۱۰ قدم تا سیاهچاله، جایی که علم از پاسخ باز می‌ماند

تصور کنید فردی به اتاقی رفته و در آنجا حبس می‌شود، پلیس به محل حادثه می‌رسد و وارد اتاق می‌شود اما در عوض آنکه اثری از آن فرد پیدا کند، مقداری آجر، دستگاه قهوه ساز، فرهنگ لغت یا هر مجموعه‌ی تصادفی دیگری از اشیا را پیدا می‌کند که وزن ترکیبی آنها برابر با وزن آن فرد است؛ اما هیچ اثر و نشانی دیگری از وجود آن فرد ندارند. کسی نمی‌تواند هویت و یا چگونگی ناپدید شدن او را بفهمد، این اتفاق هر بار که شخصی وارد یکی از این اتاق‌ها می‌شود تکرار شده و آنها با پشت سر گذاشتن مجموعه تصادفی از اشیا بدون هیچ سرنخ و به سادگی از بین می‌روند.

هر آنچه سیاهچاله بلعیده اطلاعاتی کوانتومی به همراه داشته است، اما در گرما هیچ اطلاعاتی وجود ندارد

اصلی‌ترین قوانین فیزیک کوانتوم به ما می‌گویند که اطلاعات کوانتومی هرگز از بین نمی‌روند؛ اما این دقیقا همان اتفاقی است که در سیاهچاله می‌افتد. نتیجه‌ی اجتناب ناپذیر چندین قانون اساسی فیزیک این است که باید گرما از سیاهچاله به فضا منتشر شود، که این کار به نوبه خود باعث کوچک شدن سیاهچاله خواهد شد و با آزاد شدن گرمای بیشتر در گذر زمان، سیاهچاله در نهایت ناپدید شده و چیزی جز گرما پشت ‌سر نمی‌گذارد.

آیا اطلاعات کوانتومی ناپدید شده است؟ یکی از قوانین اساسی فیزیک به ما می‌گوید که ممکن نیست! آیا اطلاعات کوانتومی از سیاهچاله خارج شده است؟ قانون اساسی دیگری می‌گوید این نیز ممکن نیست! پس چه شده است و کدام یک از این قوانین دروغ می‌گویند؟ آیا این راز حل نشده هر آنچه از فیزیک آموخته‌ایم را به چالش می‌کشد؟

در سال ۱۹۱۵  آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام خود را با نوشتن معادله‌ای که شامل قوانین جاذبه است و امروزه آن را معادله انیشتین می نامیم، کامل کرد. در عرض چند ماه، کارل شوارتزشیلد فیزیکدان آلمانی اولین راه حل دقیق معادله اینشتین را پیدا کرد، اگرچه درک کامل آن برای فیزیکدانان چند دهه به طول کشید. شوارتزشیلد متوجه شد که بر طبق نظریه نسبیت عام انشتین در مناطق خاصی از فضا/زمان جایی می‌تواند وجود داشته باشد که وقتی چیزی وارد آن شود هرگز نمی‌تواند از آن فرار کند، حتی نور. ویژگی جالب دوم شوارتزشیلد این بود که هر چه بیشتر به مرکز یک سیاهچاله نزدیک شویم، نیروی جاذبه‌ی سیاهچاله قویتر و قویتر می‌شود تا در مرکز آن به درجه‌ای نامحدود برسد؛ این پدیده همان چیزی است که تکینگی نامیده می شود و جایی است که انتظار داریم تئوری نسبیت از هم پاشیده و در پیش‌بینی آنچه اتفاق افتاده کاملاً بی فایده شود. هر چیزی که در دام سیاهچاله گرفتار شود محکوم است تا در نهایت به تکینگی برسد.

