پژوهش جدید استیون هاوکینگ درباره سیاه‌چاله‌ها

آگوست گذشته استیون هاوکینگ با گفتن اینکه در حال کار بر روی حل کردن پارادوکس سیاه‌چاله‌هاست، دنیا را متوجه خود کرد. اکنون این نابغۀ بزرگ عصر ما نخستین جزئیات کار خود را در ArXiv، با عنوان «موهای باریک سیاه چاله‌ها» منتشر کرده تا یک بار دیگر جهانیان را به فکر وا دارد.

به گزارش تابناک آی تی، پارادوکس سیاه‌چاله‌ها تا حد زیادی حاصل کارهای خود هاوکینگ بوده و به مطلبی باز می گردد که او چهل سال پیش منتشر کرد و ایدۀ «تابش هاوکینگ» را مطرح کرد. این نوشته یک مشکل بزرگ ایجاد کرد، چرا که مکانیزمی را طرح می کرد که به موجب آن اطلاعات برای همیشه در کیهان گم می‌شود.

فیزیک‌دانان گم شدن اطلاعات را به اندازۀ منحصر به فرد بودن دوست ندارند. قوانین فیزیک اجازه می دهد زمان حاضر را برای پیش بینی آینده به کار ببریم، اما سیاه چاله‌ها با نابود کردن اطلاعات، جبرگرایی‌ای را که ما بر آن متکی هستیم هم نابود می‌سازد.

نوشتارهای دهۀ هفتاد میلادی هاوکینگ که در قالب موضوع فهم ریاضیاتی از زمان سیر می کرد، فرض را بر این گذاشته بود که سیاه‌چاله‌ها «فضاهای بدونِ بُعدِ کچل»ی هستند که فقط به واسطۀ جرم، بار و چرخش قابل شناسایی هستند. از آن زمان، دیگران یک فرضیۀ دیگر هم ارائه داده‌اند که اگر راهی برای مشاهدۀ یک سیاه چاله وجود داشت، می‌شد آن را توضیح داد: موهای باریکی که اطلاعات را از وضعیت‌های مادی کوانتوم مجزا می‌سازد.

آن‌چه که هاوکینگ و همکارانش انجام داده‌اند پرداختن به یک سؤال آزار دهنده بوده است: اگر سیاه چاله‌ها مو دارند، شبیه به چه چیزی هستند و چگونه اطلاعات را حفظ می‌کنند؟

از اینجا به بعد همه چیز به هم پیچیده می‌شود؛ پس با دقت با ما باشید.

تابش هاوکینگ

در تمام طول کیهان ذره‌های مجازی و ضد ذره‌ها (Anti-particles) به خودی خود و به شکل متناوب به وجود می آیند و با آزاد کردن یک انرژی ذره‌ای، یکدیگر را نابود می ‌کنند. دلیل اینکه ما این امر را متوجه می‌شویم این است که میتوانیم نوسان‌های خلأ را ببینیم و محاسبه کنیم.

تابش هاوکینگ یک مورد خاص است: اگر یک ذرۀ مجازی در یک سوی افق رویداد به وجود بیاید و همزاد آن در طرف دیگران افق رویداد، یکی از آن‌ها به داخل خواهد افتاد و دیگری خواهد گریخت. (event horizon : بر مبنای نظرۀ کوانتوم افق رویداد مرزی در فضا است که فراتر از آن رویدادها نمی‌توانند بر یک ناظر بیرونی تأثیر بگذارند.) ذرۀ فراری مقدار بسیار اندکی از جرم سیاه‌چاله را به همراه خود خواهد دزدید. اگر برای مدت زمانی که به شکل مهملی طولانی است منتظر بمانید، حدود چند میلیارد سال، خود سیاه‌چاله در فضا بخار خواهد شد. به این ترتیب، اطلاعاتی که داخل آن گرفتار شده بود از میان رفته است.

بازگردان موها

پیشنهاد هاوکینگ در آگوست این بود که اطلاعات به جای ناپدید شدن در فضای داخلی سیاه چاله‌ها، در واقع در داخل فضای افق رویداد ثبت می‌شوند. در آن زمان او مشخص نکرد که این امر به چه ترتیبی صورت می‌گیرد. این همان مسئله‌ای است که مقالۀ اخیر به آن می‌پردازد. هاوکینگ و نویسنده‌های مشترک «مالکوم پری» از دانشگاه کمبریج (Malcolm Perry) و «اندرو استرومینگر» (Andrew Strominger) ازدانشگاه هاروارد قدری این موضوع را باز کرده‌اند.

این فراری‌های خوش شانس به عنوان فوتون‌هایی نازک و بدون انرژی (zero-energy) توصیف شده‌اند که اطلاعات وضعیت کوانتوم هرچیزی را که به داخل سیاه چاله می‌افند حفظ می‌کنند. استرومینگر این مثال را می‌زند: از آن‌جایی که انرژی در کیهان نمی‌تواند از بین برود، الکترون‌های مادی که از افق رویداد عبور می کنند بایستی روح خود را در موهای نازک [سیاه‌چاله] به جای بگذارند؛ به عنوان یک متغیر کوچک در فضامکان که برای توصیف انرژی الکترون کافی باشد.

چه جیزی فراموش شده است؟

هاوکینگز نخستین کسی نیست که ایدۀ سیاه چاله‌های دارای مو را به بحث گذاشته است. به این ترتیب، این بیشتر یک افزودن تدریجی به اطلاعات این حوزه بوده است تا یک انقلاب علمی. خود مقاله هم خاطرنشان می کند که کارهای زیادی برای انجام دادن در این مورد باقی مانده است.

به عنوان مثال، «سابین هاسن فلدر» (Sabine Hossenfelder) از مؤسسۀ فیزیک تئوریک شمال اروپا می‌نویسد: نظریۀ موهای باریک بر روی یک شکل خاص از اطلاعات متمرکز است؛ اطلاعاتی که میزان انرژی ذرات را توصیف می‌کند.

به عبارت دیگر، ما نیازمند اطلاعات نظریه‌ای هستیم که دیگر اشکال اطلاعات را نیز توضیح دهد.

در هر حال، آن‌چه این مقاله پیشنهاد می‌دهد این است که موهایی که ذرات باردار از خود به جای می‌گذارند باید به لحاظ فیزیکی قابل سنجش باشند، حتی اگر ما هنوز امکان فنی چنین سنجشی را نداشته باشیم.

با اینکه که هاوکینگ و همکاران پیشنهاد نمی‌دهند به نزدیکترین سیاه چاله برویم تا این فرضیه را چک کنیم، نشریۀ The Register این طرح را پیش کشیده است که اگر این فرضیه درست باشد بایستی قادر باشد پیش‌بینی‌هایی راجع به رفتار سیاه چاله‌هایی که در حال حاضر مشاهده کرده‌ایم ارائه دهد.

انتظار می‌رود نظریه پردازان به شکل جدی بر روی این کار کنند که چگونه «موهای باریک» ممکن است تابش‌هایی را که بر مبنای مشاهدات ما از بلعیده شدن ماده توسط سیاه چاله‌ها به بیرون می‌ریزند مشخص کنند.