| نویسنده / نویسندگان : | سیدامین مهناپور |
| مترجم : | |
| کلید واژه : | |
| چکیده : | ژانویه امسال رسانه‌های جهان خبری را از قول استیون هاوکینگ نقل کردند مبنی بر اینکه: "سیاه‌چاله‌ها وجود ندارند." در فیزیک سیاه‌چاله‌ها کسی کارکشته‌تر از‌هاوکینگ نیست. پس باید ببینیم معنی این خبر چیست؟ لذا بهتر است به عقب بازگردیم و ببینیم مفهوم سیاهچاله از کجا آغاز شد و چالش‌های وجود داشتن سیاه‌چاله‌ها چیست؟ |
| منابع : |
تعریف سیاهچاله کلاسیک
آلبرت اینشتین در سال 1915 معادلات نسبیت عام را به دست آورد و نگرش ما را
نسبت به گرانش دگرگون ساخت. در همان سال‌ها فیزیکدان آلمانی کارل
شوراتزشیلد توانست از این معادلات برای تعیین میدان گرانشی بیرون یک جرم
کروی استفاده کند. اما نتایج کارش به تولد یک هیولا انجامید. این نتایج
پیش‌بینی می‌کردند که اجرام می‌توانند به کلی رمبش کرده و تمام جرمشان در
یک "تکینگی" مرکزی فرو ریزد. این تکینگی توسط یک میدان گرانشی احاطه می‌شود
که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد. این میدان، مرزی برای نور به دام
گرانش افتاده به‌وجود می‌آورد که "افق رویداد" نامیده می‌شود. در واقع افق
رویداد سطحی است که جهان ما را از دنیای اسرارآمیز این هیولای سیاه جدا
می‌کند. بدین‌ترتیب مفهوم "سیاهچاله کلاسیک" پا گرفت که صرفا معادلات
نسبیت عام بر آن حاکم بود. زیرا گرانش تابع نسبیت عام است. صلح شکننده
اما در ابتدای قرن بیستم انقلابی دیگر در درک نیروهای بنیادی حاکم بر
طبیعت رخ داد که آنها را در چارچوب "مکانیک کوانتوم" توضیح می‌داد. مشخص شد
که علاوه بر الکترومغناطیس و گرانش دو نیروی دیگر به نام‌های "هسته‌ای
قوی" و "هسته‌ای ضعیف" هم در سازوکار جهان مشارکت دارند. اما این نیروها به
هیچ‌وجه شبیه به هم نیستند. گرانش از همه آنها ضعیف‌تر است. چنان که ما
می‌توانیم سیبی را در مقابل نیروی گرانش زمین به راحتی از روی زمین
برداریم.
در دهه 1970 میلادی هاوکینگ به خوبی دریافت که با توجه به ضعیف بودن
نیروی گرانش، بهترین مکان برای پرداختن به اثرات شدید گرانشی افق رویداد
سیاه‌چاله‌هاست. جایی که از اثرات مکانیک کوانتوم هم نمی‌توان صرف نظر کرد.
در واقع افق رویداد آوردگاه نسبیت عام و مکانیک کوانتوم شد. دو نظریه‌ای
که با هم سر سازش ندارند. هاوکینگ دریافت افق رویداد تنها جایی است که
می‌توان تلاش برای یکی کردن این دو نظریه را به نتیجه رساند. ولی چنین
وحدتی رخ نداد و هاوکینگ مجبور شد با نوار چسب آن دو را در کنار هم قرار
دهد. آتش بسی که 40 سال دوام آورد ولی اکنون مانند آتشفشانی که سال‌ها
خاموش بود مجددا فوران کرد.
پارادوکس اطلاعات
در ابتدای دهه 70 میلادی استیون هاوکینگ عهده‌دار یکی از مشهورترین
تلاش‌ها برای یگانه‌سازی نسبیت عام و مکانیک کوانتوم شد. از نظر کوانتومی
افق رویداد جایی است که خلأ مانند کف جوشانی رفتار می‌کند که در آن ذرات
همواره پدیدار شده و از بین می‌روند. این فرآیند، ذرات را از هم جدا کرده و
برخی از آنها به درون تکینگی مرکزی کشیده می‌شوند، در حالی که جفت‌های این
ذرات بلعیده شده به سوی فضای بیرون می‌گریزند. هاوکینگ نشان داد
سیاه‌چاله‌ها از طریق نسخه سرهم‌بندی شده‌ای از گرانش و مکانیک کوانتوم،
تابش می‌کنند. این تابش به "تابش هاوکینگ" معروف شد.
این تابش از هسته گرانشی سیاه‌چاله‌ها انرژی می‌مکد و اگر زمان کافی وجود داشته باشد، سیاه‌چاله‌ها به کلی تبخیر می‌شوند. با اضافه کردن مکانیک کوانتوم، مفهوم سیاهچاله کلاسیک از بین رفت و همچنین چالش بزرگ‌تری به وجود آورد که به "پارادوکس اطلاعات" مشهور شد. در مکانیک کوانتوم اصل پایستگی اطلاعات وجود دارد یعنی اطلاعات هرگز نابود نمی‌شوند. در حالی که تابشی که هاوکینگ پیش‌بینی کرده بود، حاوی هیچ اطلاعاتی در مورد آنچه درون سیاهچاله سقوط کرده نیست. این بدان‌معنا بود که اطلاعات درون سیاه‌چاله‌ها گم می‌شود. که در تناقض با اصل پایستگی اطلاعات بود. این مسئله سال‌ها باعث جنجال شد.
