Full set of scenarios of high energy collision in the Schwarzschild background and kinematic censorship

ब्रह्मांड के इस विशाल रंगमंच में, ब्लैक होल की कल्पना अक्सर ब्रह्मांडीय वैक्यूम क्लीनर के रूप में की जाती है, जो अपने करीब आने वाली हर चीज़ को निगल लेते हैं। लेकिन भौतिकविदों के लिए, वे सबसे चरम स्थितियों के प्रयोगशाला भी हैं, जहाँ स्थान और समय के नियम तब तक मुड़ते हैं जब तक कि वे लगभग टूट न जाएं। एक दशक से अधिक समय से, एक विशिष्ट प्रश्न शोधकर्ताओं को मंत्रमुग्ध कर रहा है: यदि दो कण ब्लैक होल के किनारे के पास एक-दूसरे से टकराते हैं, तो क्या उस प्रभाव से अनंत ऊर्जा निकल सकती है? यह विचार, जिसे बानाडोस-सिल्क-वेस्ट प्रभाव (Ba˜nados-Silk-West effect) के रूप में जाना जाता है, सुझाव देता था कि घूमते हुए ब्लैक होल से जुड़ी बहुत विशिष्ट स्थितियों के तहत, टकराव की ऊर्जा बिना किसी सीमा के बढ़ सकती है। हालाँकि, हमारा ब्रह्मांड गैर-घूमते हुए ब्लैक होल से भरा है, जो सबसे सरल प्रकार के हैं, और लंबे समय तक ऐसा लगता था कि वहां इस तरह का टकराव होना असंभव है। ऊर्जा का आउटपुट सख्ती से सीमित रहा, जो एक मामूली मान पर ही रुक गया। फिर भी, यह निष्कर्ष केवल ब्लैक होल के बाहरी दुनिया को देखने पर आधारित था। पूर्ण चित्र को समझने के लिए, एक को पूर्ण मानचित्र पर विचार करना चाहिए जो आइंस्टीन के समीकरण प्रदान करते हैं, एक ऐसा मानचित्र जिसमें न केवल हमारा ब्रह्मांड और ब्लैक होल शामिल है, बल्कि एक रहस्यमय "दर्पण" ब्रह्मांड और एक व्हाइट होल भी है—एक ऐसा क्षेत्र जहाँ पदार्थ और प्रकाश केवल बाहर निकल सकते हैं, कभी प्रवेश नहीं कर सकते।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पूर्ण मानचित्र पर व्यापक दृष्टिकोण से नज़र डाली है ताकि यह देखा जा सके कि इन छिपे हुए क्षेत्रों में कणों के टकराने पर क्या होता है। उन्होंने केवल परिचित बाहरी दुनिया को ही नहीं देखा; उन्होंने व्हाइट होल और मिरर यूनिवर्स सहित संपूर्ण ज्यामिति का अन्वेषण किया, ताकि कणों के आपस में टकराने के हर संभावित तरीके को वर्गीकृत किया जा सके। उनका कार्य प्रकट करता है कि हालांकि हमारे ब्रह्मांड के साधारण ब्लैक होल अपने आप में अनंत ऊर्जा वाले टकराव पैदा नहीं कर सकते, लेकिन स्पेसटाइम की पूर्ण गणितीय संरचना ऐसे परिदृश्य की अनुमति देती है जहाँ ऊर्जा का आउटपुट असीमित हो जाता है। हालाँकि, कहानी केवल एक साधारण "हाँ" पर समाप्त नहीं होती। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि ऊर्जा मनमाने ढंग से बड़ी हो सकती है, यह भौतिक रूप से वास्तव में कभी अनंत नहीं होती है। उन्होंने एक सूक्ष्म तंत्र की खोज की, जिसे वे 'काइनेमैटिक सेंसरशिप' (kinematic censorship) कहते हैं, जो ऊर्जा को वास्तव में अनंत होने से रोकता है, और उस विरोधाभास को सुलझाता है जो अन्यथा ऐसा करने का सुझाव देता था।

