دنیای اسرارآمیز سیاه‌چاله؛ مفاهیم ضمنی نخستین عکس سیاه‌چاله

Faradeed

دنیای اسرارآمیز سیاه‌چاله؛ مفاهیم ضمنی نخستین عکس سیاه‌چاله

موفقیت چشمگیر «تلسکوپ افق رویداد» (EHT) در گرفتن عکس سیاه‌چاله در قلب کهکشان M. ۸۷ وقتی هیجان‌انگیزتر می‌شود که بدانید رصد‌های اخیر احتمالا می‌تواند سرنخ‌هایی درباه یکی از عمیق‌ترین معما‌های فیزیک ارائه کند.
کد خبر: ۶۹۳۷۸
بازدید : ۱۸۴۳۸
۰۳ ارديبهشت ۱۳۹۸ - ۱۱:۵۱
هاوکینگ و سیاه‌چاله/ مفاهیم ضمنی نخستین عکس سیاه‌چاله
 
استیو گیدینگز *| این معما همان «پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله» است که در واقع به یک تناقض اساسی میان وجود خود سیاه‌چاله‌ها و قانون‌های مکانیک کوانتومی اشاره دارد، قانون‌هایی که به باور فیزیک‌دانان جهان ما را تبیین می‌کند. حل کردن این تناقض شاید به انقلابی در بینش ما نیاز دارد که به اندازه سرنگونی فیزیک کلاسیک به دست مکانیک کوانتومی عمیق باشد.

ظاهرا سیاه‌چاله‌ها را در همه جای کیهان می‌توان یافت و با این حال همچنان اسرارآمیزترین اجرام هستند؛ صرف وجود آن‌ها بنیاد‌های کنونی فیزیک ما را تهدید می‌کند. رصد‌هایی مانند آنچه توسط EHT انجام شد و همچنین آشکارسازی اخیر موج گرانشی توسط «رصدخانه موج گرانشی تداخل‌سنج لیزر» (LIGO)، شواهد بسیاری خوبی برای وجود این اجرام اسرارآمیز ارائه می‌کنند.
 
اما وقتی اصول پایه مکانیک کوانتومی که گمان می‌رود بر تمام قانون‌های طبیعت حاکم باشد را به سیاه‌چاله‌ها اعمال کنیم به یک تناقض بزرگ می‌رسیم که نشان می‌دهد در شکل کنونی این قانون‌ها یک نقص اساسی وجود دارد؛ بنابراین مهم‌ترین نقش سیاه‌چاله‌ها می‌تواند این باشد که نکته‌ای جدید و بسیار ژرف درباره قانون‌های بنیادی طبیعت به ما بیاموزد.

این مسئله بغرنج در واقع برآمده از یکی از ساده‌ترین پرسش‌هایی است که می‌توان در مواجهه با موضوع سیاه‌چاله‌ها مطرح کرد: وقتی چیزی به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند چه بلایی سرش می‌آید؟ البته این پرسش به ظاهر ساده کمی ویرایش لازم دارد. نخست اینکه، براساس قانون‌های کنونی مکانیک کوانتومی، ماده می‌تواند به شکل‌های گوناگونی تغییر یابد؛ برای مثال ذرات می‌توانند به انواع گوناگونی از ذرات تغییر شکل دهند.
 
اما چیزی که در این میان از نظر فیزیک مقدس است و هرگز از بین نمی‌رود «اطلاعات کوانتومی» است. اگر توصیف کوانتومی یک سیستم را به طور کامل بدانیم، همیشه باید بتوانیم توصیف کوانتومی پیشین یا پسین آن را بدون هیچ اتلافی در اطلاعات به طور دقیق تعیین کنیم؛ بنابراین پرسش دقیق‌تر این است: اطلاعات کوانتومی که به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کنند چه خواهند شد؟

سریع‌تر از نور؟
آنچه احتمالا از آن می‌توان به عنوان بزرگ‌ترین کشف استفن هاوکینگ یاد کرد این پیش‌بینی اوست که می‌گوید سیاه‌چاله‌ها اطلاعات کوانتومی را نابود می‌کنند. این نتیجه برآمده از محاسباتی است که او در دهه ۱۹۷۰ انجام داد و نشان می‌دهد سیاه‌چاله‌ها تبخیر می‌شوند؛ این اجرام اسرارآمیز ذراتی ساطع می‌کنند و به‌تدریج آب می‌روند تا جایی که انتظار می‌رود به طور کامل ناپدید شوند.
 
