تناقض اطلاعات سیاهچاله| سیاه، میان نسبیت عام و مکانیک کوانتومی!

خبرگزاری علم‌وفناوری آنا- هدا عربشاهی: آیا سیاهچاله‌ای که یک تن کباب خورده با سیاهچاله‌ای مشابه که یک تن پودینگ شکلاتی خورده یکسان است؟ شاید در نگاه نخست، سوالی پیش پا افتاده و حتی عجیب به‌نظر برسد اما باید گفت که این یکی از عمیق‌ترین پرسش‌های مطرح‌شده در فیزیک معاصر است که با عنوان «تناقض اطلاعات سیاهچاله» یا «پارادوکس اطلاعات» شناخته می‌شود.

 لودویگ فویرباخ فیلسوف آلمانی سده نوزدهم میلادی می‌گوید: «ما همان چیزی هستیم که می‌خوریم» بنابراین، چرا همین مسئله درمورد سیاهچاله‌ها صادق نباشد؟ به‌هررو، چه با فویرباخ موافق باشیم و چه نباشیم، بین ما و سیاهچاله‌ها تفاوت بسیار زیادی وجود دارد و چه خوب که این‌گونه است. هر انسانی منحصر‌به‌فرد است، با قد، وزن، رنگ چشم، مو و اثر انگشت و زمانی‌که غذا می‌خورد آثار آن غذا به‌حتم در او و در محیط اطرافش یافت می‌شود، درحالی‌که چنین چیزی در سیاهچاله‌ها وجود ندارد.

بیشتر بخوانید

رازهای دانش- ۱۹؛

ناتقارنی در عالمی سراسر متقارن| چرا وجود داریم؟

چرا سیاه‌چاله‌ها وجود دارند؟

کشف سیاه‌چاله‌ای که ستاره‌ها را می‌بلعد

جان آرچیبالد ویلر، فیزیکدان آمریکایی قرن بیستم که به دلیل توانایی‌اش در ساخت اصطلاحات و عبارات به‌یادماندنی معروف است، می‌گوید: «سیاهچاله‌ها مو ندارند.» درواقع او بود که اصطلاح «سیاهچاله» را خلق کرد. منظور ویلر از بیان بی‌مو بودن سیاهچاله‌ها این است که در نسبیت عام، سیاهچاله‌ها فقط با سه پارامتر توصیف می‌شوند: بار، چرخش و جرم. بار و چرخش را کنار می‌گذاریم زیرا همه سیاهچاله‌های شناخته‌شده دارای بار صفر هستند و برای سادگی قضیه فرض می‌کنیم که چرخش‌شان هم صفر است و تغییر چندانی نمی‌کند. پس گفته ویلر به این معنی است که دو سیاهچاله با جرم یکسان، صرف‌نظر از اینکه چگونه تشکیل شده‌اند یا چه ماده‌ای در آنها افتاده است، کاملاً یکسان‌اند و نمی‌توان سیاهچاله‌ای را که یک تن کباب خورده از سیاهچاله‌ای که یک تن پودینگ خورده است تشخیص داد. همچنین سیاهچاله‌ها مو ندارند، زیرا مو به پیچیدگی جسمانی دلالت دارد که سیاهچاله‌ها آن‌طورکه در نسبیت عام اینشتین توضیح داده شده است از این پیچیدگی برخوردار نیستند.

راز سیاهچاله‌ها

اگر سیاهچاله یک بشقاب کباب بخورد، جرمش کمی افزایش می‌یابد، اما ظاهرش تغییر نمی‌کند. از طرف دیگر، کباب در افق رویداد ناپدید می‌شود. پس مشکل این است: اطلاعات موجود در کباب یا پودینگ وقتی وارد سیاهچاله می‌شوند کجا می‌روند؟ آیا ممکن است هر اثری از مواد تشکیل‌دهنده، از دستور تهیه کباب و پودینگ تا اتم‌هایی که این خوراکی‌ها از آنها ساخته شده‌اند از بین برود؟

نظریه نسبیت عام اینشتین می‌گوید بله، این امکان‌پذیر است و درواقع، دقیقاً همین اتفاق رخ می‌دهد. از سوی دیگر، هیچ فرآیند فیزیکی دیگری که در آن، مانند مورد سیاهچاله، اطلاعات به‌طور کامل از بین برود تاکنون شناخته نشده است.

