سیاه چاله‌ و مسئله مهم پارادوکس اطلاعات

پارادوکس اطلاعات بخشی از یک مسئله‌ی بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهد و سیاه چاله‌ها خودشان همان مسئله‌ی بزرگ حل‌نشده هستند و جامعه‌ی فیزیک هیچ‌گاه نتوانسته است به‌صورت اساسی آن‌ها را توضیح دهد. دلیل اینکه مسئله‌ی سیاه‌چاله‌ها هنوز هم حل‌نشده باقی مانده، این است که در مرکز سیاه‌چاله، ریاضیات از بین می‌روند و بی‌کاربرد خواهند بود؛ حتی معادلات نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین نیز پیش‌بینی کرده‌اند که خمیدگی فضا-زمان می‌تواند به‌صورت بی‌نهایت باشد. در این میان همگان بی‌نهایت را دوست دارند به‌جز یک فیزیک‌دان!

خود مسئله به‌اندازه‌ی کافی دشوار است؛ اما وقتی استفان هاوکینگ کشف کرد که یک سیاه‌چاله به‌صورت مطلق سیاه نیست و از خود نور ساطع می‌کند، انرژی خود را از دست می‌دهد و در نهایت از بین می‌رود، اوضاع پیچیده‌تر از گذشته شد. در نزدیکی یک سیاه‌چاله، گرانش به حدی قدرتمند است که هر چیزی را به سمت خود می‌کشد، حتی نور توانایی فرار از این نیروی عظیم را ندارد. استفان هاوکینگ اعلام کرد که اگر نیمی از یک جفت ذره توسط سیاه‌چاله بلعیده شود، ذره‌ی دیگر از طریق تابش، از سیاه‌چاله خارج می‌شود و به فضا بازمی‌گردد و در هنگام خروج، مقدار کمی انرژی از سیاه‌چاله را می‌رباید. این پدیده با نام «تابش هاوکینگ» شناخته می‌شود و در محیط آزمایشگاه نیز این پدیده مشاهده شده است. اگر این‌چنین است، چرا به این غول‌های گرانشی، سیاه‌چاله گفته می‌شود؟ در اینجا، چگونگی به وجود آمدن تابش هاوکینگ نگران‌کننده نیست؛ چرا که تابش هاوکینگ حتی برای فیزیک‌دانان نیز قابل درک نیست. تابش ذرات نور از دل یک سیاه‌چاله در قالب تابش هاوکینگ، با حفظ اطلاعات تناقض دارد. اگر سیاه‌چاله بخار شود، اطلاعات را نیز با خود از بین می‌برد؟

اطلاعات کجا می‌روند؟

در مکانیک کوانتومی، حرکت ذرات به‌وسیله‌ی تابع موج توصیف می‌شود. در ریاضیات، تابع موج را با بردار مختلطی نشان می‌دهند که تعداد عناصر آن ممکن است مشخص، حقیقی یا بی‌نهایت باشد. در مکانیک کوانتومی، تابع موج، تمامی حالات شناخته‌شده‌ی یک ذره در فضا را در بر می‌گیرد. اگر شما یک ذره را به سیاه‌چاله نزدیک کنید و آن را در اختیار گرانش سیاه‌چاله بگذارید، ذره به درون سیاه‌چاله کشیده می‌شود؛ اما تابع موج سیاه‌چاله نمی‌تواند با توجه به این رویداد تغییر کند و اطلاعات ذره را همچنان حفظ کند. بنابراین، نوری که در قالب تابش هاوکینگ پس از این رویداد ساطع می‌شود، اطلاعات ذره را با خود به همراه ندارد. توضیحات بسیار گیج‌کننده به نظر می‌رسند؛ اما خلاصه‌ی بحث این است که اگر یک ذره توسط گرانش قدرتمند سیاه‌چاله جذب شود، تمام اطلاعات آن ذره از بین می‌روند.