शोधकर्ताओं ने ब्लैक होल के स्पेसटाइम के विभिन्न क्षेत्रों का मानचित्रण करना शुरू किया। एक आरेख की कल्पना करें जो चार अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित है। एक हमारा ब्रह्मांड है, जहाँ हम रहते हैं, और ब्लैक होल का आंतरिक भाग है, जहाँ समय और स्थान की भूमिकाएँ बदल जाती हैं। फिर एक मिरर यूनिवर्स है, जो हमारे अपने ब्रह्मांड का एक गणितीय जुड़वां है, और एक व्हाइट होल क्षेत्र है, जो एक समय-उलटे (time-reversed) ब्लैक होल की तरह कार्य करता है, जो पदार्थ को निगलने के बजाय बाहर निकालता है। मानक दृष्टिकोण में, हम केवल ब्लैक होल के बाहरी हिस्से को देखते हैं। लेकिन पूर्ण आरेख सभी चार क्षेत्रों को हॉरिज़न्स (क्षितिज) के माध्यम से जोड़ता है, जो वे सीमाएं हैं जो उन्हें अलग करती हैं। टीम ने विश्लेषण किया कि कण इन क्षेत्रों में कैसे चलते हैं। उन्होंने अंदर गिरते कणों, बाहर की ओर बढ़ते कणों, और यहाँ तक कि एक विशेष प्रकार के पर्यवेक्षक (observer) को भी देखा जो ब्लैक होल या व्हाइट होल के भीतर स्थिर रहता है, जो कि क्षितिज के बाहर निरंतर बल के बिना बनाए रखना असंभव है।

उन्होंने पाया कि उच्च-ऊर्जा वाले टकराव कई अलग-अलग परिदृश्यों में हो सकते हैं। सबसे आम प्रकार में, दो कण एक हॉरिज़न के पास आमने-सामने टकराते हैं। यदि वे अलग-अलग दिशाओं से आते हैं, तो उनके प्रभाव की ऊर्जा सीमा के करीब आने पर बढ़ती जाती है। ब्लैक होल के बाहरी क्षेत्रों में, यह वृद्धि सीमित है। लेकिन ब्लैक होल के भीतर या व्हाइट होल क्षेत्र में, स्थितियाँ ऊर्जा को बहुत अधिक बढ़ने की अनुमति देती हैं। शोधकर्ताओं ने इन आमने-सामने के टकरावों के आठ विशिष्ट प्रकारों की पहचान की, जो इस बात पर निर्भर करते हैं कि कण किस क्षेत्र से शुरू होते हैं और किस हॉरिजन के करीब पहुँचते हैं। कुछ परिदृश्यों में, ऊर्जा अविश्वसनीय रूप से बड़ी हो सकती है, जो पृथ्वी पर हमारे द्वारा बनाए जाने वाले किसी भी कण त्वरक (particle accelerator) से कहीं अधिक है।

एक विशेष रूप से दिलचस्प मामला एक "रेस्टिंग ऑब्जर्वर" (resting observer) से संबंधित है, जो ब्लैक होल या व्हाइट होल के भीतर एक स्थिर कण है। बाहरी दुनिया में, एक कण बिना रॉकेट इंजन के धक्का दिए स्थिर नहीं रह सकता; उसे गिरना ही होगा। लेकिन अंदर, समय का प्रवाह इतना विकृत है कि एक कण निर्देशांकों (coordinates) के सापेक्ष विश्राम की स्थिति में अस्तित्व रख सकता है। जब ऐसा एक रेस्टिंग कण एक सामान्य चलते हुए कण से टकराता है, तो टकराव की ऊर्जा आमने-सामने के मामलों की तुलना में और भी अधिक नाटकीय रूप से बढ़ती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि एक रेस्टिंग कण स्पेसटाइम आरेख के केंद्र के पास, जहाँ हॉरिजन मिलते हैं, दूसरे कण से टकराता है, तो ऊर्जा असीमित हो सकती है। इसने एक पहेली जैसा सवाल खड़ा कर दिया: क्या ऊर्जा वास्तव में अनंत हो सकती है?

