سیاه چاله ها چگونه ناپدید می شوند؟!

به گزارش مجله دور زمین، از بین تمام راز های حل نشده در فیزیک پارادوکس اطلاعات سیاهچاله عجیب ترین آن ها به نظر می رسد، همانطور که سیاهچاله ها عجیب ترین پدیده ها در در جهان هستند آنچه در ورای افق سیاهچاله رخ می دهد به بن بستی برای دانشمندان تبدیل شده است، همراه زومیت باشید.

سیاه چاله ها چگونه ناپدید می شوند؟!

به گزارش مجله دور زمین و به نقل از زومیت، تصور کنید فردی به اتاقی رفته و در آنجا حبس می شود، پلیس به محل حادثه می رسد و وارد اتاق می شود اما در عوض آنکه اثری از آن فرد پیدا کند، مقداری آجر، دستگاه قهوه ساز، فرهنگ لغت یا هر مجموعه تصادفی دیگری از اشیا را پیدا می کند که وزن ترکیبی آنها برابر با وزن آن فرد است؛ اما هیچ اثر و نشانی دیگری از وجود آن فرد ندارند. کسی نمی تواند هویت و یا چگونگی ناپدید شدن او را بفهمد، این اتفاق هر بار که شخصی وارد یکی از این اتاق ها می شود تکرار شده و آنها با پشت سر گذاشتن مجموعه تصادفی از اشیا بدون هیچ سرنخ و به سادگی از بین می فرایند.

اصلی ترین قوانین فیزیک کوانتوم به ما می گویند که اطلاعات کوانتومی هرگز از بین نمی فرایند؛ اما این دقیقا همان اتفاقی است که در سیاهچاله می افتد. نتیجه 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 نمی گذارد.

آیا اطلاعات کوانتومی ناپدید شده است؟ یکی از قوانین اساسی فیزیک به ما می گوید که ممکن نیست! آیا اطلاعات کوانتومی از سیاهچاله خارج شده است؟ قانون اساسی دیگری می گوید این نیز ممکن نیست! پس چه شده است و کدام یک از این قوانین دروغ می گویند؟ آیا این راز حل نشده هر آنچه از فیزیک آموخته ایم را به چالش می کشد؟

در سال 1915 آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام خود را با نوشتن معادله ای 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 چاره 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 می تواند وجود داشته باشد که وقتی چیزی وارد آن شود هرگز نمی تواند از آن فرار کند، حتی نور. ویژگی جالب دوم شوارتزشیلد این بود که هر چه بیشتر به مرکز یک سیاهچاله نزدیک شویم، نیروی جاذبه سیاهچاله قویتر و قویتر می شود تا در مرکز آن به درجه ای 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 پیش بینی 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 سیاهچاله ها در سال 1938 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 سیاهچاله ها فقط تئوری های فیزیکی نیستند، بلکه می توانند اجسامی کاملاً واقعی و محصولی از فرآیندهای طبیعی جهان باشند، که در اعماق فضا منتظرند تا تلسکوپ ها آن ها 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 هسته یک ستاره پرتلاطم که دیگر نمی تواند همجوشی هسته ای انجام داده و تحت وزن خود متلاشی می شود اتفاق می افتد، و در نهایت به سیاهچاله تبدیل می شود. دات و(اوپنهایمر-اسنایدر) نشان دادند که سیاهچاله ها باید وجود داشته باشند، و در تلاش برای کشف توسط تلسکوپ های ما، تا سال 2020 صدها مورد از آن ها را مشاهده کرده ایم؛ فیزیکدانان نجومی تخمین می زنند که فقط در کهکشان راه شیری 10 میلیون تا یک میلیارد سیاهچاله وجود داشته باشد.

دهه های 1950 و 1960 را عصر طلایی نسبیت عام می نامند؛ در این زمان فیزیکدانان گام های بزرگی در این زمینه برداشتند، به عنوان مثال فهمیدند که سیاهچاله ها انواع مختلفی دارند؛ سیاهچاله های چرخشی و غیر چرخشی، سیاهچاله هایی با شارژ الکترومغناطیس و سیاهچاله هایی با ترکیبی از ویژگی ها. در همین زمان فیزیکدانان چیزی را ثابت کردند که قضیه بدون مو نامیده می شود. بنابر قضیه بدون مو اگر دو سیاهچاله جرم، بار الکترومغناطیسی و حرکت زاویه ای یکسانی داشته باشند (حرکت چرخشی آن ها)، رفتار آن ها کاملاً یکسان خواهد بود. به عبارت دیگر، اگر یک سیاهچاله را مشاهده می کنید 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 کنایه ای 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 می افتند 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 گسترده ای افزایش یافت. فیزیکدانان آموختند که تئوری کوانتوم می تواند خواص همه مواد و فعل و انفعالات آن ها را توصیف کند، و این فعل و انفعالات به واسطه نیروی گرایش قابل ردیابی است. برای ادامه 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 معادله ریاضی در یک زمان خاص توصیف کرد. نظریه کوانتوم یک نظریه احتمالی است؛ تمام پیش بینی های آن از نظر احتمالات است و نمی تواند به ما بگوید که دقیقاً یک الکترون در کجای یک آزمایش یافت می شود، اما در عوض می گوید که احتمال یافتن آن در یک مکان مشخص چقدر خواهد بود. معادله ریاضی که شامل جدول همه این احتمالات است، و همه حالت های ممکن شی را در خود جای می دهد؛ یعنی مجموعه ای از احتمالات برای همه آزمایش های احتمالی که می توان در یک زمان خاص روی جسم انجام داد، در سطحی نامتعارف از علم قرار می گیرد؛ این دانش اطلاعات کوانتومی نامیده می شود.