مسئله این است که ذرات ساطع‌شده اساسا هیچ اطلاعاتی از آنچه به درون سیاه‌چاله رفته، با خود حمل نمی‌کنند؛ بنابراین اینطور به نظر می‌رسد که محاسبات هاوکینگ نشان می‌دهد اطلاعات کوانتومی سقوط کرده در سیاه‌چاله در نهایت از بین می‌روند که این مسئله با مکانیک کوانتومی ناسازگار است.

این ماجرا بحران عمیقی را در فیزیک به وجود آورده و پیشرفت‌های بزرگ به دنبال چنین بحران‌هایی به دست می‌آیند. یکی از این بحران‌ها که خیلی شبیه به بحران سیاه‌چاله‌هاست مسئله پایداری اتم بود که درنهایت منجر به رخداد انقلاب کوانتومی در فیزیک شد. در آن ماجرا، فیزیک کلاسیک در تناقض آشکار با وجود ماده پایدار، پیش‌بینی کرده بود که اتم‌ها به صورت بنیادی ناپایدار هستند.
 
اما زمانی که مسئله پایداری ماده به صورت کامل درک شد، قانون‌های فیزیک به شیوه‌ای اساسا متفاوت بازنویسی شدند. به طور فزاینده‌ای به نظر می‌رسد که بحران سیاه‌چاله نیز ماجرای مشابهی است که درنهایت منجر به یک تغییر پارادایم بزرگ در فیزیک خواهد شد.

هاوکینگ ابتدا گفت که این مکانیک کوانتومی است که ناکام مانده و نابودی اطلاعات اساسا مجاز است. به هر حال، به‌زودی معلوم شد که چنین اجازه‌ای مستلزم یک عدول جدی از اصل پایستگی انرژی است که تبیین کنونی ما از جهان را به کلی ویران خواهد کرد. ظاهرا راه‌حل را باید در جای دیگری جست‌وجو می‌شد.

ایده دیگر این بود که سیاه‌چاله‌ها به‌طور کامل تبخیر نمی‌شوند و وقتی به اندازه کوچکی برسند، فرایند آب رفتن سیاه‌چاله متوقف می‌شود و آنچه به جا می‌ماند، بقایای میکروسکوپی است که اطلاعات اولیه در آن ذخیره شده است. سپس معلوم شد اصول کوانتومی پایه برای این وضعیت ناپایداری‌های فاجعه‌باری را پیش‌بینی می‌کند که طی آن ماده معمولی به شکل چنین بقایایی منفجر می‌شود که البته این هم با تجربه روزمره ناسازگار است.

ایده‌های دیگری هم مطرح شده‌اند که هنوز بررسی می‌شوند. یکی از آن‌ها این است که نوع جدیدی از فیزیک اساسا از شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها جلوگیری می‌کند. چیز بسیار غریبی است، چون سیاه‌چاله‌های بسیار بزرگ می‌توانند وقتی شکل بگیرند که چگالی سطحی ماده در حال «رمبش» (در خود فروریختن) به چیزی در حد چگالی آب معمولی برسد و ما باور داریم که در چنین چگالی‌هایی از فیزیک سر در می‌آوریم.

