مروری بر نظریات انقلابی سیاهچاله‌ها (به نقل از کانوت)

 مروری بر نظریات انقلابی سیاهچاله‌ها

به‌تازگی استیون هاوکینگ٬ فیزیکدان سرشناس٬ عنوان خبرسازی را بیان کرد مبنی بر این‌که سیاهچاله‌ها وجود ندارند و یا اگر وجود داشته باشند آن طور که ما تصور می‌کنیم نیستند. برای‌این‌که متوجه شویم چنین تفکراتی چگونه در فیزیکدان برجسته‌ای مانند هاوکینگ یا دیگر فیزیکدانان شکل می‌گیرد باید به تاریخ مراجعه کنیم. طی این نظریه‌پردازی‌ها هر نظریه‌ی تازه‌ای در مورد خصوصیات سیاهچاله‌ها٬ گروهی از مشکلات را حل کرده است اما مثل مار هیدرا که با قطع هر کدام از سرهایش سر جدید جوانه می زند، هر نظریه‌ی جدید هم اگرچه برخی از مشکلات را حل می کند اما مشکلات جدیدی را نیز با خود به همراه دارد.

داستان سیاهچاله‌ها از سال ۱۷۸۴ شروع می‌شود؛ زمانی که یک زمین‌شناس به نام جان مایکل عمیقاً در مورد تئوری گرانش نیوتنی به فکر فرو رفت. در فیزیک نیوتنی یک توپ می‌تواند با گرفتن سرعت پیش برند‌ه‌ی خاصی -که به آن سرعت گریز از سیاره یا «سرعت فرار» می‌گویند- به مداری حول زمین پرتاب شود. این سرعت به جرم و شعاع هدفی که سعی برای گریز از آن داریم بستگی دارد. در سال ۱۹۷۶ اوله رومر٬ منجم دانمارکی موفق شد سرعت نور را حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه اندازه‌گیری کند؛ مایکل چنین سرعتی را معادل با سرعت فرار از برخی از اجرام عالم معادل دانسته بود. وی نتایج خود را به‌این صورت ارائه داد: «ستارگان تاریک» بسیار پر جرمی به وفور در آسمان وجود دارند که نوری از آن‌ها تابش نمی‌شود؛ چراکه نور از سطح آن‌ها نمی‌تواند فرار کند. پس از چندی ریاضیدان فرانسوی پیِر سایمون لاپلاس به طور مستقل به کشفی مشابه در مورد این ستارگان تاریک دست پیدا کرد و به‌درستی هر دو این دانشمندان به عدد ۶ کیلومتر برای شعاع این ستارگان تاریک دست پیدا کردند. بعد از انقلاب فیزیک در قرن ۲۱، سیاهچاله‌ها بسیار جالب‌تر هم شدند. در سال ۱۹۱۶ مدتی کوتاه پس از این‌که اینشتین معادلات پیچیده‌ی زیربنایی خود برای نسبیت عام را چاپ کرد( معادلاتی که خود نیز قادر به حل کامل آن ها نبود) یک منجم آلمانی به اسم کارل شوارتزشیلد نشان داد در صورتی که اجرام سنگین در یک نقطه فشرده شوند می‌توانند فضای اطراف خود را دچار انحراف کنند تا آن جا که حتی نور نیز ممکن نیست از آن فرار کند؛ مانند یک جارو برقی است که همه چیز را به درون خود می‌کشد و حتی نور مادامی که در محدوده‌ی شعاع شوارتزشیلد باشد ممکن نیست از آن خارج شود. اما فراتر از شعاع شوارتزشیلد -که به آن «افق رویداد» می‌گویند- به‌آسانی می‌توان از مجاورت سیاهچاله گریخت.

