آیا سیاهچاله‌ها واقعاً سیاه هستند؟

 

مجله علمی ایلیاد - فیزیکدان و کیهان‌شناس فقید، «استیون هاوکینگ» به پاس تلاش‌هایش در زمینه‌ی بررسی رابطه‌ی میان سیاهچاله‌ها و فیزیک کوانتومی شهرت داشت. سیاهچاله، بقایای ستاره‌ی غول‌پیکری در حال مرگ است. این بقایا به قدری کوچک و منقبض می‌شوند و جاذبه‌ای شگرف پیدا می‌کنند که حتی نور هم توان گریز از آن‌ها را ندارد. سیاهچاله‌ها در دیدگاه عموم مردم خیلی بزرگ جلوه داده می‌شوند؛ دانش‌آموزان هم می‌پرسند چرا کل جهان به شکل یک سیاهچاله فرو نمی‌پاشد. اما کارهای نظری دقیق هاوکینگ برخی از خلاهای موجود در دانش فیزیکدانان را درباره‌ی سیاهچاله‌ها پُر کرد.

جواب کوتاه این سوال این است؛ چون جاذبه وجود دارد و سرعت نور نامتناهی نیست.
فرض کنید روی سطح زمین ایستاده‌اید و گلوله‌ای را در زاویه‌ای به فضا شلیک کنید. گلوله استانداردتان به پایین باز خواهد گشت؛ احتمالاً در جایی دور دست. فرض کنید اسلحه‌ی بسیار قدرتمندی دارید و می‌توانید گلوله‌ای را با چنان سرعتی شلیک کنید و این گلوله به سمت زمین سقوط نکند. این گلوله همواره در مداری پیرامون زمین خواهد چرخید. اگر اسلحه‌تان حتی قوی‌تر باشد، گلوله آنقدر سریع خواهد بود که جاذبه‌ی زمین را نیز ترک کند. برای مثال، این اتفاق زمانی می‌افتد که ما فضاپیمایی به سمت مریخ می‌فرستیم.

حالا فرض کنید جاذبه خیلی خیلی قوی‌تر است. هیچ اسلحه‌ای نمی‌تواند گلوله‌ای را به قدر کافی شتاب‌دار کند تا آن سیاره را ترک کند؛ به جای آن تصمیم می‌گیرید نور را شلیک کنید. اگرچه فوتون‌ها فاقد جرم هستند، اما تحت تاثیر جاذبه قرار می‌گیرند. حتی سنگین‌ترین سیاره‌ها جاذبه‌ای که بتواند مسیر فوتون‌ها را برای جلوگیری از گریز آن منحرف کند، وجود نخواهند داشت. اما سیاهچاله‌ها مانند سیاره‌ها یا ستاره‌ها نیستند؛ بلکه بقایای ستاره‌ها هستند و شعاع‌شان به چند کیلومتر می‌رسد. فرض کنید می‌توانید در سطح سیاهچاله‌ای بایستید و به اسلحه‌ای پرتوافکن مجهز باشید. شما در زاویه‌ای به سمت بالا شلیک می‌کنید و متوجه می‌شوید که پرتو نور به سمت پایین آمده و به سطح سیاهچاله برخورد نمی‌کند. حالا پرتو در مداری پیرامون سیاهچاله قرار دارد و کیهان‌شناسان آن‌را شعاع یا نقطه‌ی عدم بازگشت نام‌گذاری کرده‌اند.

چون حتی نور هم نمی‌تواند از آن نقطه‌ای که شما در آن ایستاده‌اید، فرار کند، این جرم برای کسی که از دور به آن نگاه می‌کند، کاملاً سیاه به نظر خواهد رسید. اما هاوکینگ دریافت که سیاهچاله‌ها کاملاً سیاه نیستند.

من در توضیح قبلی‌ام در خصوص سیاهچاله‌ها از زبان فیزیک کلاسیک استفاده کردم. اما قوانین فیزیک بسیار پیچیده‌ هستند، زیرا جهان پیچیده‌تر است. در فیزیک کلاسیک، واژه‌ی «خلاء» به معنای نبود کامل هرگونه ماده یا تابش است. اما در فیزیک کوانتومی، خلاء بسیار جالب است، به ویژه زمانی که نزدیک به سیاهچاله باشد. خلاء به جای اینکه خالی باشد، مملو از جفت ذره-پادذره است که در اثر انرژی خلاء ایجاد می‌شوند. اما باید مدتی بعد یکدیگر را نابود کرده و انرژی خود را به خلاء بازگردانند. آثاری از انواع جفت ذره-پادذره تولید شده قابل یافتن است، اما جفت‌های سنگین‌تر به ندرت روی می‌دهند. ایجاد جفت فوتون کار ساده‌ای است، زیرا فاقد جرم هستند. فوتون‌ها باید همواره به صورت جفت ایجاد شوند تا از یکدیگر دور شده و قانون پایستگی گشتاور نقض نشود.