فیزیکدان معروف انگلیسی، استیون هاوکینگ به این سوال علاقه‌مند شد و تا حد شرط‌بندی با همکارانش خود را متقاعد کرد که سیاهچاله باید اطلاعات آنچه را که بلعیده است از بین ببرد. چندسال بعد اعتراف کرد که اشتباه کرده و شکست خورده است. در واقعیت، هنوز این مسئله حل نشده و بحث‌های زیادی در این‌خصوص وجود دارد.

سیاهچاله‌ها اجرامی اخترفیزیکی‌ هستند که در شرایط شدید به‌دلیل «رُمبِش گرانشی» شکل می‌گیرند. برای درک این واقعیت، تصور کنیم که در منطقه‌ای از گیتی هستیم و مقدار زیادی ماده در اختیار داریم. هر جز از این ماده به‌دلیل نیروی گرانشی، جز کناری‌اش را جذب می‌کند و بنابراین با گذشت زمان کل ماده‌ای که در دسترس ما ست در منطقه خاصی از فضا جمع می‌شود. اگر ماده چندان زیاد نباشد، اجرام آسمانی مانند سیارات، ستارگان و غیره تشکیل می‌شوند. اما اگر مقدار ماده‌ داستان ما از حد معینی فراتر رود، همه‌چیز با شدت بیشتری جذب می‌شود و دیگر هیچ راهی برای جلوگیری از رمبش باقی نمی‌ماند و به‌این‌ترتیب، سیاهچاله تشکیل می‌شود.

سیاهچاله‌ها به این دلیل این‌گونه نامیده می‌شوند که هیچ‌چیز، حتی نور، نمی‌تواند از کشش گرانشی آنها فرار کند. درواقع، نور نمی‌تواند از سیاهچاله «جهش» کند و به چشم ما برسد، زیرا راهی برای خروج ندارد و داخل سیاهچاله گیر افتاده است.

این جسم دو ناحیه فضایی بسیار جالب دارد: افق رویداد و تکینگی. افق رویداد، مرزی است که اگر کسی از آن رد شود، اجازه نمی‌یابد به عقب بازگردد و این شخص برای همیشه و بدون ذره‌ای امید تا ابد در دام می‌ماند. اما تکینگی نقطه مرکزی سیاهچاله است که جاذبه گرانشی آن بی‌نهایت است و تا به امروز هنوز مشخص نیست دقیقاً چه اتفاقی در آن رخ می‌دهد.

گرانش و مکانیک کوانتومی

 نسبیت عام اینشتین تمام خصوصیاتی را که ذکر شد دیکته و مو به مو اداره می‌کند. درواقع، در سطح نظری، سیاهچاله‌ها ازطریق حل «معادلات میدان» اینشتین موجودیت می‌یابند. به عبارت دیگر، سال‌ها ما فقط برپایه این نظریه دانسته‌ایم که این اجسام وجود دارند، چگونه ساخته شده‌اند و چه ویژگی‌هایی دارند. درحالی‌که تایید مستقیم وجود سیاهچاله‌ها تازه همین پنج‌سال قبل، در ۱۰ آوریل ۲۰۱۹ و به لطف نتایج «تلسکوپ افق رویداد» (EHT) منتشر شد و به ما فرصت داد که برای اولین‌بار عکسی واقعی از یک سیاهچاله ببنیم.

از نظر فنی گفته می‌شود که نظریه اینشتین نظریه‌ای کلاسیک است تا در زمان فقدان شخصیت نظری دیگری مسائل فیزیک را توضیح دهد. این شخصیت جدید فیزیک، مکانیک کوانتومی نام دارد. مکانیک کوانتومی و نسبیت عام به هم نمی‌رسند و اگر سعی کنیم آنها را کنار هم قرار دهیم، نتایج بی‌معنی و متناقضی به‌دست می‌آید.

تناقض اطلاعات سیاهچاله

یکی از مظاهر این تناقضات با اصطلاح پارادوکس اطلاعات شناخته می‌شود. همه‌چیز حدود سال‌های ۱۹۷۴ و ۱۹۷۵ آغاز شد، زمانی که فیزیکدان نظری مشهور استیون هاوکینگ متوجه شد که اگر توصیفی کوانتومی از سیاهچاله‌ها ارائه دهد، آنها به‌جای اینکه کاملا سیاه شوند خاکستری به‌نظر می‌رسند و این یعنی که چیزی می‌تواند از داخل آنها فرار کند. تابشی که قادر است از سیاهچاله‌ها فرار کند امروزه با عنوان تابش هاوکینگ شناخته می‌شود و درواقع، تابش جسم سیاه است که می‌تواند به‌دلیل تاثیر کوانتومی نزدیک افق رویداد، از سیاهچاله تابیده شود.

