چرا برخی فیزیک‌دان‌ها فکر می‌کنند درون سیاه‌چاله زندگی می‌کنیم؟

سیاه‌چاله‌ها اجرام اسرارآمیزی هستند که با وجود آموختن نکات بسیار درباره‌ی آن‌ها، همچنان درک ما از فیزیک را مختل می‌کنند. فیزیک‌دان‌ها برای حل برخی از پارادوکس‌های سیاه‌چاله، فرضیه‌های عجیب‌تری ارائه کرده‌اند.

بر اساس یکی از فرضیه‌ها ما در جهانی هولوگرافیک زندگی می‌کنیم که در آن هر آنچه می‌بینیم یا درک می‌کنیم، در واقع در مرز جهانمان رمزنگاری شده است؛ جایی که بازنمایی سه‌بعدی‌ (به اضافه‌ی زمان) از جهانی دو بعدی (به اضافه‌ی زمان) انجام می‌شود. فراتر از این، برخی از دیگر فیزیک‌دان‌ها اشاره کرده‌اند که چنین وضعیتی بدان معنا است که جهان ما درون سیاه‌چاله‌ای از یک جهان بزرگ‌تر قرار دارد.

سیاه‌چاله‌ها زمانی شکل می‌گیرند که ستاره‌های کلان‌جرم دچار فروپاشی شوند. این اجرام در واقع مناطقی از فضا با گرانش بسیار قوی هستند که حتی نور هم نمی‌تواند از آن‌ها بگریزد. وجود سیاه‌چاله‌ها هنگام بررسی آن‌ها از نظر قوانین ترمودینامیک مشکل‌ساز می‌شود. وضعیت نهایی یک سیاه‌چاله در حالت موازنه به شدت به سه پارامتر وابسته است: جرم، تکانه‌ی زاویه‌ای و بار الکتریکی. به گفته‌ی ژان پیر لومینت، اخترفیزیک‌دان در سال ۲۰۱۶:

در نظریه‌ی نسبیت عام کلاسیک، سیاه‌چاله مانع از گریز ذره یا پرتوها از زندان کیهانی خود می‌شود. برای یک ناظر خارجی، وقتی جسمی مادی از افق رویداد سیاه‌چاله عبور کند، کل اطلاعات مربوط به ویژگی‌های ماده از بین می‌‌روند. تنها مقادیر جدیدی از جرم (M)، تکانه‌ی زاویه‌ای (J) و بار الکتریکی (Q) باقی می‌مانند. در نتیجه سیاه‌چاله مقدار قابل توجهی از اطلاعات را می‌بلعد.

شاید موارد فوق به نظر ساده برسند یا حداقل در فیزیک ساده باشند؛ اما اگر سیاه‌چاله‌ای دارای جرم باشد یا مقدار زیادی از آن را داشته باشد، بر اساس قانون اول ترمودینامیک باید دارای دما باشد و بر اساس قانون دوم ترمودینامیک باید از خود گرما منتشر کند. استیون هاوکینگ نشان داد سیاه‌چاله‌ها هم می‌توانند پرتوهایی را از خود منتشر کنند که در مرز سیاه‌چاله شکل می‌گیرند. این نظریه امروز با عنوان تابش هاوکینگ شناخته می‌شود. لومینت می‌گوید:

هاوکینگ بعدا به یک پارادوکس اشاره کرد. اگر سیاه‌چاله‌ها بتوانند تبخیر شوند، بخشی از اطلاعات درون آن‌ها برای همیشه از بین خواهد رفت. اطلاعاتی که درون پرتوهای گرمایی منتشرشده از سیاه‌چاله قرار دارند، به مرور زوال پیدا می‌کنند. همچنین طلاعات موادی که قبلا توسط سیاه‌چاله بلعیده شده‌اند، دوباره ظاهر نمی‌شوند. اتلاف بدون بازگشت اطلاعات در تضاد با یکی از قوانین بنیادی مکانیک کوانتوم است. بر اساس معادله‌ی شرودینگر، سیستم‌های فیزیکی که به مرور زمان تغییر می‌کنند، نمی‌توانند اطلاعات را به وجود آوردند یا نابود کنند. به این خاصیت یکپارچگی می‌گویند.