उत्तर इन घटनाओं के सूक्ष्म समय (timing) में निहित है। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि जब क्षितिज के मिलन बिंदु, जिसे 'बाइफरकेशन पॉइंट' (bifurcation point) कहा जाता है, पर एक टक्कर होती है तो क्या होता है। एक परिदृश्य में, यदि कोई कण हॉरिजन के साथ चलता है और ठीक इसी बिंदु पर दूसरे कण से टकराता है, तो गणित बताता है कि ऊर्जा अनंत होगी। हालाँकि, टीम ने दिखाया कि यह एक भ्रम है। वास्तव में, कण उस तरह से बिल्कुल हॉरिजन के साथ नहीं चल सकते जैसा कि इस अनंत परिणाम को बनाने के लिए आवश्यक है। यदि आप टक्कर को ठीक उसी अनंत ऊर्जा बिंदु पर सेट करने की कोशिश करते हैं, तो कण एक-दूसरे को चूक जाते हैं या थोड़े अलग स्थान पर टकराते हैं जहाँ ऊर्जा सीमित होती है।

यह समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने समस्या को अलग-अलग कोणों से देखा, समय और स्थान को मापने के विभिन्न तरीकों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि आप सीमाओं (limits) को किस क्रम में लेते हैं, यह मायने रखता है। यदि आप पहले टक्कर बिंदु को केंद्र के करीब लाते हैं और फिर एक रेस्टिंग कण बनाने की कोशिश करते हैं, तो ऊर्जा अनंत की ओर बढ़ती हुई प्रतीत होती है। लेकिन यदि आप पहले एक रेस्टिंग कण स्थापित करते हैं और फिर टक्कर बिंदु को हिलाते हैं, तो ऊर्जा सीमित रहती है। इन दो तरीकों से समस्या के पास जाने के परिणाम एक जैसे नहीं हैं। इसका अर्थ है कि "अनंत ऊर्जा" वाला परिदृश्य एक गणितीय विसंगति (artifact) है जिसे भौतिक घटना के रूप में साकार नहीं किया जा सकता। 'काइनेमैटिक सेंसरशिप' का सिद्धांत सत्य है: प्रकृति उस घटना को वर्जित करती है जहाँ ऊर्जा वास्तव में अनंत हो।

अध्ययन ने व्हाइट होल और मिरर यूनिवर्स की भूमिका को भी स्पष्ट किया। जबकि ये क्षेत्र हमारे भौतिक वास्तविकता में मौजूद नहीं हैं—इन्हें एक तारे के पतन से नहीं बनाया जा सकता—वे एक ब्लैक होल के गणितीय विवरण के आवश्यक भाग हैं। उन्हें शामिल करके, शोधकर्ता कण टकरावों की संभावनाओं की पूरी सीमा देख सके। उन्होंने पाया कि व्हाइट होल क्षेत्र कुछ उच्च-ऊर्जा परिदृश्यों के लिए महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से उन कणों के लिए जो सिंगुलैरिटी (singularity) से उत्पन्न होते हैं और बाहर की ओर बढ़ते हैं। इस क्षेत्र पर विचार किए बिना, ब्लैक होल के पास क्या संभव है, इसकी तस्वीर अधूरी होती।

अंततः, यह शोध पत्र श्वार्ज़चाइल्ड बैकग्राउंड (Schwarzschild background) में कणों के टकराने के वर्गीकरण को पूरा करता है, जो एक गैर-घूमते हुए ब्लैक होल का वर्णन करता है। यह पुष्टि करता है कि जबकि टकराव की ऊर्जा अत्यधिक बड़ी हो सकती है, जो अनंत की ओर बढ़ती है, यह वास्तव में उस सीमा तक कभी नहीं पहुँचती। ब्रह्मांड में एक अंतर्निहित सेंसरशिप है जो ऊर्जा को वास्तव में अनंत होने से रोकती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि भौतिकी के नियम सबसे चरम वातावरणों में भी सुसंगत बने रहें। यह कार्य न केवल ब्लैक होल टकरावों में ऊर्जा की सीमाओं के बारे में एक लंबे समय से चले आ रहे प्रश्न को हल करता है, बल्कि अधिक जटिल ब्लैक होल, जैसे कि विद्युत आवेश या आंतरिक क्षितिज वाले ब्लैक होल, में समान घटनाओं को समझने के लिए एक ढांचा भी प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि अंतरिक्ष के सबसे अराजक और ऊर्जावान कोनों में भी, प्रकृति एक सख्त व्यवस्था बनाए रखती है, जिससे असंभव को होने से रोका जाता है।