گام بزرگ بعدی در درک ما از سیاهچاله‌ها در سال ۱۹۳۸ توسط یک فیزیکدان هندی فراموش شده به نام B. Datt و یک سال بعد به طور مستقل توسط J. Robert Openheimer و Hartland Snyder برداشته شد. دات و (اوپنهایمر-اسنایدر) نشان دادند که سیاهچاله‌ها فقط تئوری‌های فیزیکی نیستند، بلکه می‌توانند اجسامی کاملاً واقعی و محصولی از فرآیندهای طبیعی جهان باشند، که در اعماق فضا منتظرند تا تلسکوپ‌ها آن‌ها را کشف کنند. امروزه می دانیم که اگر مقدار مشخصی از ماده را در فضای کافی و به مقدار کافی! فشرده کنیم، ناگزیر منجر به تشکیل سیاهچاله خواهد شد. این همان چیزی است که برای هسته‌ی یک ستاره‌ی پرتلاطم که دیگر نمی‌تواند همجوشی هسته‌ای انجام داده و تحت وزن خود متلاشی می‌شود اتفاق می‌افتد، و در نهایت به سیاهچاله تبدیل می‌شود. دات و(اوپنهایمر-اسنایدر) نشان دادند که سیاهچاله‌ها باید وجود داشته باشند، و در تلاش برای کشف توسط تلسکوپ‌های ما، تا سال ۲۰۲۰ صدها مورد از آن‌ها را مشاهده کرده‌ایم؛ فیزیکدانان نجومی تخمین می‌زنند که فقط در کهکشان راه شیری ۱۰ میلیون تا یک میلیارد سیاهچاله وجود داشته باشد.

دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ را عصر طلایی نسبیت عام می‌نامند؛ در این زمان فیزیکدانان گام‌های بزرگی در این زمینه برداشتند، به عنوان مثال فهمیدند که سیاهچاله‌ها انواع مختلفی دارند؛ سیاهچاله‌های چرخشی و غیر چرخشی، سیاهچاله‌هایی با شارژ الکترومغناطیس و سیاهچاله‌هایی با ترکیبی از ویژگی‌ها. در همین زمان فیزیکدانان چیزی را ثابت کردند که قضیه "بدون مو" نامیده می شود. بنابر قضیه‌ی بدون مو اگر دو سیاهچاله جرم، بار الکترومغناطیسی و حرکت زاویه‌ای یکسانی داشته باشند (حرکت چرخشی آن‌ها)، رفتار آن‌ها کاملاً یکسان خواهد بود. به عبارت دیگر، اگر یک سیاهچاله را مشاهده می‌کنید و این سه اندازه را در مورد آن به دست بیاورید، جزئیات دیگری وجود ندارد که امیدوار باشید در مورد آن سیاهچاله به دست بیاورید. نام این قضیه کنایه‌ای از سر طاس است؛ ‌‌‌بدون مو یعنی چیز زیادی وجود ندارد که بتوان آنها را از هم جدا کرد. به بیان دیگر نمی توانیم اطلاعاتی در مورد چیزهایی که به درون سیاهچاله می‌افتند به دست بیاوریم بجز کمک آنها در افزایش جرم، بار و حرکت زاویه ای سیاهچاله.

با جهشی که دانش از فضا، زمان و گرانش در نیمه اول قرن بیستم پیدا کرد، درک انسان از ماده به نیز به شکل گسترده‌ای افزایش یافت. فیزیکدانان آموختند که تئوری کوانتوم می تواند خواص همه‌ی مواد و فعل و انفعالات آن‌ها را توصیف کند، و این فعل و انفعالات به واسطه‌ی نیروی گرایش قابل ردیابی است. برای ادامه‌ی بحث لازم است دو نکته را در مورد تئوری کوانتوم در ذهن داشته باشیم:

اول اینکه هر جسم فیزیکی، یک الکترون، یک اتومبیل، ماه و یا هر چیز دیگری را می توان با یک معادله‌ی ریاضی در یک زمان خاص توصیف کرد. نظریه کوانتوم یک نظریه احتمالی است؛ تمام پیش بینی های آن از نظر احتمالات است و نمی‌تواند به ما بگوید که دقیقاً یک الکترون در کجای یک آزمایش یافت می‌شود، اما در عوض می‌گوید که احتمال یافتن آن در یک مکان مشخص چقدر خواهد بود. معادله‌ی ریاضی که شامل جدول همه این احتمالات است، و همه‌ی حالت‌های ممکن شی را در خود جای می‌دهد؛ یعنی مجموعه‌ای از احتمالات برای همه آزمایش‌های احتمالی که می‌توان در یک زمان خاص روی جسم انجام داد، در سطحی نامتعارف از علم قرار می‌گیرد؛ این دانش اطلاعات کوانتومی نامیده می شود.