از طرفی دیگر، مکانیک کوانتومی بیان می‌کند که می‌توان اطلاعات مربوط به ذره را با استفاده از تابع موج سیاهچاله یا تابع موج نور ساطع‌شده در اثر تابش هاوکینگ، مجدداً بازیابی و رمزگشایی کرد.

فیزیک‌دانان چندین سال است که در مورد این موضوع به بحث و تبادل نظر می‌پردازند و به این نتیجه رسیده‌اند که اطلاعات می‌توانند به روش‌های مختلفی پس از ورود ذره به سیاه‌چاله حفظ شوند؛ اما اینکه اطلاعات در کجا و چگونه حفظ می‌شوند، هنوز جای بحث دارد. در این میان، یکی از افراد ایده‌ی جالبی را با دیگران به اشتراک گذاشته است و در مورد تأخیر در بازیابی اطلاعات صحبت می‌کند. وی می‌گوید که یک سیاه‌چاله در طول حیاتش تا زمانی که به مرگش نزدیک می‌شود، دائماً تابش هاوکینگ را تجربه می‌کند. وقتی که سیاه‌چاله از بین می‌رود و به بخار تبدیل می‌شود، یک تابش قدرتمند خواهد داشت که از هر نظری (اطلاعاتی و غیره) به تابش‌های پیشین وابسته است.

ایده‌ی بسیار جالبی است؛ اما متأسفانه ما روی زمین هیچ سیاه‌چاله‌ای در اختیار نداریم که بتوانیم این ایده را روی آن آزمایش کنیم. فیزیک با استفاده از مدارک پیش می‌رود و بدون داشتن مدرک و تنها بر پایه‌ی شبهات، نمی‌توان به‌صورت قطعی به یک نتیجه‌ی قابل قبول رسید؛ اما می‌توان از این شبهات در ریاضیات استفاده کرد. ریاضی، علمی گسترده است و در هر زمان و مکان می‌توان بدون در دست داشتن هیچ مدرکی و تنها با استفاده از شبهات از آن استفاده کرد؛ حتی بسیاری از سیستم‌های فیزیکی مختلف، توسط معادلات ریاضی مشابه توضیح داده می‌شوند. باید ابتدا محاسبات ریاضی لازم را انجام داد، سپس اگر یک مدرک یافت شد، می‌توان اندازه‌گیری‌های فیزیکی را روی آن انجام داد. این کاری است که دانشمندان می‌خواهند روی سیاه‌چاله‌ها انجام دهند تا ببینند در این سیستم‌های فیزیکی خارج از دسترس بشر، چه چیزی اتفاق می‌افتد.

لیزرهای بزرگ و آینه‌های شتاب‌دهنده پلاسمایی

پژوهشگران می‌گویند برای بررسی فرضیات موجود، تنها یک راه وجود دارد و آن هم ساخت مقلد سیاه‌چاله روی زمین است. دانشمندان می‌گویند با استفاده از آینه‌های شتاب‌دهنده‌ی پلاسمایی می‌توان مقلد افق رویداد یک سیاهچاله در حال تبخیر را ایجاد کرد. در این جمله‌ی کوتاه، به‌صورت خلاصه توضیح داده شد که دانشمندان می‌خواهند چه کاری انجام دهند؛ اما انجام این کار به همین سادگی نیست. خود را آماده کنید تا وارد دنیای پر پیچ‌وخم فیزیک پلاسما، لیزرهای بزرگ و فیزیک سیاه‌چاله شوید.