سرانجام در سال 2004 هاوکینگ پذیرفت که در اشتباه بوده و اطلاعات هرگز از بین نمی‌روند. او از "نظریه هولوگرافیک" الهام گرفت که اگر سیاهچاله سه‌بعدی تبخیر شود، اطلاعات می‌توانند روی یک دنیای دوبعدی که در آن از گرانش خبری نیست و مکانیک کوانتوم حکمرانی می‌کند، کد گذاری شوند.
پارادوکس دیوار آتش
در سال 2012 جوزف پلچینسکی فیزیکدان نظری آمریکایی این پرسش را مطرح کرد:
اگر اطلاعات ذره در حال سقوط در سیاهچاله از بین نرود، آیا به طریقی
می‌تواند در تابش خروجی حک شده باشد؟
او نشان داد که نشت اطلاعات توسط تابش‌هاوکینگ، ذرات بسیار داغی در افق رویداد ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر تعیین مجدد اطلاعات مستلزم قطع ارتباط میان ذره هاوکینگ فراری و جفت در حال سقوطش است. فرآیند شدیدی که مانند شکستن پیوند‌های یک مولکول، انرژی آزاد کرده و افق رویداد را به دیواری آتشین تبدیل می‌کند که هر کسی بخواهد از آن بگذرد برشته می‌شود.
اما این مسئله برخلاف یکی از اصول کلیدی نسبیت عام به نام "اصل هم ارزی" است. که بر اساس آن، ناظر در حال سقوط بدون آنکه متوجه شود در افق رویداد قرار دارد باید به خوبی و خوشی از آن بگذرد. این تناقض به "پارادوکس دیوار آتش" مشهور شد. یعنی یا باید بپذیریم دیوار آتش وجود دارد که در این صورت نسبیت عام در هم می‌شکند، یا اینکه بپذیریم اطلاعات در سیاه‌چاله‌ها از بین می‌رود و مکانیک کوانتوم اشتباه است.
راه حل جدید هاوکینگ
هاوکینگ در مقاله اخیرش به این چالش پرداخته و می‌گوید: وقتی بیش از این
مکانیک کوانتوم را با نسبیت عام مخلوط کنیم، جرم جوشان خلأ از شکل‌گیری یک
افق رویداد معین و آتشین جلوگیری می‌کند و به جای آن افق کم دوام‌تری موسوم
به "افق ظاهری" به وجود می‌آید. این افق ظاهری همان کار افق رویداد را
انجام می‌دهد، ماده و تابش را درون سیاهچاله گرفتار می‌کند، اما این حبس
موقتی است و سرانجام ماده و تابش آزاد می‌شوند و اطلاعات را با خود به
بیرون سیاهچاله می‌برند. سیاه‌چاله‌ها دیگر نیازی به نشت اطلاعات به فضای
بیرون ندارند و می‌توانند هنگامی‌که به‌طور کامل تبخیر شدند، در یک انفجار
نهایی اطلاعات را آزاد کنند، لذا دیگر لازم نیست که دیوار آتش داشته باشند و
ناظر در حال سقوط نیز سفری راحت و بدون برشته شدن به درون سیاهچاله خواهد
داشت.
تولد خاکستری چاله‌ها
این بدان‌معناست که سیاه‌چاله‌ها دیگر آن هیولاهای سیاه نیستند، بلکه "خاکستری چاله" هستند. آنچه هاوکینگ می‌گوید این است که با به حساب آوردن مکانیک کوانتوم مفهوم سیاهچاله کلاسیک به عنوان پدیده‌ای که صرفا تابع نسبیت عام است رنگ می‌بازد. و افق رویداد (مرز بین گریختن و گرفتار شدن) بسیار پیچیده‌تر از آن است که پیشتر پنداشته می‌شد. لذا بهتر است تیتر رسانه‌ها به جای "سیاه‌چاله‌ها وجود ندارند" به "سیاه‌چاله‌ها بسیار پیچیده‌تر از قبل هستند" تغییر یابد. باید توجه داشته باشیم تا زمانی که گرانش و مکانیک کوانتوم با هم آشتی نکنند و نظریه‌ای فراگیر که در برگیرنده هر دو باشد (نظریه همه چیز) ارائه نشود، نمی‌توانیم این پیچیدگی را دریابیم.
بحث درباره ماهیت واقعی سیاه‌چاله‌ها با شدت و حرارت ادامه دارد. و مرتبا شاهد این تغییر ماهیت خواهیم بود. این ویژگی علم است و همین است که آن را چنین بی‌همتا ساخته است.
منبع مجله دانشمند شماره 613 آبان 1393