دوم اینکه اگر وضعیت یک شی را در یک برهه از زمان بدانیم، می‌توانیم وضعیت آن را در یک نقطه زمان دیگر از آینده پیش‌بینی کنیم و همچنین بفهمیم که وضعیت آن شی در هر نقطه از گذشته‌ی خود چگونه بوده است. به بیان دیگر اطلاعات کوانتومی هرگز از بین نمی‌رود و همواره آینده بر اساس آن شکل می‌گیرد.

در اواخر دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، فیزیکدانانی که بر روی نسبیت عام کار می‌کردند شروع به ترکیب آن و نظریه کوانتوم در مطالعات خود کردند. از میان بسیاری از سوالات به وجود آمده یکی از اصلی‌ترین سوالات پیش‌بینی تئوری کوانتوم در مورد سیاهچاله‌ها بود.

استیون هاوکینگ اولین راه حل کاملاً دقیق برای این مشکل را ارائه داد، اما یافته‌های وی جامعه‌ی دانشمندان از جمله خود او را نیز متعجب می‌کند. مطالعات هاوکینگ نشان می‌دهد در فرآیندی که باعث از دست دادن تدریجی انرژی سیاهچاله و کوچک شدن آن می‌شود، انرژی از مجاورت افق سیاهچاله و نه خود سیاهچاله به فضا منتشر می‌شود. این پدیده که بخار شدن سیاهچاله نامیده می‌شود در نهایت به ناپدید شدن کامل سیاهچاله منتهی خواهد شد. این نتایج منطقی به نظر می‌رسند اما مشکلی اساسی وجود دارد و آن تابش انرژی، یعنی گرما است. با مطالعه و اندازه گیری این تابش، فیزیکدانان فقط می‌توانند اطلاعاتی در مورد جرم سیاهچاله، بار الکترومغناطیسی و حرکت زاویه ای آن در زمان انتشار گرما به دست بیاورند؛ سه کمیتی که قضیه‌ی بدون مو طبق آن سیاهچاله را به طور کامل برای مشاهده کننده در خارج از آن توصیف می‌کند. همچنین از آنجا که تابش دقیقاً از بیرون از سیاهچاله رخ می‌دهد، بنابراین نمی‌تواند اطلاعاتی از درون آن به همراه داشته باشد، در نتیجه تابش حرارتی وضعیتی کاملا تصادفی بوده و اطلاعات آن هیچ چیزی را پیش‌بینی نمی‌کند. با اینکه بر اساس قوانین نظریه کوانتوم باید یتوانیم وضعیت جسمی را در گذشته بر اساس وضعیت آن در حال حاضر استنباط کنیم. اما برای سیاهچاله‌ها حالت نهایی فقط گرما است و اطلاعاتی در مورد چیزی جز جرم، بار و حرکت زاویه‌ای به ما نمی‌دهد. در واقع اطلاعات کوانتومی وارد سیاهچاله می‌شوند ولی از آن اطلاعات فقط تصادفی خارج می‌شود. به این تضاد در علم پارادوکس از دست دادن اطلاعات سیاهچاله گفته می‌شود.