 اما حضور این تابش حاکی از تناقضی است که امروزه هنوز حل نشده است. برای درک بهتر، تصور کنید عصبانی هستید و تلفن همراه (یا رایانه) خودتان را برمی‌دارید و آن را درون سیاهچاله‌ای می‌اندازید. تلفن شما در سیاهچاله می‌افتد و برای همیشه آنجا باقی می‌ماند. اما ناگهان به یاد می‌آورید که اطلاعات بسیار گران‌بهایی در گوشی هوشمند خود دارید و به همین دلیل از آن حرکت ناگهانی که در عصبانیت انجام دادید، به‌شدت پشیمان می‌شوید. واضح است که اکنون هدف شما بازیابی آن اطلاعات به هر نحو ممکن است. برای موفقیت در این کار، از هر فیزیکدانی در جهان کمک می‌خواهید، اما با پاسخ مشترکی مواجه می‌شوید: «متاسفم، اما غیرممکن به‌نظر می‌رسد.» در اینجا شما تسلیم می‌شوید.

این همان هسته اصلی تناقض اطلاعات سیاهچاله است: به هیچ‌وجه امکان بازیابی اطلاعات موجود در سیاهچاله‌ها وجود ندارد و این، یکی از اصول اساسی مکانیک کوانتومی را که بیان می‌کند هر فرآیندی در طبیعت باید اطلاعات را حفظ کند، نقض می‌کند. به‌این‌ترتیب، سیاهچاله‌ها به تنها اجسامی تبدیل می‌شوند که این اصل را نقض می‌کنند. این پارادوکس همچنین نشان می‌دهد که ما نمی‌توانیم بدانیم دقیقاً چه چیزی در زمان تشکیل سیاهچاله درون آن افتاده است.

راه‌حل چیست؟

هاوکینگ، که بلافاصله این مشکل را تشخیص داد، فکر کرد که شاید برای حل تعارض، مکانیک کوانتومی به اصلاحاتی نیاز دارد. باوجوداین، تا به امروز، شواهدی نظری وجود دارد که در نظریه‌های گرانش کوانتومی، ازجمله نظریه ریسمان، این تناقض رخ نمی‌دهد و می‌توان اطلاعات را از سیاهچاله بازیابی کرد. ارائه مبحث گرانش کوانتومی در فیزیک نظری، متحد کردن نظریه نسبیت عام با مکانیک کوانتومی است و نظریه ریسمان از مشهورترین نظریه‌هایی گرانش کوانتومی به‌شمار می‌رود. این مورد پس از کار معروفی که دو فیزیکدان نظری در سال ۱۹۹۶ انجام دادند مورد توجه قرار گرفت. در این سال، فیزیکدان آمریکایی، اندرو استرامینجر و فیزیکدان ایرانی، کامران وفا هر دو از دانشگاه هاروارد کشف کردند که آنتروپی سیاهچاله را می‌توان با استفاده از بعضی حالت‌های نظریه ابرریسمان بیان کرد. آنتروپی را می‌توان معادل بی‌نظمی دانست و آنتروپی سیاهچاله یا آنتروپی بکنشتاین-هاوکینگ مقدار بی‌نظمی‌ای است که باید برای یک سیاهچاله در نظر گرفت تا از دیدگاه ناظر بیرونی در دوردست‌ها، این سامانه از قوانین ترمودینامیک تبعیت کند.

اما باوجود این پیشنهاد و دیگر مطالعات بسیار امیدوارکننده بعدی، تناقض اطلاعات سیاهچاله هنوز راه‌حلی قطعی را که به اتفاق‌آرا ازسوی جامعه علمی پذیرفته شده باشد در اختیار ندارد و با گذشت بیش‌از نیم‌قرن هنوز درباره هاوکینگ و توضیحات معروفش زیاد صحبت‌ می‌شود. چه کسی می‌داند، شاید تا چند سال دیگر بفهمیم که چگونه اطلاعات ارزشمند موجود در تلفن همراه خودمان را که از روی عصبانیت داخل سیاهچاله‌ای پرتاب کرده‌ایم بازیابی کنیم.