ایده دیگر این است که فرایند‌های فیزیکی جدیدی باعث می‌شوند سیاه‌چاله‌ها مدت‌ها پیش از آنکه به ابعاد میکروسکوپی برسند، به شکل نوع جدیدی از بقایای عظیم تغییر درمی‌آیند که حاوی اطلاعات اولیه است. نسخه‌های متعددی از هر دو سناریو هم در حوزه نظریه ریسمان و هم خارج از آن مورد بررسی قرار گرفته است، نظریه‌ای که به باور برخی فیزیک‌دانان می‌تواند رویکرد درست برای آشتی دادن مکانیک کوانتومی با گرانش باشد. برای مثال، یک پیشنهاد در قالب نظریه ریسمان این است که سیاه‌چاله‌ها به شکل پسماند عظیم و پرجرمی موسوم به «فازبال» (Fuzzball) درمی‌آیند یا اینکه به جای شکل‌گیری یک سیاه‌چاله اساسا فازبال به وجود می‌آید. اما این پیشنهاد‌ها نیز مشکل‌های مهم دیگری را به بار می‌آورند.

به طور خاص، در تبیین آینشتاین که بر اساس آن گرانش متناظر است با انحنای فضازمان، اطلاعات هرگز نباید با سرعتی بیش از سرعت نور انتشار یابد. بر اساس خود تعریف سیاه‌چاله، وقتی چنین جرمی به وجود می‌آید چیزی که درون افق رویداد آن قرار دارد نمی‌تواند از سیاه‌چاله بگریزد، چون چنین رویدادی نیازمند جابجایی سریع‌تر از نور است؛ بنابراین اگر قرار است یک جور فرایند جدیدی اطلاعات داخلی را به بیرون انتقال دهد، برای مثال بخشی از فرایند تبدیل شدن سیاه‌چاله به یک پسماند عظیم، آن اطلاعات باید با سرعتی فراتر از نور حرکت کند. در سناریو‌هایی که از ابتدا مانع از شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها می‌شوند نیز چنین نیاز مشابهی برای جابجایی سریع‌تر از نور وجود دارد.

جابجایی و انتقال اطلاعات با سرعتی بیش از نور می‌تواند به مشکلی بسیار جدی منجر شود. فیزیک‌دانان از منع ارسال یک سیگنال سریع‌تر از نور معمولا با عنوان «موضعیت» (Locality) یاد می‌کنند. در فضای تهی تخت، نقض «موضعیت» معمای جدیدی را پیش می‌کشد.
 
به طور مشخص، اگر بتوانید یک سیگنال سریع‌تر از نور ارسال کنید، قانون‌های نسبیت می‌گویند سایر ناظر‌هایی که با سرعت زیاد از شما دور می‌شوند این سیگنال را طوری می‌بینند که گویی دارد در زمان به عقب می‌رود. خود این مسئله منجر به پارادوکس می‌شود، چون عملا دروازه‌های ارسال پیام به گذشته را باز می‌کند و برای مثال می‌توان از کسی خواست که مادربزرگ‌مان را پیش از به دنیا آوردن مادرمان بکشد.

مبنای کوانتومی گرانشی
باوجود اینکه چنین پاسخ‌هایی ظاهرا در تناقض با اصول بنیادی فیزیک هستند، اما ارزش بررسی دقیق‌تر را دارند. ماهیت سرسخت بحران سیاه‌چاله حکایت از راه‌حلی دارد که از طریق نقض ظریف اصل موضعیت به دست می‌آید، نقضی که چنان جزئی و ظریف است که منجر به پارادوکس‌های بعدی نمی‌شود.
 
مکانیک کوانتومی می‌گوید که اطلاعات هرگز از بین نمی‌رود؛ بنابراین اطلاعاتی که به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند در نهایت باید از آن بگریزد، منطقا از طریق نوعی جدید و ظریفی از عدم موضعیت مربوط به اصول پایه گرانش کوانتومی.