از زمانی که هاوکینگ برای اولین بار در محاسبات خود این نتیجه را به دست آورد، فیزیکدانان بارها و از روش‌های مختلف محاسبات سیاهچاله را انجام داده‌اند ولی همواره به یک جواب رسیده‌اند. پارادوکس مستقیماً از همان اصول بنیادی پیروی می کند که تمام اصول شناخته شده‌ی دیگر فیزیک بر اساس آن شکل گرفته‌است، بدون هیچ تضاد دیگری. برای حل تناقض دانشمندان روش‌های مختلف دیگری را ارائه داده‌اند ولی اکثر آنها یکی از اصول اساسی دیگر فیزیک را زیر پا می‌گذارد. برخی دیگر معتقدند قوانین فیزیکی که تاکنون ناشناخته مانده‌اند می‌تواند به حل پارادوکس سیاهچاله کمک کند. اما در چه شرایطی باید منتظر این ابعاد ناشناخته باشیم؟ دانشمندان می‌گویند در جایی که نیروهای جاذبه بسیار قوی هستند، به عنوان مثال در نزدیکی تکینگی در مرکز سیاهچاله، قوانین نسبیت عام شروع به شکستن می کنند؛ در این شرایط باید منتظر تئوری پیچیده دیگری باشیم به نام نظریه‌ی “گرانش کوانتومی”. اگرچه هنوز به نظریه‌ی گرانش کوانتوم دست پیدا نکرده‌ایم و در واقع نظریه‌ی ریسمان آخرین مرز دانش انسان است، اما فقط می‌دانیم که چنین نظریه‌ای باید وجود داشته باشد.

در تلاش برای حل پارادوکس اطلاعات کوانتوم اخیراً پیشنهادی به نام “سناریوی بازمانده” ارائه شده است که می‌گوید در اواخر مراحل تبخیر، سیاهچاله آنقدر کوچک می‌شود که قوانین گرانش کوانتوم سراسر آن را تسخیر می‌کند؛ فیزیکدانان فرض می‌کنند برطبق پیش‌بینی قوانین جاذبه‌ی کوانتومی هنگامی که سیاهچاله خیلی کوچک می‌شود تبخیر آن متوقف شده و یک سیاهچاله کوچک به نام “بازمانده” باقی خواهد ماند. هیچ پارادوکس و تضادی با علم وجود ندارد؛ بازمانده حاوی اجسامی است که سیاهچاله در طول عمر خود بلعیده است، و وضعیت کنونی سیاهچاله طبق تئوری کوانتوم همچنان به رمزگذاری اطلاعات گذشته و آینده خود ادامه می دهد. مطمئناً ما از فضای خارج از سیاهچاله نمی‌توانیم به این اشیا یا اطلاعات آنها دسترسی داشته باشیم، اما این محدودیت ما با تئوری کوانتوم مغایرتی ندارد.

اولین فرضیه در سناریوی بازمانده می‌گوید پس از در دست گرفتن سیاهچاله توسط قوانین گرانش کوانتوم، تابش هاوکینگ ماهیت حرارتی نخواهد داشت و در عوض تشعشعاتی حامل تمام اطلاعات از دست رفته به یکباره از آن آزاد می شوند. یکی از ایراداتی که به این فرضیه وارد می‌شود این است که احتمالاً بازمانده کوچکتر از آن است که اطلاعات زیادی را در خود جای دهد. طرفداران این سناریو به برخی ساختارهای هندسی پیچیده که از بیرون کوچک به نظر می‌رسند اما حجم کافی برای در اختیار داشتن اطلاعات زیاد دارند اشاره می‌کنند. ما نمی‌دانیم چنین راه حل‌هایی از نظر تئوری کوانتوم پایدار هستند یا خیر، و همچنین حتی نمی‌دانیم قوانین گرانش کوانتوم چه ماهیتی دارند.