دوم اینکه اگر شرایط یک شی را در یک برهه از زمان بدانیم، می توانیم شرایط آن را در یک نقطه زمان دیگر از آینده پیش بینی کنیم و همچنین بفهمیم که شرایط آن شی در هر نقطه از گذشته خود چگونه بوده است. به بیان دیگر اطلاعات کوانتومی هرگز از بین نمی رود و همواره آینده بر اساس آن شکل می گیرد.

در اواخر دهه 1960 و 1970، فیزیکدانانی که بر روی نسبیت عام کار می کردند شروع به ترکیب آن و نظریه کوانتوم در مطالعات خود کردند. از میان بسکمک از سوالات به وجود آمده یکی از اصلی ترین سوالات پیش بینی تئوری کوانتوم در مورد سیاهچاله ها بود.

استیون هاوکینگ اولین راه چاره کاملاً دقیق برای این مشکل را ارائه داد، اما یافته های وی جامعه دانشمندان از جمله خود او را نیز متعجب می کند. مطالعات هاوکینگ نشان می دهد در فرآیندی که باعث از دست دادن تدریجی انرژی سیاهچاله و کوچک شدن آن می شود، انرژی از مجاورت افق سیاهچاله و نه خود سیاهچاله به فضا منتشر می شود. این پدیده که بخار شدن سیاهچاله نامیده می شود در نهایت به ناپدید شدن کامل سیاهچاله منتهی خواهد شد. این نتایج منطقی به نظر می رسند اما مسئله ای اساسی وجود دارد و آن تابش انرژی، یعنی گرما است. با مطالعه و اندازه گیری این تابش، فیزیکدانان فقط می توانند اطلاعاتی در مورد جرم سیاهچاله، بار الکترومغناطیسی و حرکت زاویه ای آن در زمان انتشار گرما به دست بیاورند؛ سه کمیتی که قضیه بدون مو طبق آن سیاهچاله را به طور کامل برای مشاهده کننده در خارج از آن توصیف می کند. همچنین از آنجا که تابش دقیقاً از بیرون از سیاهچاله رخ می دهد، بنابراین نمی تواند اطلاعاتی از درون آن به همراه داشته باشد، در نتیجه تابش حرارتی شرایطی کاملا تصادفی بوده و اطلاعات آن هیچ چیزی را پیش بینی نمی کند. با اینکه بر اساس قوانین نظریه کوانتوم باید یتوانیم شرایط جسمی را در گذشته بر اساس شرایط آن در حال حاضر استنباط کنیم. اما برای سیاهچاله ها حالت نهایی فقط گرما است و اطلاعاتی در مورد چیزی جز جرم، بار و حرکت زاویه ای به ما نمی دهد. در واقع اطلاعات کوانتومی وارد سیاهچاله می شوند ولی از آن اطلاعات فقط تصادفی خارج می شود. به این تضاد در علم پارادوکس از دست دادن اطلاعات سیاهچاله گفته می شود.

از زمانی که هاوکینگ برای اولین بار در محاسبات خود این نتیجه را به دست آورد، فیزیکدانان بارها و از روش های مختلف محاسبات سیاهچاله را انجام داده اند ولی همواره به یک جواب رسیده اند. پارادوکس مستقیماً از همان اصول بنیادی پیروی می کند که تمام اصول شناخته شده دیگر فیزیک بر اساس آن شکل گرفته است، بدون هیچ تضاد دیگری. برای حل تناقض دانشمندان روش های مختلف دیگری را ارائه داده اند ولی بیشتر آنها یکی از اصول اساسی دیگر فیزیک را زیر پا می گذارد. برخی دیگر معتقدند قوانین فیزیکی که تا به امروز ناشناخته مانده اند می تواند به حل پارادوکس سیاهچاله کمک کند. اما در چه شرایطی باید منتظر این ابعاد ناشناخته باشیم؟ دانشمندان می گویند 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 نظریه گرانش کوانتومی. اگرچه هنوز به نظریه گرانش کوانتوم دست پیدا نکرده ایم و در واقع نظریه ریسمان آخرین مرز دانش انسان است، اما فقط می دانیم که چنین نظریه ای باید وجود داشته باشد.

