میشناسیم یعنی یک نقطهی تراکم نامحدود که با افق رویدادی که در شعاع شوارتزشیلد قرار گرفته، محصور شده است. این افق رویداد از تکینگی حفاظت کرده و باعث میشود که ناظران بیرونی قادر مشاهده آن نباشند مگر اینکه از شعاع رویداد عبور کنند.
تا مدتها دانشمندان تصور میکردند که همه تکینگیها در نظریه نسبیت عام مثل این تکینگیها با افق رویداد احاطه شده اند اما شبیه سازیهای کامپیوتری و نظریه پردازیهای آنها احتمال وجود تکینگیهای غیرمحصور شده یا برهنه را اثبات کرد. تکینگی برهنه، به تکینگی گفته میشود که افق رویداد ندارد و از جهان بیرونی کاملاً قابل مشاهده است.
در مرکز سیاه چاله چه چیزی قرار دارد؟
از آنجایی که سیاه چالهها تکینگی محاسباتی هستند، هیچ کس دقیقاً اطلاع ندارد که در مرکز آنها چه چیزی قرار دارد. برای درک این پدیده به نظریهای فراتر از نسبیت عام نیاز داریم. در واقع ما نیاز به نظریه جاذبهای داریم که بتواند رفتار جاذبه را توصیف کند به ویژه نیاز به نظریه کوانتوم جاذبه داریم که قادر به توضیح دادن رفتار جاذبهی بسیار قوی، در مقیاس بسیار کوچک باشد.
از جمله فرضیههایی که میتوانند نسبیت عام را تغییر داده یا یک جایگزین بهتر برای توضیف تکینگی سیاه چالهها ایجاد کنند، میتوان به ستارههای پلانک (یک نوع ماده نامتعارف به شدت فشرده)، ستارههای گرت (یک پوسته نازک از ماده که با گرانش نامتعارف، حمایت میشود) و ستارههای انرژی تاریک (یک وضعیت نامتعارف از انرژی خلأ که شبیه به یک سیاه چاله عمل میکند) اشاره کرد که تا به امروز تنها در حد فرضیه هستند.
تکینگی بیگ بنگ چیست؟
تکینگی بیگ بنگ که در آن تصور شده نسبیت عام درست است، یک مدل کیهان شناسی جدید برای تاریخچه جهان است. این مدل هم شامل تکینگی است. طبق نظریه بیگ بنگ، در گذشتهای بسیار دور یعنی حدود 13.77 میلیارد سال پیش، کل جهان در یک نقطهی بی نهایت کوچک فشرده شده بود.
فیزیک دانان معتقدند که این نتیجه گیری درست نیست. گرچه نظریه بیگ بنگ برای توضیح تاریخچه کیهان و همچنین سیاه چالهها بسیار موفق بوده اما وجود تکینگی به دانشمندان نشان میدهد که این نظریه – و همچنین نسبیت عام – کامل نیستند و نیاز به بروزرسانی دارد.
یکی از راه حلهای مسئله تکینگی بیگ بنگ، نظریه مجموعههای سببی است که طبق این نظریه، بر خلاف آنچه در نسبیت عام ذکر شده، فضا – زمان یک پدیده پیوسته و روان نیست بلکه از یکسری پیمانههای مجزا به اسم “اتمهای فضا – زمان” تشکیل شده است. از آنجایی که هیچ چیز نمیتواند از یکی از این اتمها کوچکتر باشد، تکینگی غیرممکن میشود.
دانشمندان سعی دارند لحظههای اولیه بیگ بنگ را با نظریه مجموعههای سببی جایگزین کنند. به باور آنها پس از طی شدن این لحظهها، جهان به اندازهای بزرگ و رفتار آن به گونهای مناسب شده که تداوم فضا – زمان میتواند تقریب خوبی از رفتار آن باشد.
گرچه هنوز پاسخ تأیید شدهای برای مسئله تکینگی بیگ بنگ وجود ندارد اما فیزیکدانان امیدوارند که به زودی راهکاری برای این مسئله پیدا کنند.