جالب این‌جاست که نه اینشتین و نه شوارتزشیلد حتی تصور هم نمی‌کردند که این جرم چیزی جز حس کنجکاوی ریاضیاتی باشد. با جدی‌تر شدن بررسی‌ها برای درک بهتر زندگی ستاره‌ها قبل از تبدیل‌شدن به سیاهچاله‌ها دانستند که ستاره‌ها برای حفظ تعادل بین گرانشی که به‌طور مداوم در حال تلاش برای کشیدن مواد به داخل‌اش است و همجوشی‌های هسته‌ای در مرکز ستاره که سبب اعمال فشار به بیرون می‌شود به سختی در حال فعالیت‌اند. در برخی موارد که سوخت حاصل از همجوشی‌های هسته‌ای ستاره‌ای تمام می‌شود تعادل از بین می‌‍رود و گرانش غالب می‌شود و باعث می‌شود تا ستاره به روی خودش فرو بریزد. برای ستاره‌هایی مانند خورشید ما، این فروریزش زمانی که الکترون‌های درون اتم‌های ستاره‌ای به قدری بهم نزدیک شوند که نیرویی از جنس مکانیک کوانتومی به اسم «فشار تبهگنی الکترون» را بوجود آورند متوقف می‌شود. جرمی که به این روش به‌وجود می‌آید را کوتوله‌ی سفید می‌گویند. در سال ۱۹۳۰ فیزیکدانی هندی به نام سابراهمانیان چاندراسِکار نشان داد که در صورتی که یک ستاره به اندازه کافی پرجرم باشد گرانش‌اش می‌تواند به فشار تبهگنی الکترونی‌اش غالب شود. فیزیکدان رابرت اوپنهایمر متوجه شد که در صورت غلبه گرانش بر فشار تبهگنی الکترون٬ کل ستاره می‌تواند در یک نقطه فشرده شود. پس از آن آرام آرام دانشمندان پذیرفتند که اجرامی که در نظریات به آن اشاره کرده‌اند وجود حقیقی دارند.

.

در سال ۱۹۶۷ فیزیکدان به‌نام جان ویلر در مقاله‌ی خود از واژه‌ی «سیاهچاله» برای توضیح آن‌ها استفاده کرد؛ نامی که تا به امروز نیز ماندگار شده است. با مطالعات بیشتر محققان روی سیاهچاله‌ها مسائل عجیب و تازه‌تری نیز نمود پیدا کرد. در سال ۱۹۷۴ استیون هاوکیگ نظریه‌ی معروف خود مبنی بر این‌که سیاهچاله‌ها می‌توانند پرتو نور گسیل کنند ارائه داد. در مقیاس زیر اتمی، ذرات بنیادی به طور پیوسته خلق و نابود می شوند (خیلی عجیب است که این اتفاق به طور مداوم همه‌ی مدت اطراف ما رخ بدهد) هاوکینگ پی برد که اگر یک ذره و پادذره اش درست در لبه‌ی افق رویداد سیاهچاله‌ای به هم برخورد کنند اتفاق معمولی که رخ می‌دهد این است که دو ذره نابود شوند و به صورت انرژی به جهان باز خواهند گشت ولی اتفاق خاص و عجیب‌تری نیز ممکن است رخ دهد مبنی بر این‌که یکی از این جفت ذره‌ها به طرف سیاهچاله جذب شود که در پی آن٬ دیگری به بیرون پرتاب خواهد شد. ذره‌ی خارج شده مقداری از انرژی سیاهچاله را با خود به بیرون حمل می‌کند و این باعث می‌شود تا پس از مدتی آرام آرام سیاهچاله تبخیر شود.

در این‌جاپرسش مطرح می‌شود که دقیقاً چه اتفاقی برای ذراتی که داخل سیاهچاله‌ها سقوط می کنند می‌افتد؟ بر طبق قوانین مکانیک کوانتومی٬ اطلاعات ذرات نباید از بین برود اما هنگامی که ذره در داخل افق رویداد به‌دام بیفتد هیچ چیز حتی اطلاعات مکانیک کوانتوم نمی تواند خارج شود. البته این چیزی است که هاوکینگ بیش از ۳۰ سال پیش استدلال کرده بود؛ او حتی تا جایی برای پافشاری روی نظریه‌اش پیش رفت که در سال ۱۹۹۷ با فیزیکدان معروفی به نام جان پرسکیل بر سر این‌که گرانش شدید سیاهچاله‌ها بیش از قدرت قوانین مکانیک کوانتومی است شرط بندی کرد اما سرانجام در سال ۲۰۰۴ مجبور به قبول اشتباه خود شد. فعالیت‌های سایر دانشمدان به‌ویژه دانشمند نظریه ریسمان٬ دونالد مارولف و فیزیکدان برجسته خوان ملدسنا نشان داد که محققاً راهی وجود ندارد که اطلاعات کوانتومی از بین برود و در حقیقت اطلاعات باید از سیاهچاله‌ها به بیرون نشت پیدا کنند. با وجود این که همگی با این واقعیت موافق‌اند اما هنوز هیچکس نظر دقیقی در مورد چگونگی رخداد این پدیده نداشت. بنابراین نتیجه مشکل بدون حل دیگری را سبب شد. ذره و پادذره مسئول این آشفته بازار بودند؛ چراکه مشخصاً همیشه با هم در ارتباط‌‌‌‌اند. فیزیکدان نظری٬ جوزف پولچینسکی که با مارولف و دیگران کار می‌کرد در سال ۲۰۱۲ نشان داد که اگر بخواهیم فرض را بر این بگذاریم که هر آن‌چه درباره‌ی سیاه‌چاله‌ها می‌دانیم درست است باید این درگیری‌های کوانتومی را قبول کنیم. رفع ابهام در مورد جفت ذره‌ها سبب ایجاد مقدار زیادی انرژی در افق رویداد سیاهچاله‌ها می‌شود. این انرژی تولید شده دیواری از آتش فروزان اطراف سیاهچاله تشکیل خواهد داد که هر چیزی که به آن نزدیک شود را در خود خواهد سوزاند.

