نجوم وفضا

اگر فضانوردی به درونِ یک سیاه‌چاله شیرجه بزند، چگونه خواهد مرد؟

 به گزارش  ایسنا در ماهِ مارچِ 2012 ، ژوزف پولشینسکی (Joseph Polchinski) در اندیشه‌ی یک خودکشیِ ریاضی افتاد. او که فیزیکدانی در شاخه‌ی نظریه‌ی ریسمان در موسسه‌ فیزیکِ نظریِ کاولی (Kavli) در سانتاباربارای کالیفرنیاست، در این اندیشه فرو رفت که اگر فضانوردی به درونِ یک سیاه‌چاله شیرجه بزند برای او چه رخ خواهد داد؟ آشکارا پیداست که او خواهد مُرد، اما چگونه؟

بنابر توجیه پذیرفته‌شده، فضانورد در ابتدا چیزی احساس نخواهد کرد، حتی هنگامی که در حالِ گذر از افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله است.

افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله، مرزی نامرئی‌ است که هیچ چیز از پشتِ آن نمی‌تواند به بیرونِ سیاه‌چاله بگریزد؛ اما پس از گذرِ چندین ساعت، روز و یا هفته ، اگر سیاه‌چاله به اندازه‌ی کافی بزرگ باشد، فضانورد در خواهد یافت که نیروی گرانشی که به پاهای او وارد می‌شود بیش از نیرویی‌ است که به سرش وارد می‌شود. هم‌چنان که شیرجه‌ی فضانورد او را بی‌امان به سمتِ مرکزِ سیاه‌چاله می‌کشاند، این اختلافِ نیروی گرانشی افزایش یافته و پیکرِ او را از هم خواهد درید و سپس بقایای او در هسته‌ی بی‌نهایت‌چگالِ سیاه‌چاله خورد خواهد شد.

اما محاسباتِ پولشینسکی که به همراهِ دو تن از دانشجویانش –احمد المری (Ahmed Almheiri) و جیمز سالی (James Sully)- و با همکاریِ یک نظریه‌پردازِ دیگر در شاخه‌ی ریسمان به نامِ دونالد مارولف (Donald Marolf) از دانشگاهِ کالیفرنیا در سانتاباربارا (UCSB) انجام شده است، داستانِ دیگری را بازگو می‌کند.

بنابر محاسباتِ وی، اثراتِ کوانتومی سبب می‌شوند که افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله به گردبادی خروشان از ذرات تبدیل شود. هرکس که به سوی افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله سقوط کند، به دیواری آتشین رسیده و در یک چشم‌به‌هم‌زدن، بِرِشته خواهد شد.

ادعای این گروه در جولایِ 2012 منتشر شد و جامعه‌ی فیزیک را شگفت‌زده کرد. وجودِ چنین دیوارِ آتشینی یکی از اصولِ بنیادینِ فیزیک را که نزدیک به یک قرنِ پیش توسطِ آلبرت اینشتین پایه‌گذاری شده بود، زیرِ پا می‌گذارد. این اصل که اینشتین آن را بنیانی برای نظریه‌ی گرانشیِ نسبیتِ عامِ خود قرار داد با نامِ «اصلِ هم‌ارزی» شناخته می‌شود. این اصل بیان می‌کند که ناظری که به درونِ یک میدانِ گرانشی سقوط می‌کند (حتی اگر این میدانِ گرانشی به اندازه‌ی میدانِ درونِ یک سیاه‌چاله نیرومند باشد)، پدیده‌ها را دقیقاً همانندِ ناظری می‌بیند که در فضایی تهی غوطه‌ور است. بدونِ این اصل، چارچوبی که اینشتین در نظریه‌ی خود بنا کرد فرو خواهد ریخت.

پولشینسکی و هم‌کارانش که به خوبی از پیامدهای ادعای خود آگاه بودند، طرحِ جایگزینی پیشنهاد کردند که به ایجادِ دیوارهای آتشین منجر نمی‌شد؛ اما این راهِ حل نیز هزینه‌ی گزافی در پی داشت. این‌بار فیزیک‌دانان باید از فروریختنِ یکی دیگر از پایه‌ی دانشِ خود رنج می‌کشیدند: مکانیکِ کوانتومی، نظریه‌ای که بر برهم‌کنش‌های میانِ ذراتِ زیراتمی حاکم است.