حالا تصور کنید یک جفت در فاصله‌ای از مرکز سیاهچاله ایجاد می‌شود که در آن نقطه، پرتوی نور آخر گردش می‌کند. این فاصله می‌تواند بسته به میزان جرمی که سیاهچاله دارد، دور از سطح یا نزدیک به آن باشد. همچنین فرض کنید جفت فوتون هم ایجاد می‌شود تا یکی از آن دو به سمت درون هدایت شود؛ یعنی به سمت شما در مرکز سیاهچاله؛ جایی که اسلحه‌ی پرتوی خود را در دست گرفته‌اید. فوتون دیگر روانه‌ی بیرون می‌شود. حالا مشکلی وجود دارد؛ فوتونی که به سمت درون سیاهچاله حرکت کرده است، نمی‌تواند بیرون بیاید، چرا که با سرعت نور حرکت می‌کند. جفت فوتون نمی‌توانند دوباره همدیگر را به نابودی بکشانند و انرژی خود را در اختیار خلاء قرار دهند. پس از اینکه سیاهچاله فوتون را به «نقطه‌ی عدم بازگشت» خود راه داد، باید مقداری از جرم آن‌را به جهان ببخشد. هاوکینگ این پروسه را به‌صورت ریاضی نشان داد. فوتونی که نقطه‌ی رویداد را ترک می‌کند، باعث خواهد شد سیاهچاله طوری به‌نظر برسد، گویی درخشش ناچیزی داشته است. اینجا است که «تابش هاوکینگ» خودنمایی می‌کند. در ضمن، هاوکینگ این استدلال را به پیش کشید که اگر این روند به دفعات زیادی روی دهد، سیاهچاله تا حدی جرمش را از دست می‌دهد که می‌تواند، ناپدید شود.

پاسخ کوتاه این است؛ خیر. این می‌تواند مغایر با قانون باشد.
پس از اکتشاف تابش هاوکینگ، عده‌ی کثیری از فیزیکدانان با عمق بیشتری به سوال فوق پرداختند. این نگرانی وجود دارد؛ قوانین اساسی فیزیک تضمین می‌کنند که هر فرایندی که در روندِ رو به جلوی زمان روی می‌دهد، می‌تواند به‌طور برعکس هم اتفاق بیفتد. جفت پروتونی که یکدیگر را نابود می‌کنند را «الف» در نظر بگیرید. در جفت دیگری از فوتون‌ها موسوم به جفت «ب»، یکی وارد سیاهچاله شده و دیگری به سمت بیرون روانه می‌شود. این مساله با استدلال ما سازگاری ندارد؛ به‌طوری که هندوانه پخش شده روی کف خانه هرگز به‌طور سحرآمیز مجدداً اجزایش را کنار هم جمع نمی‌کند. اما اتفاقی بر سر اشیای بزرگی نظیر هندوانه می‌افتد، تحت تاثیر قوانین آمار قرار دارد. برای اینکه هندوانه مجدداً اجزای خود را باز بچیند، چندین گازیلیون ذره اتمی باید همان کار را در روند رو به عقب در زمان انجام دهند و احتمال وقوع آن صفر است. اما این کار در مورد ذره‌، بدون هیچ مشکلی روی می‌دهد.

 

حالا فرض کنید یکی از دو فوتون را به درون سیاهچاله شلیک می‌کنید. بگذارید این‌ها را فوتون‌های چپ و فوتون‌های راست نام‌گذاری کنیم. پس از گذر فوتون چپ یا راست از افق، سیاهچاله تغییر می‌کند؛ چه فوتون راست جذب شود، چه فوتون چپ، سیاهچاله به شیوه‌ی یکسانی تغییر می‌کند. اکنون دو تاریخ متفاوت به آینده تبدیل شده‌ است و چنین آینده‌ای نمی‌تواند معکوس گردد.

قوانین فیزیک از کجا می‌دانند که کدام یک از دو گذشته را باید انتخاب کنند؟ چپ یا راست؟ تابش هاوکینگ ربطی به چیزی که به درون سیاهچاله انداخته می‌شود، ندارد. در سال ۱۹۱۷ میلادی، «آلبرت انیشتین» نشان داد که ماده به چیزهای ورودی واکنش نشان می‌دهد. خلاء کنار آن ماده دچار تحرک نسبی می‌شود تا یک جفت ماده-پادماده ایجاد کند؛ این جفت نسخه‌ای مشابه از ماده‌ی ورودی است. به یاد داشته باشید که جفت‌های تصادفی ذره و پادذره همواره در خلاء ایجاد می‌شوند. این فرایند با عنوان اثر «انتشار برانگیخته» شناخته می‌شود و منشاء همه‌ی لیزرها به شمار می‌رود. درخشش هاوکینگ سیاهچاله‌ها، همان چیزی است که انیشتین اثر «انتشار خودبه‌خودی» نام‌گذاری کرده بود که در نزدیک سیاهچاله روی می‌دهد.

 

نوشته: کریستوف آدامی
ترجمه: منصور نقی‌لو - مجله علمی ایلیاد