همان‌طور که می‌بینید به‌تدریج در حال رسیدن به نظریه‌ی اخیر هاوکینگ هستیم فقط کافی است کمی صبر کنیم؛ چرا که هیچ چیز در مورد سیاهچاله‌ها راحت و سریع به‌دست نخواهد آمد. راه حل «دیواره‌ی آتش سوزان» هنوز به طور کامل در بین اهالی فیزیک قابل قبول نیست. البته حتی در صورتی که این نظریه را قبول کنیم باز هم مشکلات اساسی دیگری پیش رویمان خواهد بود. به صورت کلی دانشمندان با دو انتخاب روبرو هستند: ۱- از نظریه‌ی انیشتن دست بردارند و اذعان داشته باشند که دیواره‌ی آتش وجود دارد. ۲-از مکانیک کوانتوم دست بردارند و قبول کنند که اطلاعات در سیاهچاله ها نابود می‌شود.

در تلاش برای رسیدن به بهترین گزینه هاوکینگ اخیراً پیشنهاد جدید خود را مبنی بر وجود«افق ظاهری» اطراف سیاهچاله مطرح کرده است. نظریه‌ی «افق ظاهری» بسیار شبیه به «افق رویداد» عمل می‌کند؛ به‌طوری که پرتوهای نور از داخل آن نمی‌توانند بگریزند و در محدوده‌ای به‌دام می‌افتند و با بیشترین سرعت ممکن٬ حرکت می‌کنند تا بتوانند درهمان محل باقی بمانند. درست مثل ملکه قرمز در فیلم آلیس در سرزمین عجایب! به این ترتیب، نور و سایر اطلاعات می‌توانند در «افق ظاهری» ذخیره شوند و پس از مدتی راه خودشان را به بیرون پیدا کنند. افق ظاهری و افق رویداد به‌طور کامل تداخلی با یکدیگر ندارند؛ چرا که هر دو پدیده ممکن است رخ بدهد. نخست این که سیاهچاله می‌تواند با جذب جرم بیشتر رشد کند و افق رویدادش به ورای افق ظاهری برود و یا اینکه با انتشار تابش کوچک‌تر شود به‌طوری که افق رویداد در داخل افق ظاهری قرارگیرد. البته این مفهومی بسیار عجیب حتی برای فیزیکدانان است و این‌طور به نظر می‌رسد که به روشی که برای تقسیم‌بندی فضا-زمان در معادلات‌مان انتخاب می‌کنیم بستگی دارد. هاوکینگ در آخرین مقاله‌ی خود بیان کرد که افق ظاهری تنها نظریه‌ی صحیح ممکن است زیرا به دانشمندان اجازه می‌دهد تا از افق رویداد و مشکلاتی که دیواره ی آتش آن با خود می آورد چشم‌پوشی کنند. استفاده از افق ظاهری در حقیقت مشکل دیگری را نیز حل می‌کند و آن نحوه ی خروج اطلاعات از سیاهچاله‌هاست. چرا که به‌دام افتادن در دام افق ظاهری موقت است و پرتو‌ها می توانند پس از مدتی سیاه چاله را ترک و اطلاعات را با خود به خارج حمل کنند؛ اگرچه این اطلاعات بسیار پیچیده است.

آیا سرانجام به نقطه‌ای رسیده‌ام که ادعا کنیم مشکل سیاه‌چاله‌ها با این نظریه حل شده است؟ قطعاً خیر! چرا که هضم موضوعی که هاوکینگ مطرح کرده از طرف اهالی فیزیک مدتی زمان می‌برد. در حال حاضر برخی دانشمندان این نظریه را قبول و برخی هنوز برای قبول‌اش مطمئن نیستند.
تنها چیزی که اساساً در حال حاضر می‌توان تضمین کرد این است که فیزیکدانان به برخی نظریه‌ها که حاصل افکار ذهن منعطف بشر است دست پیدا کرده‌اند که با دانسته‌های قبلی ما تناقض دارد.

به نقل از کانوت