به‌صورت ساده، پلاسما چیزی نیست جز گاز یونیزه که بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یون‌های مثبت تبدیل شده باشند. یکی از روش‌های به وجود آوردن پلاسما، تاباندن یک پالس لیزری بسیار قدرتمند به یک نوع گاز است. وقتی پالس لیزری که دمای بالایی نیز دارد به گاز تابیده می‌شود، به‌تدریج الکترون‌ها از اتم‌ها جدا می‌شوند و ابری از الکترون‌های فوق سریع به وجود می‌آید و آنچه باقی می‌ماند، اتم هسته‌ای با بار الکتریکی مثبت است و این همان یون مثبتی است که ما نیاز داریم. اگر دمای این پالس لیزری بالا باشد، تعداد یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد فوق سریع افزایش می‌یابد و گاز یونیزه می‌شود. پس از اتمام کار، شما گازی از الکترون‌ها در اختیار دارید که همچون آینه برای نور عمل می‌کنند؛ اما این یک آینه‌ی معمولی نیست. جدایی الکترون‌های آزاد از هسته‌ی مثبت یونیزه، یک میدان الکتریکی قدرتمند به وجود می‌آورد که می‌تواند الکترون‌ها را تا نزدیک به سرعت نور شتاب دهد! پس این یک آینه‌ی معمولی نیست؛ این آینه‌ای است که ذرات آن با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند.

به لطف ایجاد یک آینه‌ی شتاب‌دهنده‌ی پلاسمایی، اکنون اگر دومین پالس لیزری به این آینه تابانده شود، علاوه بر منعکس شدن، تحت تأثیر اثر دوپلر نیز قرار می‌گیرد. بنابراین، اگر شما نور سبز را بر این آینه بتابانید و آینه نیز به سمت شما آورده شود، آنچه بازتاب می‌شود، اشعه‌ی ایکس خواهد بود. این یک تجربه‌ی بسیار جالب است که تنها در آزمایشگاه می‌توان آن را انجام داد.

اما این پایان کار نیست؛ شما می‌توانید اشعه‌ی ایکس را به سمت یک ماده‌ی جامد هدایت کنید. شما ابتدا باید روی آن ماده‌ی جامد، با استفاده از مَتِه سوراخ‌هایی ایجاد کنید تا بتوانید چگالی را افزایش دهید. اکنون اگر اشعه‌ی ایکس به این ماده‌ی جامد تابانده شود، کل ماده را یونیزه خواهد کرد. شما با سوراخ کردن ماده، باعث شده‌اید که بارهای مثبت به عمق ماده نفوذ کنند و این بارها، به الکترون‌های آزادشده درون ماده‌ی جامد، شتاب می‌دهند. وقتی که این الکترون‌ها درون ماده‌ی جامد آزاد می‌شوند، ناگهان به دام خواهند افتاد.

الکترون‌های دسته‌ی دوم که همان الکترون‌های به دام افتاده هستند، باز هم نقش یک آینه‌ی پلاسمایی را ایفا می‌کنند؛ اما این بار، رفتاری شبیه به سیاهچاله‌ها دارند. در طول بخشی از فرآیند شتاب‌گیری الکترون‌ها، آینه‌ی پلاسمایی ابتدا به مقلد یک سیاه‌چاله تبدیل می‌شود و در یک جریان ثابت، تابش هاوکینگ را به وجود می‌آورد. اما وقتی که این فرآیند تمام می‌شود، آینه‌ نقش یک سیاه‌چاله‌ی در حال مرگ را ایفا خواهد کرد که همچنان تابش می‌کند. این تابش‌ها همان چیزی هستند که دانشمندان نیاز دارند.

اکنون ما یک مقلد سیاهچاله داریم و می‌توانیم به بررسی چگونگی ساطع شدن تابش هاوکینگ بپردازیم. همان‌طوری که در ابتدا نیز گفته شد، سیاه‌چاله به هنگام مرگ، تابش هاوکینگ را به شکلی قدرتمند تجربه خواهد کرد؛ حال سؤالی که پیش می‌آید این است که آیا آخرین فوتون‌های ساطع‌شده، به یکدیگر وابسته هستند یا اینکه به تابش هاوکینگ که پیش‌تر ساطع‌ شده است، وابستگی دارند؟ اگر جواب این سؤال داده شود، می‌توان معمای پارادوکس اطلاعات سیاهچاله را برای همیشه حل کرد.

