۱۰ قدم تا سياهچاله، جايي كه علم از پاسخ باز مي‌ماند

تصور كنيد فردي به اتاقي رفته و در آنجا حبس مي‌شود، پليس به محل حادثه مي‌رسد و وارد اتاق مي‌شود اما در عوض آنكه اثري از آن فرد پيدا كند، مقداري آجر، دستگاه قهوه ساز، فرهنگ لغت يا هر مجموعه‌ي تصادفي ديگري از اشيا را پيدا مي‌كند كه وزن تركيبي آنها برابر با وزن آن فرد است؛ اما هيچ اثر و نشاني ديگري از وجود آن فرد ندارند. كسي نمي‌تواند هويت و يا چگونگي ناپديد شدن او را بفهمد، اين اتفاق هر بار كه شخصي وارد يكي از اين اتاق‌ها مي‌شود تكرار شده و آنها با پشت سر گذاشتن مجموعه تصادفي از اشيا بدون هيچ سرنخ و به سادگي از بين مي‌روند.

هر آنچه سياهچاله بلعيده اطلاعاتي كوانتومي به همراه داشته است، اما در گرما هيچ اطلاعاتي وجود ندارد

اصلي‌ترين قوانين فيزيك كوانتوم به ما مي‌گويند كه اطلاعات كوانتومي هرگز از بين نمي‌روند؛ اما اين دقيقا همان اتفاقي است كه در سياهچاله مي‌افتد. نتيجه‌ي اجتناب ناپذير چندين قانون اساسي فيزيك اين است كه بايد گرما از سياهچاله به فضا منتشر شود، كه اين كار به نوبه خود باعث كوچك شدن سياهچاله خواهد شد و با آزاد شدن گرماي بيشتر در گذر زمان، سياهچاله در نهايت ناپديد شده و چيزي جز گرما پشت ‌سر نمي‌گذارد.

آيا اطلاعات كوانتومي ناپديد شده است؟ يكي از قوانين اساسي فيزيك به ما مي‌گويد كه ممكن نيست! آيا اطلاعات كوانتومي از سياهچاله خارج شده است؟ قانون اساسي ديگري مي‌گويد اين نيز ممكن نيست! پس چه شده است و كدام يك از اين قوانين دروغ مي‌گويند؟ آيا اين راز حل نشده هر آنچه از فيزيك آموخته‌ايم را به چالش مي‌كشد؟

در سال ۱۹۱۵  آلبرت انيشتين انديشه متخصصينيه نسبيت عام خود را با نوشتن معادله‌اي كه شامل قوانين جاذبه است و امروزه آن را معادله انيشتين مي ناميم، كامل كرد. در عرض چند ماه، كارل شوارتزشيلد فيزيكدان آلماني اولين راه حل دقيق معادله اينشتين را پيدا كرد، اگرچه درك كامل آن براي فيزيكدانان چند دهه به طول كشيد. شوارتزشيلد متوجه شد كه بر طبق انديشه متخصصينيه نسبيت عام انشتين در مناطق خاصي از فضا/زمان جايي مي‌تواند وجود داشته باشد كه وقتي چيزي وارد آن شود هرگز نمي‌تواند از آن فرار كند، حتي نور. ويژگي جالب دوم شوارتزشيلد اين بود كه هر چه بيشتر به مركز يك سياهچاله نزديك شويم، نيروي جاذبه‌ي سياهچاله قويتر و قويتر مي‌شود تا در مركز آن به درجه‌اي نامحدود برسد؛ اين پديده همان چيزي است كه تكينگي ناميده مي شود و جايي است كه انتظار داريم تئوري نسبيت از هم پاشيده و در پيش‌بيني آنچه اتفاق افتاده كاملاً بي فايده شود. هر چيزي كه در دام سياهچاله گرفتار شود محكوم است تا در نهايت به تكينگي برسد.

