سیاهچاله‌ها و پارادوکس اطلاعات

نظریه‌ی ریسمان ممکن است پرده از راز عمیق‌ترین پارادوکس‌های فیزیک سیاهچاله‌ بردارد، مثل پارادوکس اطلاعات. می‌دانیم که سیاهچاله‌ها کاملاً سیاه نیستند، بلکه از طریق پدیده‌ تونل‌زنی مقادیر کمی تابش از خود متصاعد می‌کنند.

به گزارش بیگ بنگ، بر طبق نظریه‌ی کوانتوم همواره شانس کوچکی وجود دارد که تابش بتواند از چنگ گرانش سیاهچاله‌ها فرار کند. به این نشت آهسته از یک سیاه‌چاله، تابش هاوکینگ (Hawking Radiation) گفته می‌شود. این تابش به نوبه خود، دارای دمایی اختصاصی است که با مساحت افق رویداد یک سیاهچاله‌ متناسب است). استیون هاوکینگ نسخه‌ای کلی از این معادله را ارائه داد که با اقبال زیادی مواجه شد. به هر حال یک نسخه دقیق از این نتیجه نیاز به استفاده از قدرت کامل مکانیک آماری دارد (بر اساس شمارش حالات کوانتومی سیاهچاله‌ها). اغلب محاسبات مکانیک آماری از طریق شمارش تعداد حالاتی که ایک اتم یا مولکول‌ می‌تواند داشته باشد، صورت می‌گیرد. اما چگونه می‌توان حالات کوانتومی یک سیاهچاله را شمارش کرد؟ در نظریه‌ی اینشتین، سیاهچاله‌ها کاملاً آرام هستند، بنابراین شمردن حالات کوانتومی آن‌ها بسیار مشکل خواهد بود.

نظریه‌پردازان ریسمانی مشتاق بودند تا این فاصله را از بین ببرند. بنابراین آندرو استرومینگر و کامران وفا از هاروارد تصمیم گرفتند با استفاده از نظریه‌ی M، یک سیاهچاله را مورد تحلیل و بررسی قرار دهند. از آنجا که کار با سیاهچاله به خودی خود سخت بود، آن‌ها مسیر دیگری را در پیش گرفتند و پرسش هوشمندانه‌ای را مطرح ساختند: دوگان یک سیاه‌چاله چیست؟ یک الکترون، دوگان یک تک‌قطبی مغناطیسی است. بنابراین تنها با آزمایش‌کردن یک الکترون در یک میدان الکتریکی ضعیف، که کار ساده‌ای است، می‌توانیم آزمایش‌ بسیار مشکل‌تری را بررسی کنیم: یعنی یک تک‌قطبی که در میدان مغناطیسی بسیار بزرگی قرار گرفته است.

انتظار می‌رفت که تحلیل و بررسی دوگان یک سیاهچاله از خود سیاهچاله آسان‌تر باشد، اگرچه در نهایت هر دو نتایج یکسانی را حاصل می‌کنند. استرومینگر و کامران وفا با انجام مجموعه‌ای از عملیات ریاضی، توانستند نشان دهند که سیاهچاله‌ها دوگان مجموعه‌ای از پوسته‌های یک بعدی و پنج بعدی هستند. این مسئله دانشمندان را آسوده‌خاطر ساخت. زیرا نحوه‌ی شمارش حالات کوانتومی این پوسته‌ها از قبل شناخته‌ شده بود. زمانی که استرومینگر و کامران وفا حالات کوانتومی را محاسبه کردند، دریافتند که پاسخ به دست آمده به دقت نتایج هاوکینگ را مجدداً استخراج می‌کند. این خبری خوشایند بود. نظریه‌ی رسیمان‌ها، همان چیزی که برخی مواقع به دلیل عدم ارتباط با دنیای واقعی مورد تمسخر واقع می‌شد، شاید بتواند زیباترین راه‌حل را برای ترمودینامیک سیاهچاله‌ها ارائه دهد.