اما ایده‌ی بعدی این است که تابش حاصل از افق سیاهچاله‌ها تقریباً حرارتی است و انحرافات ناچیزی در اطلاعات تصادفی وجود دارد که اطلاعات کوانتومی اجسامی که بلعیده شده‌اند را رمزگذاری می‌کند. در این سناریو، اطلاعات کوانتومی به ظاهر گمشده با تابش از دل سیاهچاله بیرون میریزد. این ایده سناریوی بازمانده را نقض می‌کند زیرا فرض بر این است که تابش از همان ابتدا غیر حرارتی است نه در مراحل بسیار پایانی از عمر سیاهچاله. اما این ایده مشکلی اساسی دیگری نیز دارد؛ قضیه‌ی عدم مو؛ چطور تابشی که در فضای بیرون از سیاهچاله شکل می‌گیرد می‌تواند اطلاعات درون سیاهچاله را به همراه داشته باشد؟ شاید این تابش به نوعی به اطلاعات درون سیاهچاله دسترسی داشته باشد اما حتی نور هم نمی‌تواند از سیاهچاله خارج شود، چنین کاری در فیزیک بنابر اصل مکان ممنوع شده است؛ اصلی که می‌گوید اطلاعات را نمی‌توان بین دو نقطه منتقل کرد مگر اینکه با نور یا هر سیگنال فیزیکی دیگری منتقل شود، و این ایده نیز تنها با زیر پا گذاشتن یکی از اصول فیزیک قابل تحقق است.

ایده سومی مطرح شده که معتقد است سیاهچاله‌ها با آنچه نسبیت عام به ما می‌گوید بسیار متفاوت هستند. طبق نظریه ریسمان، با کاهش جرم سیاهچاله‌ها اجرام کوانتومی پیچیده‌تری به نام توپ فازی به وجود خواهند آمد که برخلاف سیاهچاله‌ها، کراتی دارای رشته‌های زیادی هستند، بنابراین تابش حاصل از افق این اجرام دیگر با اطلاعات کم همراه نخواهد بود. اگر از دور به یک توپ فازی نگاه کنیم نمی‌توانیم تفاوت آن را از یک سیاهچاله معمولی تشخیص بدهیم اما اگر واقعاً خیلی به آن نزدیک شویم آنها بسیار متفاوت به نظر می‌رسند. در نزدیکی سطح یک سیاهچاله‌ی بزرگ گرانش واقعاً ضعیف می‌شود، ولی طبق ایده‌ی توپ فازی قضیه‌ی نسبیت عام حتی در این شرایط نیز می‌شکند. فیزیکدانان عمیقاً به این نکته ایمان دارند که قوانین شناخته شده‌ی فیزیک در همه موارد شناخته شده درست عمل می‌کنند و فیزیک ناشناخته فقط زمانی وارد بازی می شود که انرژی‌های بسیار بالایی وجود داشته باشد، مانند سناریوی بازمانده. اصلاح نسبیت عام در شرایطی با انرژی کم مانند ایده توپ فازی ما را ملزم به کنار گذاشتن این اصل می‌کند.

و در نهایت احتمال دیگری نیز وجود دارد، اما چندان محبوب نیست؛ شاید قانون پایداری اطلاعات کوانتومی به سادگی نادرست باشد، شاید اطلاعات کوانتومی می‌توانند ناپدید شوند و تمام.

در ۱۲۰ سال اخیر پیشرفت زیادی در فیزیک داشته‌ایم که به سرعت توسط نظریه‌های دوقلوی انقلابی نسبیت عام و کوانتوم به پیش می‌رود. این دو نظریه همه چیز را می‌توانند توضیح دهند، از رفتار ذرات کوچکتر از اتم گرفته تا برخورد سیاهچاله‌ها در میلیاردها سال پیش. با این حال، کنش متقابل این دو نظریه پارادوکس از دست دادن اطلاعات سیاهچاله را به وجود می‌آورد. فیزیکدانان چیزهای زیادی در مورد جهان آموخته‌اند و بسیاری از ایده‌های جذاب در تلاش برای حل این سوالات شکل گرفته شده‌است. این تناقض با آنکه دور از دسترس علم مانده و همچنان قابل توصیف نیست اما زمانی و با تلاش فراوان این راز نیز برملا شده و بسیاری از زیبایی‌های ناشناخته‌ی طبیعت را به انسان نشان خواهد داد.