گام بزرگ بعدي در درك ما از سياهچاله‌ها در سال ۱۹۳۸ توسط يك فيزيكدان هندي فراموش شده به نام B. Datt و يك سال بعد به طور مستقل توسط J. Robert Openheimer و Hartland Snyder برداشته شد. دات و (اوپنهايمر-اسنايدر) نشان دادند كه سياهچاله‌ها فقط تئوري‌هاي فيزيكي نيستند، بلكه مي‌توانند اجسامي كاملاً واقعي و محصولي از فرآيندهاي طبيعي جهان باشند، كه در اعماق فضا منتظرند تا تلسكوپ‌ها آن‌ها را كشف كنند. امروزه مي دانيم كه اگر مقدار مشخصي از ماده را در فضاي كافي و به مقدار كافي! فشرده كنيم، ناگزير منجر به تشكيل سياهچاله خواهد شد. اين همان چيزي است كه براي هسته‌ي يك ستاره‌ي پرتلاطم كه ديگر نمي‌تواند همجوشي هسته‌اي انجام داده و تحت وزن خود متلاشي مي‌شود اتفاق مي‌افتد، و در نهايت به سياهچاله تبديل مي‌شود. دات و(اوپنهايمر-اسنايدر) نشان دادند كه سياهچاله‌ها بايد وجود داشته باشند، و در تلاش براي كشف توسط تلسكوپ‌هاي ما، تا سال ۲۰۲۰ صدها مورد از آن‌ها را مشاهده كرده‌ايم؛ فيزيكدانان نجومي تخمين مي‌زنند كه فقط در كهكشان راه شيري ۱۰ ميليون تا يك ميليارد سياهچاله وجود داشته باشد.

دهه‌هاي ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ را عصر طلايي نسبيت عام مي‌نامند؛ در اين زمان فيزيكدانان گام‌هاي بزرگي در اين زمينه برداشتند، به عنوان مثال فهميدند كه سياهچاله‌ها انواع مختلفي دارند؛ سياهچاله‌هاي چرخشي و غير چرخشي، سياهچاله‌هايي با شارژ الكترومغناطيس و سياهچاله‌هايي با تركيبي از ويژگي‌ها. در همين زمان فيزيكدانان چيزي را ثابت كردند كه قضيه "بدون مو" ناميده مي شود. بنابر قضيه‌ي بدون مو اگر دو سياهچاله جرم، بار الكترومغناطيسي و حركت زاويه‌اي يكساني داشته باشند (حركت چرخشي آن‌ها)، رفتار آن‌ها كاملاً يكسان خواهد بود. به عبارت ديگر، اگر يك سياهچاله را مشاهده مي‌كنيد و اين سه اندازه را در مورد آن به دست بياوريد، جزئيات ديگري وجود ندارد كه اميدوار باشيد در مورد آن سياهچاله به دست بياوريد. نام اين قضيه كنايه‌اي از سر طاس است؛ ‌‌‌بدون مو يعني چيز زيادي وجود ندارد كه بتوان آنها را از هم جدا كرد. به بيان ديگر نمي توانيم اطلاعاتي در مورد چيزهايي كه به درون سياهچاله مي‌افتند به دست بياوريم بجز كمك آنها در افزايش جرم، بار و حركت زاويه اي سياهچاله.

با جهشي كه دانش از فضا، زمان و گرانش در نيمه اول قرن بيستم پيدا كرد، درك انسان از ماده به نيز به شكل گسترده‌اي افزايش يافت. فيزيكدانان آموختند كه تئوري كوانتوم مي تواند خواص همه‌ي مواد و فعل و انفعالات آن‌ها را توصيف كند، و اين فعل و انفعالات به واسطه‌ي نيروي گرايش قابل رديابي است. براي ادامه‌ي مباحثه لازم است دو نكته را در مورد تئوري كوانتوم در ذهن داشته باشيم:

اول اينكه هر جسم فيزيكي، يك الكترون، يك اتومبيل، ماه و يا هر چيز ديگري را مي توان با يك معادله‌ي رياضي در يك زمان خاص توصيف كرد. انديشه متخصصينيه كوانتوم يك انديشه متخصصينيه احتمالي است؛ تمام پيش بيني هاي آن از انديشه متخصصين احتمالات است و نمي‌تواند به ما بگويد كه دقيقاً يك الكترون در كجاي يك آزمايش يافت مي‌شود، اما در عوض مي‌گويد كه احتمال يافتن آن در يك مكان مشخص چقدر خواهد بود. معادله‌ي رياضي كه شامل جدول همه اين احتمالات است، و همه‌ي حالت‌هاي ممكن شي را در خود جاي مي‌دهد؛ يعني مجموعه‌اي از احتمالات براي همه آزمايش‌هاي احتمالي كه مي‌توان در يك زمان خاص روي جسم انجام داد، در سطحي نامتعارف از علم قرار مي‌گيرد؛ اين دانش اطلاعات كوانتومي ناميده مي شود.