امتیازی که این آزمایش دارد این است که انجام شدن آن قطعی است. در فرانسه و آمریکا لیزرهایی قدرتمند و بزرگ وجود دارند که می‌توانند شرایط این آزمایش را فراهم کنند. حتی ابزار اندازه‌گیری تابش هاوکینگ به وجود آمده نیز در دسترس است؛ بنابراین دلیلی وجود ندارد که دانشمندان نتوانند این آزمایش سخت را انجام دهند.

یک پرسش اساسی

این آزمایش‌ها اگر انجام شوند باز هم نتیجه‌ی نهایی آن‌ها کمکی زیادی نمی‌کند. تصور کنید نتیجه‌ی آزمایش به ما نشان داد که تابش هاوکینگ نهایی و تابش‌های پیشین، همبسته هستند. این نتیجه به ما چه می‌گوید؟ این آزمایش به ما نشان می‌دهد که یک آینه‌ی شتاب‌دهنده‌ی پلاسمایی، از خود تابش همبسته ساطع می‌کند. این یعنی اگر فیزیک این مقلد ایجادشده به فیزیک سیستم سیاه‌چاله شباهت داشته باشد، آنگاه هرچه در این آزمایش مشاهده می‌کنیم، در سیاه‌چاله نیز روی خواهد داد. اما اگر جواب آزمایش منفی باشد؛ آیا امکان این وجود دارد که میان تابش نهایی و تابش‌های پیشین رابطه‌ای وجود نداشته باشد؟ ممکن است که فیزیک مقلد ما با سیاه‌چاله تفاوت داشته باشد و ما نتوانیم هر آنچه در آزمایش می‌بینیم به سیاه‌چاله‌ها نیز نسبت دهیم؟

دلیل اینکه ما در مورد از بین رفتن اطلاعات در سیاه‌چاله بحث می‌کنیم این است که ما هنوز هم فیزیک را به‌طور کامل درک نکرده‌ایم و وقتی با یک پدیده‌ی عجیب همچون پارادوکس اطلاعات مواجه می‌شویم، سردرگم خواهیم شد. اگر نتیجه‌ی آزمایش منفی باشد، ممکن است ما در محاسبات ریاضی اشتباه کرده باشیم یا اینکه یک سازوکار دیگر نیز در سیاه‌چاله‌ها دخیل باشد و روی اطلاعات نیز تأثیر بگذارد. ما هنوز درکی از فیزیک نداریم و تا زمانی که نتوانیم با توجه به گرانش و مکانیک کوانتومی، یک نظریه‌ی یکپارچه و اصولی ارائه دهیم، هرچه آزمایش به ما نشان دهد بی‌ارزش خواهد شد. در حال حاضر سیستم‌های فیزیکی بسیاری وجود دارند که می‌توانند مقلد سیاه‌چاله‌ها باشند و به ما کمک کنند. اگر نتایج همه‌ی این سیستم‌ها تقریباً یکسان باشد، آنگاه ما می‌توانیم در مورد چگونگی حفظ یا از دست رفتن اطلاعات در سیاه‌چاله بحث کنیم.

این نکته را نیز باید در نظر داشت که در مدل‌های ارائه‌شده توسط دانشمندان، حدی برای اشتباه کردن وجود دارد و این محدودیت را اندازه‌گیری‌های انجام‌شده روی سامانه‌های ستاره‌ای، ستاره‌های نوترونی، کهکشان‌ها و حتی خود عالم ایجاد کرده‌اند. در حال حاضر، افق رویداد سیاه‌چاله برای ما همان جایی است که می‌دانیم تمام محاسبات اشتباه می‌شوند؛ بنابراین لازم است که در مورد آن با احتیاط رفتار شود و نتایج آزمایش‌ها نیز با دقت بررسی شوند تا ویژگی‌های این ناحیه‌ی حساس را بهتر بشناسیم.

نظر شما در مورد پارادوکس اطلاعات چیست؟ آیا اطلاعات ذرات ساطع‌شده همچنان حفظ شده است؟