ویژگی فوق با عنوان پارادوکس اطلاعاتی سیاه‌چاله هم شناخته می‌شود، چرا که درک فعلی ما از جهان را نقض می‌کند و موضوع پژوهش‌های بسیاری بوده است.

یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی برای پارادوکس سیاه‌چاله با بررسی ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها در چارچوب نظریه ریسمان ارائه شد. جرارد تی هوفت نشان داد که درجه‌ی آزادی کلی درون سیاه‌چاله نسبت به مساحت سطح افق رویداد تعریف می‌شود نه حجم آن. به این ترتیب می‌توان به بررسی آنتروپی یک سیاه‌چاله پرداخت. لومینت در این باره توضیح می‌دهد:

از دیدگاه اطلاعات، هر بیت به شکل ۰ یا ۱ متناظر است با چهار مساحت پلانک که امکان یافتن فرمول بکنشتان-هاوکینگ برای آنتروپی را می‌دهد. برای یک ناظر خارجی، اطلاعات مربوط به آنتروپی سیاه‌چاله مادامی که تحت تأثیر ساختار سه بعدی اشیای عبوری از افق رویداد باشد، از دست رفته به نظر می‌رسد؛ اما در این دیدگاه اطلاعات روی سطح دوبعدی سیاه‌چاله مانند هولوگرام نگاشته می‌شوند؛ بنابراین تی هوفت نتیجه می‌گیرد که اطلاعات بلعیده‌شده توسط سیاه‌چاله می‌توانند در فرآیند تبخیر کوانتومی به طور کامل بازیابی شوند.

با اینکه فرضیه یادشده تضمین می‌کند که سیاه‌چاله قانون دوم ترمودینامیک را نقض نمی‌کند، به یک فرضیه‌ی کاملا متفاوت می‌انجامد که بر اساس آن می‌توان حجم سه‌بعدی را در مرز دوبعدی آن توصیف کرد.

با اینکه چنین ایده‌ای در مورد فضای خارج از سیاه‌چاله صادق نیست، بر اساس برخی فرضیه‌ها، جهان خود می‌تواند یک سیاه‌چاله باشد که در آن تمام فرآیندها در مرز رخ می‌دهند و آنچه ما می‌بینیم از این برهم‌کنش‌ها پدیدار می‌شوند. این فرضیه‌ی عجیب نشان می‌دهد گرانش می‌تواند به شکل نیروی برآیند از آنتروپی درهم‌تنیدگی در مرز شکل بگیرد.

با وجود فیزیک استاندارد که هنوز هم جهان ما را به بهترین شکل توصیف می‌کند، نظریه‌ی توصیف‌شده قانع‌کننده‌ترین ایده برای توصیف جهان نیست؛ اما به دلایلی برخی دانشمندان همچنان آن را جدی می‌گیرند.

در درجه‌ی اول برای اینکه مدل فوق کار کند، شعاع هابل جهان یا شعاع جهان مشاهده‌پذیر باید با شعاع شوارتزشیلد آن یا حد شکل‌گیری سیاه‌چاله یکسان باشد. این دو عدد درواقع به‌طر شگفت‌انگیز به یکدیگر نزدیک هستند، گرچه این نزدیکی را می‌توان نوعی تصادف کیهانی نیز تلقی کرد.

دلایل دیگری نیز وجود دارد؛ مثل نمودار همه چیز که نشان می‌دهد ما احتمالا درون یک سیاه‌چاله از جهانی بزرگ‌تر زندگی می‌کنیم. بااین‌حال تا وقتی چنین نظریه‌ای با شواهد و پیش‌بینی‌های قانع‌کننده‌تر از درک کنونی ما از فیزیک پشتیبانی نشود، بهتر است چندان درگیر بحران وجودی جهانمان نشویم.