دوم اينكه اگر وضعيت يك شي را در يك برهه از زمان بدانيم، مي‌توانيم وضعيت آن را در يك نقطه زمان ديگر از آينده پيش‌بيني كنيم و همچنين بفهميم كه وضعيت آن شي در هر نقطه از گذشته‌ي خود چگونه بوده است. به بيان ديگر اطلاعات كوانتومي هرگز از بين نمي‌رود و همواره آينده بر اساس آن شكل مي‌گيرد.

در اواخر دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، فيزيكداناني كه بر روي نسبيت عام كار مي‌كردند شروع به تركيب آن و انديشه متخصصينيه كوانتوم در مطالعات خود كردند. از ميان بسياري از سوالات به وجود آمده يكي از اصلي‌ترين سوالات پيش‌بيني تئوري كوانتوم در مورد سياهچاله‌ها بود.

استيون هاوكينگ اولين راه حل كاملاً دقيق براي اين اشكال را ارائه داد، اما يافته‌هاي وي جامعه‌ي دانشمندان از جمله خود او را نيز متعجب مي‌كند. مطالعات هاوكينگ نشان مي‌دهد در فرآيندي كه باعث از دست دادن تدريجي انرژي سياهچاله و كوچك شدن آن مي‌شود، انرژي از مجاورت افق سياهچاله و نه خود سياهچاله به فضا منتشر مي‌شود. اين پديده كه بخار شدن سياهچاله ناميده مي‌شود در نهايت به ناپديد شدن كامل سياهچاله منتهي خواهد شد. اين نتايج منطقي به انديشه متخصصين مي‌رسند اما اشكالي اساسي وجود دارد و آن تابش انرژي، يعني گرما است. با مطالعه و اندازه گيري اين تابش، فيزيكدانان فقط مي‌توانند اطلاعاتي در مورد جرم سياهچاله، بار الكترومغناطيسي و حركت زاويه اي آن در زمان انتشار گرما به دست بياورند؛ سه كميتي كه قضيه‌ي بدون مو طبق آن سياهچاله را به طور كامل براي مشاهده كننده در خارج از آن توصيف مي‌كند. همچنين از آنجا كه تابش دقيقاً از بيرون از سياهچاله رخ مي‌دهد، بنابراين نمي‌تواند اطلاعاتي از درون آن به همراه داشته باشد، در نتيجه تابش حرارتي وضعيتي كاملا تصادفي بوده و اطلاعات آن هيچ چيزي را پيش‌بيني نمي‌كند. با اينكه بر اساس قوانين انديشه متخصصينيه كوانتوم بايد يتوانيم وضعيت جسمي را در گذشته بر اساس وضعيت آن در حال حاضر استنباط كنيم. اما براي سياهچاله‌ها حالت نهايي فقط گرما است و اطلاعاتي در مورد چيزي جز جرم، بار و حركت زاويه‌اي به ما نمي‌دهد. در واقع اطلاعات كوانتومي وارد سياهچاله مي‌شوند ولي از آن اطلاعات فقط تصادفي خارج مي‌شود. به اين تضاد در علم پارادوكس از دست دادن اطلاعات سياهچاله گفته مي‌شود.