اگر اطلاعات از سیاه‌چاله بگریزد، می‌توانیم این پرسش را مطرح کنیم که آیا این فرآیند باید مثل شکل‌گیری یک پسماند عظیم یا فازبال، کاملا واضح و برجسته باشد یا نه؟ در‌واقع شواهد فزاینده‌ای که از سیاه‌چاله‌ها به دست می‌آید نشان می‌دهد اجرامی در جهان وجود دارند که ظاهر و رفتارشان شبیه به سیاه‌چاله‌های کلاسیک است و انحراف چندانی از توصیف آینشتاین ندارد؛ بنابراین شاید باید این مسئله را بررسی کنیم که آیا ممکن است اثر‌های بی‌ضرر جدیدی وجود داشته باشد که بی‌آنکه نقصی جدی در تصویر معمول فضازمان ایجاد کند، امکان عدم موضعیت و نشت اطلاعات از سیاه‌چاله را فراهم کند یا نه؟

من در کار جدیدم دو نوع از این اثر‌ها را پیدا کردم. در یک مورد، به نظر می‌رسد در نزدیکی یک سیاه‌چاله چگونگی خم شدن و موج برداشتن هندسه فضازمان به اطلاعات درون سیاه‌چاله وابسته است. در این سناریو لرزش‌ها و سوسوزدن‌های فضازمان می‌تواند اطلاعات را به بیرون از سیاه‌چاله منتقل کند.
 
با اینکه سناریو‌هایی از این دست برای انتقال اطلاعات، نسبت به تصویر فضازمان از یک سیاه‌چاله سریع‌تر از نور به نظر می‌رسند، اما لزوما منجر به پارادوکس نمی‌شوند. در واقع این انتقال به خود وجود سیاه‌چاله مرتبط است که هندسه فضازمان آن با فضای تخت تفاوت دارد؛ بنابراین در اینجا مسئله ارسال پیام به گذشته دیگر موضوعیت ندارد.

چنین سوسوزدن‌ها و موج‌زدن‌هایی در «هاله کوانتومی» یک سیاه‌چاله می‌تواند در نور گذرنده از همسایگی سیاه‌چاله نیز واپیچش ایجاد کند و این درست همان جایی است که تلسکوپ افق‌های نو وارد بازی می‌شود. درواقع این اثر باید در تصویر‌های تلسکوپ‌های افق رویداد واپیچش‌هایی به وجود آورد که در گذر زمان تغییر می‌کنند.
 
در مورد سیاه‌چاله‌ای که در قلب کهکشان ما وجود دارد، این تغییرات می‌توانند در یک بازه زمانی یک ساعته رخ دهند، اما در مورد سیاه‌چاله M. ۸۷ که هزار برابر بزرگ‌تر است این بازه باید در مقیاس ده‌ها روز باشد.

تصویر اخیری که تلسکوپ افق رویداد از سیاه‌چاله M. ۸۷ ثبت کرد حاصل رصد‌هایی است که در یک بازه یک هفته‌ای انجام شده است. اگر در رصد‌های بعدی این تلسکوپ چنین واپیچش‌هایی آشکار شود، می‌تواند سرنخ خیره‌کننده‌ای باشد از فیزیک کوانتومی سیاه‌چاله. اما اگر واپیچشی مشاهده نشود به این معنی خواهد بود که باید به دنبال اثر‌های کوانتومی ظریف‌تر یا حتا چیزی بگردیم که بسیار عجیب‌تر است.

راه حل هرچه باشد، سیاه‌چاله‌ها حاوی سرنخ‌هایی حیاتی هستند که می‌تواند ما را به سمت مبنای فیزیک کوانتومی گرانش هدایت کند. درست مانند ماجرای پایداری اتم و مکانیک کوانتومی، درک سیاه‌چاله‌ها در واقع راهنمای ما برای انقلاب مفهومی بعدی در فیزیک بنیادی خواهد بود و رصد‌های تلسکوپ افق رویداد می‌تواند ابزار دستیابی به اطلاعات کلیدی درباره ویژگی‌ها و رفتار این هیولا‌های کیهانی باشد.