در تلاش برای حل پارادوکس اطلاعات کوانتوم اخیراً پیشنهادی به نام سناریوی بازمانده ارائه شده است که می گوید در اواخر مراحل تبخیر، سیاهچاله آنقدر کوچک می شود که قوانین گرانش کوانتوم سراسر آن را تسخیر می کند؛ فیزیکدانان فرض می کنند برطبق پیش بینی قوانین جاذبه کوانتومی هنگامی که سیاهچاله خیلی کوچک می شود 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 شرایط کنونی سیاهچاله طبق تئوری کوانتوم همچنان به رمزگذاری اطلاعات گذشته و آینده خود ادامه می دهد. مطمئناً ما از فضای خارج از سیاهچاله نمی توانیم به این اشیا یا اطلاعات آنها دسترسی داشته باشیم، اما این محدودیت ما با تئوری کوانتوم مغایرتی ندارد.

اولین فرضیه در سناریوی بازمانده می گوید پس از در دست دریافت 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 می شود 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 می رسند اما حجم کافی برای در اختیار داشتن اطلاعات زیاد دارند اشاره می کنند. ما نمی دانیم چنین راه چاره هایی از نظر تئوری کوانتوم پایدار هستند یا خیر، و همچنین حتی نمی دانیم قوانین گرانش کوانتوم چه ماهیتی دارند.

اما ایده بعدی این است که تابش حاصل از افق سیاهچاله ها تقریباً حرارتی است و انحرافات ناچیزی در اطلاعات تصادفی وجود دارد که اطلاعات کوانتومی اجسامی که بلعیده شده اند را رمزگذاری می کند. در این سناریو، اطلاعات کوانتومی به ظاهر گمشده با تابش از دل سیاهچاله بیرون میریزد. این ایده سناریوی بازمانده را نقض می کند زیرا فرض بر این است که تابش از همان ابتدا غیر حرارتی است نه در مراحل بسیار پایانی از عمر سیاهچاله. اما این ایده مسئله ای اساسی دیگری نیز دارد؛ قضیه عدم مو؛ چطور تابشی که در فضای بیرون از سیاهچاله شکل می گیرد می تواند اطلاعات درون سیاهچاله را به همراه داشته باشد؟ شاید این تابش به نوعی به اطلاعات درون سیاهچاله دسترسی داشته باشد اما حتی نور هم نمی تواند از سیاهچاله خارج شود، چنین کاری در فیزیک بنابر اصل مکان ممنوع شده است؛ اصلی که می گوید اطلاعات را نمی توان 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 سیاهچاله ها با آنچه نسبیت عام به ما می گوید بسیار متفاوت هستند. طبق نظریه ریسمان، با کاهش جرم سیاهچاله ها اجرام کوانتومی پیچیده تری به نام توپ فازی به وجود خواهند آمد که برخلاف سیاهچاله ها، کراتی دارای رشته های 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 نمی توانیم تفاوت آن را از یک سیاهچاله معمولی تشخیص بدهیم اما اگر واقعاً خیلی به آن نزدیک شویم آنها بسیار متفاوت به نظر می رسند. در نزدیکی سطح یک سیاهچاله بزرگ گرانش واقعاً ضعیف می شود، ولی طبق ایده توپ فازی قضیه نسبیت عام حتی در این شرایط نیز می شکند. فیزیکدانان عمیقاً به این نکته ایمان دارند که قوانین شناخته شده فیزیک در همه موارد شناخته شده درست عمل می کنند و فیزیک ناشناخته فقط زمانی وارد بازی می شود که انرژی های 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 می کند.

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

در 120 سال اخیر پیشرفت زیادی در فیزیک داشته ایم که به سرعت توسط نظریه های دوقلوی انقلابی نسبیت عام و کوانتوم به پیش می رود. این دو نظریه همه چیز را می توانند توضیح دهند، از رفتار ذرات کوچکتر از اتم گرفته تا برخورد سیاهچاله ها در میلیاردها سال پیش. با این حال، کنش متقابل این دو نظریه پارادوکس از دست دادن اطلاعات سیاهچاله را به وجود می آورد. فیزیکدانان چیزهای زیادی در مورد جهان آموخته اند و بسکمک از ایده های جذاب در تلاش برای حل این سوالات شکل گرفته شده است. 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 بسکمک از زیبایی های ناشناخته طبیعت را به انسان نشان خواهد داد.

منبع: جام جم آنلاین
انتشار: 8 دی 1399 بروزرسانی: 8 دی 1399 گردآورنده: dorezamin.ir شناسه مطلب: 1498

به "سیاه چاله ها چگونه ناپدید می شوند؟!" امتیاز دهید

امتیاز دهید:

دیدگاه های مرتبط با "سیاه چاله ها چگونه ناپدید می شوند؟!"

* نظرتان را در مورد این مقاله با ما درمیان بگذارید