پیامدِ این ادعا، توفانِ پر جوش‌وخروشی از مقاله‌های پژوهشی درباره‌ی «دیوارِ آتشین» بود که هریک در تلاش برای رهایی از این بن‌بست بودند، اما در پایان هیچ‌یک از این تلاش‌ها نتوانست خشنودیِ همگان را در پی داشته باشد.

استیو گیدینگز (Steve Giddings) فیزیکدانی در شاخه‌ی مکانیکِ کوانتومی در UCSB این شرایط را چنین توصیف می‌کند: «نقطه‌ی عطفی در زمینه‌های بنیادینِ فیزیک که شاید برای حل‌شدن، نیازمندِ یک انقلاب باشد».

متخصصانِ سیاه‌چاله در حالی‌که همه‌ این اندیشه‌ها را در سر داشتند، ماهِ گذشته در سِرن (آزمایشگاهِ فیزیکِ ذراتِ اروپا که در نزدیکیِ ژنو در سوئیس قرار دارد) گردِ هم آمدند تا به طورِ رودررو درباره‌ی این موضوع با یک‌دیگر گفت‌وگو کنند. آن‌ها امیدوار بودند که مسیری به سوی یک نظریه‌ی گرانشِ کوانتومیِ وحدت‌یافته بیابند که همه‌ی نیروهای بنیادینِ طبیعت را زیرِ یک چتر گِرد آورد، این همان آرمانی‌ است که در طولِ دهه‌های گذشته، همواره از دسترسِ فیزیک‌دانان به دور مانده است.

رافایل بوییسا (Raphael Bousso) که فیزیک‌دانی نظری در شاخه‌ی ریسمان و از دانشگاهِ برکلیِ کالیفرنیاست، سخنرانیِ خود در نشستِ سرن را با این جمله آغاز کرد: «ایده‌ی دیوارِ آتشین، پایه‌ی باورهای بسیاری از ما در موردِ سیاه‌چاله‌ها را به لرزه انداخت. این ایده دو نظریه‌ی مکانیکِ کوانتومی و نسبیتِ عام را رودرروی یکدیگر قرار می‌دهد، بی آن‌که هیچ سرنخی به دستِ ما دهد که در گامِ بعدی باید به کدام سو رفت».

سرچشمه‌های آتشین

ریشه‌های ایده‌ی دیوارِ آتشین که نقطه‌ی عطفی در فیزیکِ سیاه‌چاله‌هاست به سالِ 1974 باز می‌گردد، هنگامی که استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) از دانشگاهِ کمبریجِ انگلستان نشان داد که اثراتِ کوانتومی سبب می‌شود که بتوان به سیاه‌چاله‌ها دما نسبت داد. سیاه‌چاله‌های منزوی به آرامی و به صورتِ فوتون و ذراتِ دیگر، از خود تابشِ گرمایی گسیل می‌کنند و به این ترتیب اندک‌اندک جرمِ خود را از دست می‌دهند تا جایی که به طورِ کامل تبخیر شوند.

گرچه این ذراتِ گسیلی نیستند که دیوارِ آتشین را می‌سازند چراکه ریزه‌کاری‌های نظریه‌ی نسبیت هم‌چنان تضمین می‌کند که فضانوردی که در حالِ سقوط به افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله است، متوجهِ این تابش نمی‌شود. با این‌حال نتایجِ هاوکینگ هم‌چنان تکان‌دهنده بود چراکه معادلاتِ نسبیتِ عام پیش‌بینی می‌کند که سیاه‌چاله‌ها تنها می‌توانند اجرامِ دیگر را در کامِ خود فرو برده و بزرگ و بزرگ‌تر شوند، نه آن‌که تبخیر شوند.