فرار از سیاه‌چاله کلاسیک با یک جهش کوانتومی
آینشتاین معادلات نسبیت عام را در سال ۱۹۱۵ به دست آورد و دید ما را نسبت به گرانش دگرگون کرد. در‌حالی‌که آینشتاین با معادلاتش سر و کله می‌زد فیزیک‌دان آلمانی دیگری به نام کارل شوراتزشیلد (K.Schwarzschilf) توانست از آن‌ها برای تعیین میدان گرانشی بیرون یک توزیع جرم کروی استفاده کند. اما نتایج شوارتزشیلد هولناک بودند.

این نتایج پیش‌بینی می‌کند اجرام می‌توانند به کلی رمبش کنند، تمام جرم‌شان در یک «تکینگی» مرکزی فروریزد و توسط یک میدان گرانشی احاطه شوند که حتا نور نیز نتواند از آن بگریزد. مرز میان گریز و به دام افتادن نور برای هر سیاه‌چاله سطح کاملا معینی موسوم به افق رویداد است که جهان ما را از دنیای اسرارآمیز نزدیک به سیاه‌چاله جدا می‌کند. به این ترتیب مفهوم «سیاه‌چاله کلاسیک» متولد شد که صرفا معادلات نسبیت عام بر آن حاکم است.
 
با اینکه می‌دانیم گرانش تابع نسبیت عام است، اما ابتدای قرن بیستم شاهد انقلابی در درک دیگر نیرو‌های بنیادی بودیم که این نیرو‌ها را با جزئیات دقیقی در چارچوب مکانیک کوانتومی توضیح می‌دهد.

مشکل اساسی این است که نسبیت عام و مکانیک کوانتومی خوب با هم جفت‌وجور نمی‌شوند. به زبان ساده، معادلات کوانتومی نمی‌توانند گرانش را توضیح دهند و نسبیت عام نیز تنها از پس گرانش برمی‌آید. برای پرداختن به هر دو در موقعیت‌هایی که گرانش قوی است و از مکانیک کوانتوم نیز نمی‌توان صرف‌نظر کرد، در‌حال‌حاضر بهترین کاری که می‌توانیم انجام دهیم چسباندن این معادلات به یکدیگر با نوار چسب است. درواقع تا زمانی که به یک نظریه یکپارچه برای گرانش و سایر نیرو‌ها دست یابیم، این بهترین کاری است که از دست‌مان بر می‌آید.

در ابتدای دهه ۱۹۷۰ استیون هاوکینگ عهده‌دار یکی از مشهورترین تلاش‌ها برای دستیابی به چنین وحدتی شد. او به این اندیشید که به لحاظ مکانیک کوانتومی در افق رویداد سیاه‌چاله چه رخ می‌دهد، جایی که در آن فضای تهی در واقع جرم جوشانی است از ذراتی که پیوسته به وجود می‌آیند و از بین می‌روند.
 
در افق رویداد، این فرآیند ذرات را از هم جدا می‌کند، برخی از آن‌ها به درون تکینگی مرکزی کشیده می‌شوند در‌حالی‌که جفت‌های این ذرات بلعیده‌شده به سوی فضای بیرون می‌گریزند. آنچه هاوکینگ نشان داد در واقع این بود که سیاه‌چاله‌ها از طریق نسخه سرهم‌بندی‌شده‌ای از گرانش و مکانیک کوانتوم، تابش به فضا نشت می‌دهند، به‌آرامی از هسته گرانشی‌شان انرژی می‌کنند و اگر زمان کافی وجود داشته باشد، سیاه‌چاله‌ها به کلی در قالب تابش تبخیر خواهند شد. به این ترتیب زمانی که مکانیک کوانتومی به مخلوط اضافه شود، مفهوم «سیاه‌چاله کلاسیک» از بین می‌رود.

* استیو گیدینگز (S.Giddings) استاد فیزیک دانشگاه کالیفرنیا است. پژوهش‌های او بر پرسش‌های بنیادی در فیزیک کوانتومی، فیزیک ذرات و گرانش متمرکز است.
 
منبع: سازندگی
ترجمه: کیوان فیض‌اللهی
ارسال نظرات
نام:
ایمیل:
* نظر:
نگاه