از زماني كه هاوكينگ براي اولين بار در محاسبات خود اين نتيجه را به دست آورد، فيزيكدانان بارها و از روش‌هاي مختلف محاسبات سياهچاله را انجام داده‌اند ولي همواره به يك جواب رسيده‌اند. پارادوكس مستقيماً از همان اصول بنيادي پيروي مي كند كه تمام اصول شناخته شده‌ي ديگر فيزيك بر اساس آن شكل گرفته‌است، بدون هيچ تضاد ديگري. براي حل تناقض دانشمندان روش‌هاي مختلف ديگري را ارائه داده‌اند ولي اكثر آنها يكي از اصول اساسي ديگر فيزيك را زير پا مي‌گذارد. برخي ديگر معتقدند قوانين فيزيكي كه تاكنون ناشناخته مانده‌اند مي‌تواند به حل پارادوكس سياهچاله كمك كند. اما در چه شرايطي بايد منتظر اين ابعاد ناشناخته باشيم؟ دانشمندان مي‌گويند در جايي كه نيروهاي جاذبه بسيار قوي هستند، به عنوان مثال در نزديكي تكينگي در مركز سياهچاله، قوانين نسبيت عام شروع به شكستن مي كنند؛ در اين شرايط بايد منتظر تئوري پيچيده ديگري باشيم به نام انديشه متخصصينيه‌ي “گرانش كوانتومي”. اگرچه هنوز به انديشه متخصصينيه‌ي گرانش كوانتوم دست پيدا نكرده‌ايم و در واقع انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان آخرين مرز دانش انسان است، اما فقط مي‌دانيم كه چنين انديشه متخصصينيه‌اي بايد وجود داشته باشد.

در تلاش براي حل پارادوكس اطلاعات كوانتوم اخيراً پيشنهادي به نام “سناريوي بازمانده” ارائه شده است كه مي‌گويد در اواخر مراحل تبخير، سياهچاله آنقدر كوچك مي‌شود كه قوانين گرانش كوانتوم سراسر آن را تسخير مي‌كند؛ فيزيكدانان فرض مي‌كنند برطبق پيش‌بيني قوانين جاذبه‌ي كوانتومي هنگامي كه سياهچاله خيلي كوچك مي‌شود تبخير آن متوقف شده و يك سياهچاله كوچك به نام “بازمانده” باقي خواهد ماند. هيچ پارادوكس و تضادي با علم وجود ندارد؛ بازمانده حاوي اجسامي است كه سياهچاله در طول عمر خود بلعيده است، و وضعيت كنوني سياهچاله طبق تئوري كوانتوم همچنان به رمزگذاري اطلاعات گذشته و آينده خود ادامه مي دهد. مطمئناً ما از فضاي خارج از سياهچاله نمي‌توانيم به اين اشيا يا اطلاعات آنها دسترسي داشته باشيم، اما اين محدوديت ما با تئوري كوانتوم مغايرتي ندارد.

اولين فرضيه در سناريوي بازمانده مي‌گويد پس از در دست گرفتن سياهچاله توسط قوانين گرانش كوانتوم، تابش هاوكينگ ماهيت حرارتي نخواهد داشت و در عوض تشعشعاتي حامل تمام اطلاعات از دست رفته به يكباره از آن آزاد مي شوند. يكي از ايراداتي كه به اين فرضيه وارد مي‌شود اين است كه احتمالاً بازمانده كوچكتر از آن است كه اطلاعات زيادي را در خود جاي دهد. طرفداران اين سناريو به برخي ساختارهاي هندسي پيچيده كه از بيرون كوچك به انديشه متخصصين مي‌رسند اما حجم كافي براي در اختيار داشتن اطلاعات زياد دارند اشاره مي‌كنند. ما نمي‌دانيم چنين راه حل‌هايي از انديشه متخصصين تئوري كوانتوم پايدار هستند يا خير، و همچنين حتي نمي‌دانيم قوانين گرانش كوانتوم چه ماهيتي دارند.

