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 [1]. 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 نطریه‌ی 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. (مطلبِ «پارادوکسِ اطلاعات را ببینید»).

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 که 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). می‌دانیم بنابر قوانینِ مکانیکِ کوانتومی ذرات می‌توانند انرژیِ منفی نیز اختیار کنند. انتقالِ این مقدار انرژیِ منفی به درونِ سیاه‌چاله به این معناست که سیاه‌چاله اندکی از جرمِ خود را از دست داده و بنابراین رفته‌رفته کوچک‌تر می‌شود.
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، مانندِ جان پرِسکیل (John Preskill) که در شاخه‌ی فیزیکِ کوانتومی در موسسه‌ی فن‌آوریِ کالیفرنیا در پاسادنا مشغول است. او می‌گوید: «برای مدتی من به طورِ جدی به دنبالِ ساختِ نظریه‌ای جای‌گزین (برای مکانیکِ کوانتومی) بودم که نابودیِ اطلاعات را نیز دربر بگیرد. اما به هیچ نظریه‌ی معناداری نرسیدم و هیچ کسِ دیگر نیز نخواهد رسید». این بن‌بست به مدتِ دو دهه ادامه یافت و در سالِ 1997 شناخته‌شده‌ترین نمایش در این جدال رقم خورد، هنگامی که پرسکیل در حضورِ همگان با هاوکینگ شرط بست که اطلاعات نابود نمی‌شود. جایزه‌ی این شرط‌بندی یک دانش‌نامه به انتخابِ خودِ برنده بود.

پارادوکس اطلاعات : جسمی که به درونِ سیاه‌چاله می‌افتد له شده و به سوی مرکزِ بی‌نهایت‌چگالِ سیاه‌چاله کشانده می‌شود. دو سناریوی متفاوت در تلاش هستند تا آن‌چه برای محتوای اطلاعاتیِ این جسم رخ می‌دهد را توضیح دهند.

سناریوی نخست: ناپدید شدن. 1) فضای تهی پر از جفت‌های ذره-پادذره است که بنابر اثراتِ کوانتومی تولید شده و با یک‌دیگر هم‌بسته هستند. 2) به طورِ طبیعی زوج‌های ذره-پادذره بی‌درنگ بازترکیب شده و ناپدید می‌شوند. 3) اگر زوجِ ذره-پادذره درست بیرونِ افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله تشکیل شوند، آن‌گاه این امکان وجود دارد که یکی از ذرات به درونِ سیاه‌چاله افتاده و دیگری از دامِ سیاه‌چاله بگریزد و به صورتِ تابشِ هاوکینگ از سیاه‌چاله گسیل شود که این تابش قابلِ مشاهده و رصدکردن است. 4) انرژیِ هریک از ذراتی که به درونِ سیاه‌چاله می‌افتند، منفی‌ست و این به این معناست که سیاه‌چاله به طورِ پیوسته در حالِ ازدست‌دادنِ جرمِ خود است. (به غیر از این ذرات که در واقع متعلق به یک زوجِ ذره-پادذره هستند، یک سیاه‌چاله می‌تواند اجسامِ عادی را نیز ببلعد که چون این اجسام، پیش از فروافتادن در سیاه‌چاله به صورتِ زوجِ ذره-پادذره نبوده‌اند پس انرژیِ آن‌ها مثبت است). اگر یک سیاه‌چاله چنین اجسامِ عادی را نبلعد رفته‌رفته جرمِ خود را از دست داده و سرانجام تبخیر می‌شود.

تکینگی که در مرکزِ یک سیاه‌چاله وجود دارد بی‌نهایت کوچک و چگال بوده و هیچ اطلاعاتی درباره‌ی ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی سیاه‌چاله دربر ندارد.

سناریوی دوم: دیوارِ آتشین. اطلاعات از راه هم‌بستگی‌های موجود میانِ ذراتِ گسیل‌شده از سیاه‌چاله، به بیرون از آن منتقل می‌شود. 1) ذراتِ گسیل‌شده از سیاه‌چاله هم‌بستگیِ خود با ذره‌ی جفتشان که به درونِ سیاه‌چاله افتاده است را می‌شکنند. 2) انرژی (که از گسستنِ هم‌بستگیِ میانِ زوجِ ذره-پادذره) آزاد می‌شود دیواری آتشین در پیرامونِ سیاه‌چاله ایجاد می‌کند. 3) هم‌بستگیِ میانِ ذراتِ گسیل‌شده از سیاه‌چاله دربردارنده‌ی اطلاعاتی درباره‌ی هرآن‌چیزی‌ست که تاکنون به درونِ سیاه‌چاله افتاده است. این اطلاعات را حتی پس از تبخیرِ سیاه‌چاله می‌توان بازیابی کرد.

ادامه دارد »»»

لینک قسمت اول

منبع: http://www.nature.com/news/astrophysics-fire-in-the-hole-1.12726

مرجع:
2- Hawking, S. W. Nature 248, 30–31 (1974).