استدلالِ هاوکینگ اساساً به این مشاهده منجر می‌شود که در گستره‌ی مکانیکِ کوانتومی، فضای تهی واقعاً تهی نیست. در مقیاسِ میکروسکوپی هیاهویی برپاست، جفتِ ذره-پادذره به طورِ پی‌درپی به وجود آمده و سپس به طورِ ناگهانی بازترکیب شده و نابود می‌شوند. تنها در آزمایشگاه‌های بسیار حساس است که پیامدهای چنین هیاهوی میکروسکوپیکی، مشاهده‌پذیر است. هاوکینگ دریافت هنگامی که یک زوجِ ذره-پادذره درست بیرونِ افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله پدید بیایند این امکان وجود دارد که پیش از بازترکیب، یکی از این ذرات به درونِ سیاه‌چاله افتاده، ذره‌ی دیگر از چنگِ سیاه‌چاله نجات یافته و به صورتِ تابش، به بیرون از سیاه‌چاله بگریزد. انرژیِ ذره‌ی گریخته از سیاه‌چاله مثبت است، در حالی‌که انرژیِ ذره‌ای که به دام سیاه‌چاله می‌افتد منفی‌ست و به این ترتیب انرژیِ گریخته از سیاه‌چاله خنثی می‌شود (بنابر قانونِ پایستگیِ انرژی، انرژیِ کل در فرآیندِ تولید و نابودیِ زوج، صفر است چراکه زوجِ ذره-پادذره در خلا آفریده و سپس نابود می‌شوند. این به این معناست که از زوجِ آفریده شده، یکی از دو ذره دارای انرژیِ مثبت و ذره‌ی دیگر دارای همان‌مقدار انرژیِ منفی‌ست. ذره‌ای که دارای انرژیِ مثبت است می‌تواند از سیاه‌چاله بگریزد اما ذره‌ی دارای انرژیِ منفی به دامِ سیاه‌چاله می‌افتد. به این ترتیب انرژیِ جهانِ بیرون از سیاه‌چاله اندکی افزایش یافته و انرژیِ درونِ سیاه‌چاله، اندکی کاهش می‌یابد اما هم‌چنان انرژیِ سامانه‌ی کل که شاملِ جهانِ بیرون از سیاه‌چاله و خودِ سیاه‌چاله است، بدونِ تغییر باقی می‌ماند).

تحلیلی که نخستین‌بار توسط هاوکینگ بیان شده تا به امروز توسطِ پژوهش‌گرانِ بسیاری دوباره به دست آمده و گسترش یافته است و نتایجی که وی به دست آورده امروزه تقریباً از سوی فیزیک‌دانانِ سراسرِ دنیا پذیرفته شده است. اما این نتایج این ایده‌ی ویران‌گر را نیز به همراهِ خود آورد که تابشِ سیاه‌چاله‌ها به پارادوکسی می‌انجامد که نظریه‌ی مکانیکِ کوانتومی را به چالش می‌کشد.

بنابر قواعدِ مکانیکِ کوانتومی، اطلاعات نابود نمی‌شود. در اصل باید بتوان به کمکِ اندازه‌گیریِ حالتِ کوانتومیِ تابشی که از سیاه‌چاله گسیل می‌شود، داده‌های مربوط به اجسامی که به درونِ سیاه‌چاله افتاده‌اند را بازیابی کرد. اما هاوکینگ نشان داد که این کار چندان هم ساده نیست چون تابشی که از سیاه‌چاله گسیل می‌شود تصادفی‌ست. هیچ تفاوتی ندارد که سیاه‌چاله یک کیلوگرم سنگ را ببلعد یا یک کیلوگرم تراشه‌ی کامپیوتری را، نتیجه کاملاً یکسان است. حتی اگر تا هنگامِ مرگِ یک سیاه‌چاله آن را رصد کنیم باز هم هیچ راهی وجود ندارد که دریابیم چگونه تشکیل شده و یا چه چیزهایی به درونِ آن افتاده‌اند.

این مسئله که «پارادوکسِ اطلاعاتِ سیاه‌چاله» نامیده می‌شود فیزیک‌دانان را به دو جبهه تقسیم کرده است. برخی مانندِ هاوکینگ بر این باورند که پس از مرگِ سیاه‌چاله، اطلاعات نیز نابود می‌شود. این گروه هم‌چنین معتقدند که اگر باورِ آن‌ها درباره‌ی نابودشدنِ اطلاعات، قوانینِ مکانیکِ کوانتومی را زیر پا می‌گذارد باید به دنبالِ قوانین بهتری (برای مکانیکِ کوانتومی) بود. اما برخی دیگر هم‌چنان به مکانیکِ کوانتومی وفادارند.

تنها دیدگاهِ مشترکی که تاکنون به دست آمده آن است که این مسئله به این زودی‌ها برطرف نخواهد شد.