اما ايده‌ي بعدي اين است كه تابش حاصل از افق سياهچاله‌ها تقريباً حرارتي است و انحرافات ناچيزي در اطلاعات تصادفي وجود دارد كه اطلاعات كوانتومي اجسامي كه بلعيده شده‌اند را رمزگذاري مي‌كند. در اين سناريو، اطلاعات كوانتومي به ظاهر گمشده با تابش از دل سياهچاله بيرون ميريزد. اين ايده سناريوي بازمانده را نقض مي‌كند زيرا فرض بر اين است كه تابش از همان ابتدا غير حرارتي است نه در مراحل بسيار پاياني از عمر سياهچاله. اما اين ايده اشكالي اساسي ديگري نيز دارد؛ قضيه‌ي عدم مو؛ چطور تابشي كه در فضاي بيرون از سياهچاله شكل مي‌گيرد مي‌تواند اطلاعات درون سياهچاله را به همراه داشته باشد؟ شايد اين تابش به نوعي به اطلاعات درون سياهچاله دسترسي داشته باشد اما حتي نور هم نمي‌تواند از سياهچاله خارج شود، چنين كاري در فيزيك بنابر اصل مكان ممنوع شده است؛ اصلي كه مي‌گويد اطلاعات را نمي‌توان بين دو نقطه منتقل كرد مگر اينكه با نور يا هر سيگنال فيزيكي ديگري منتقل شود، و اين ايده نيز تنها با زير پا گذاشتن يكي از اصول فيزيك قابل تحقق است.

ايده سومي مطرح شده كه معتقد است سياهچاله‌ها با آنچه نسبيت عام به ما مي‌گويد بسيار متفاوت هستند. طبق انديشه متخصصينيه ريسمان، با كاهش جرم سياهچاله‌ها اجرام كوانتومي پيچيده‌تري به نام توپ فازي به وجود خواهند آمد كه برخلاف سياهچاله‌ها، كراتي داراي رشته‌هاي زيادي هستند، بنابراين تابش حاصل از افق اين اجرام ديگر با اطلاعات كم همراه نخواهد بود. اگر از دور به يك توپ فازي نگاه كنيم نمي‌توانيم تفاوت آن را از يك سياهچاله معمولي تشخيص بدهيم اما اگر واقعاً خيلي به آن نزديك شويم آنها بسيار متفاوت به انديشه متخصصين مي‌رسند. در نزديكي سطح يك سياهچاله‌ي بزرگ گرانش واقعاً ضعيف مي‌شود، ولي طبق ايده‌ي توپ فازي قضيه‌ي نسبيت عام حتي در اين شرايط نيز مي‌شكند. فيزيكدانان عميقاً به اين نكته ايمان دارند كه قوانين شناخته شده‌ي فيزيك در همه موارد شناخته شده درست عمل مي‌كنند و فيزيك ناشناخته فقط زماني وارد بازي مي شود كه انرژي‌هاي بسيار بالايي وجود داشته باشد، مانند سناريوي بازمانده. اصلاح نسبيت عام در شرايطي با انرژي كم مانند ايده توپ فازي ما را ملزم به كنار گذاشتن اين اصل مي‌كند.

و در نهايت احتمال ديگري نيز وجود دارد، اما چندان محبوب نيست؛ شايد قانون پايداري اطلاعات كوانتومي به سادگي نادرست باشد، شايد اطلاعات كوانتومي مي‌توانند ناپديد شوند و تمام.

در ۱۲۰ سال اخير پيشرفت زيادي در فيزيك داشته‌ايم كه به سرعت توسط انديشه متخصصينيه‌هاي دوقلوي انقلابي نسبيت عام و كوانتوم به پيش مي‌رود. اين دو انديشه متخصصينيه همه چيز را مي‌توانند توضيح دهند، از رفتار ذرات كوچكتر از اتم گرفته تا برخورد سياهچاله‌ها در ميلياردها سال پيش. با اين حال، كنش متقابل اين دو انديشه متخصصينيه پارادوكس از دست دادن اطلاعات سياهچاله را به وجود مي‌آورد. فيزيكدانان چيزهاي زيادي در مورد جهان آموخته‌اند و بسياري از ايده‌هاي جذاب در تلاش براي حل اين سوالات شكل گرفته شده‌است. اين تناقض با آنكه دور از دسترس علم مانده و همچنان قابل توصيف نيست اما زماني و با تلاش فراوان اين راز نيز برملا شده و بسياري از زيبايي‌هاي ناشناخته‌ي طبيعت را به انسان نشان خواهد داد.