در حال‌ حاظر نظریه‌پردازان ریسمانی تلاش می‌کنند تا با سخت‌ترین مشکل در فیزیک سیاهچاله‌ها دست و پنجه نرم کنند. یعنی پارادوکس اطلاعات. استیون هاوکینگ معتقد است اگر چیزی را به درون یک سیاهچاله پرتاب کنیم، اطلاعاتی که با خود حمل می‌کند، برای همیشه از بین می‌روند و هرگز باز نمی‌گردند. (این روش هوشمندانه‌ای برای ارتکاب جرم است. یک مجرم می‌تواند از یک سیاه‌چاله برای از بین بردن تمام مدارک جرم استفاده کند). تنها پارامترهایی را که می‌توان از راه دور از یک سیاه‌چاله اندازه گرفت، جرم، اسپین و بار آن‌ هستند. اینکه‌ چه چیزی را به درون سیاهچاله پرتاب می‌کنیم مهم نیست، به هر حال تمام اطلاعات درون آن را از دست خواهیم داد. (این مسئله با این جمله بیان می‌شود که سیاهچاله‌ها مو ندارند، یعنی تمام اطلاعات را از دست داده‌اند، تمام موها، به جز اطلاعات مربوط به این پارامتر).
به نظر می‌رسد که از بین رفتن اطلاعات جهان ما، پیامد اجتناب‌ناپذیر نظریه‌ی اینشتین باشد. اما از طرفی این مسئله با اصول مکانیک کوانتومی که بیان می‌دارند اطلاعات هرگز نمی‌توانند گم شوند، در تناقض است. اطلاعات باید جایی در جهان ما شناور باشند، حتی اگر خود جسم به درون یک سیاهچاله فرو رفته باشد.

هاوکینگ نوشته است: "اغلب فیزیک‌دانان تمایل دارند باور کنند که اطلاعات از بین نرفته‌اند. زیرا این باور جهان را امن و قابل پیش‌بینی می‌کند. اما من عقیده دارم اگر نسبیت عام اینشتین را جدی بگیریم، باید این احتمال را در نظر بگیریم که فضا-زمان خود را در گره‌هایی مقید کرده و اینکه اطلاعات در پیچ و تاب‌ها گم می‌شوند. امروزه تعیین اینکه آیا اطلاعات واقعاً گم می‌شوند یا نه، یکی از پرسش‌های اصلی فیزیک نظری است". این پارادوکس که هاوکینگ را در مقابل اغلب نظریه‌پردازان ریسمانی قرار می‌دهد، هنوز حل نشده است. اما نظریه‌پردازان ریسمانی ادعا می‌کنند که بالاخره خواهند فهمید که اطلاعات گم‌شده کجا رفته‌اند.

به عنوان مثال اگر یک کتاب را به درون سیاهچاله‌ها پرتاب کنیم، می‌توان تصور کرد که اطلاعات درون کتاب، در فرم نوسانات کوچکی که در تابش هاوکینگ یک سیاهچاله تبخیرشونده وجود دارند،‌به تدریج به درون جهان ما رسوخ می‌کنند. یا شاید این اطلاعات از درون یک سفیدچاله در طرف دیگر سیاهچاله مجدداً بیرون بیایند. میچیو کاکو فیزیک‌دان برجسته نظری معتقد است که اطلاعات در حقیقت گم نشده‌اند، بلکه زیرکانه در جای دیگری مجدداً ظاهر می‌شوند. سرمقاله‌ی نیویورک‌تایمز در سال ۲۰۰۴ به استیون هاوکینگ اختصاص یافت. او در مقابل دوربین‌های تلوزیونی اعلام کرد که در مورد پارادوکس اطلاعات اشتباه کرده است. (سی سال قبل او با دیگر فیزیک‌دانان شرط بسته بود که اطلاعات هرگز نمی‌توانند از یک سیاه‌چاله به بیرون نشت کنند. بازنده این شرط‌بندی موظف به تهیه دائره‌المعارفی بود که اطلاعات آن را به راحتی قابل اصلاح و بازیابی باشند).

او با انجام مجدد برخی از محاسبات پیشین خود دریافت که اگر یک شی‌ء مثلاً‌ یک کتاب به درون سیاه‌چاله بیافتد، ممکن است میدان تابش منتشر شده را مختل سازد و به این ترتیب اطلاعات به جهان ما بازگردند. اطلاعات کتاب، درون تابش کدگذاری شده و به شکلی پاره‌پاره به آهستگی به بیرون سیاهچاله نشت می‌کنند. این مسئله هاوکینگ را در گروه فیزیک‌دانان کوانتومی قرار داد. کسانی که عقیده دارند اطلاعات نمی‌تواند گم شود. اما به‌علاوه این سوال مطرح شد: آیا اطلاعات می‌توانند به یک جهان موازی انتقال یابند؟ در ظاهر به‌نظر می‌رسید که نتیجه او،‌ ایده را که اطلاعات ممکن است از طریق یک کرمچاله به یک جهان موازی انتقال یابد، دچار شبهه کند. با این حال هیچ‌کسی عقیده ندارد که او در این باره حرف آخر را زده است. تا زمانی‌که نظریه‌‌ی ریسمان‌ها کامل نشده است و محاسبات گرانش کوانتومی انجام نگرفته است، هیچ‌کس باور نخواهد کرد که پارادوکس اطلاعات کاملاً حل شده باشد.

نویسنده: اسماعیل جوکار/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع بیشتر: Paralel Worlds - Michio Kaku , Black hole information paradox

نقل از بیگ بنگ

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات