سیاهچاله‌ها چه رنگی هستند؟

 

مجله علمی ایلیاد - فیزیکدان و کیهان‌شناس «استیون هاوکینگ» به پاس تلاش‌هایش در زمینه‌ی بررسی رابطه‌ی میان سیاهچاله‌ها و فیزیک کوانتومی، شهرت داشت. سیاهچاله، بقایای یک ستاره‌ی غول‌پیکر 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 در یک سیاهچاله فرو نمی‌پاشد. اما کارهای نظری دقیق هاوکینگ، برخی از خلاهای موجود در دانش فیزیک را درباره‌ی سیاهچاله‌ها پُر کرد.

جواب کوتاه این است؛ چون گرانش وجود دارد و سرعت نور نامتناهی نیست. فرض کنید روی سطح زمین ایستاده‌اید و گلوله‌ای استاندارد را در زاویه‌ای به فضا شلیک کنید. گلوله 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 که این گلوله به زمین بازنگردد. این گلوله همواره در مداری پیرامون زمین خواهد بود. اگر اسلحه‌تان حتی قوی‌تر باشد، گلوله آن‌قدر سریع خواهد بود که گرانش زمین را نیز ترک کند. برای مثال، این اتفاق زمانی می‌افتد که ما به مریخ موشک می‌فرستیم.

حالا فرض کنید گرانش خیلی خیلی قوی‌تر است. هیچ اسلحه‌ای نمی‌تواند گلوله‌ای را به قدر کافی شتاب دهد تا زمین را ترک کند؛ به جای آن تصمیم می‌گیرید نور را شلیک کنید. اگرچه فوتون‌ها فاقد جرم هستند، اما تحت تاثیر گرانش قرار می‌گیرند. حتی سنگین‌ترین سیاره‌ها جاذبه‌ای که بتواند مسیر فوتون‌ها را برای جلوگیری از گریز آن منحرف کند، نخواهند داشت. اما سیاهچاله‌ها مانند سیاره‌ها یا ستاره‌ها نیستند؛ بلکه بقایای ستاره‌ها هستند و شعاع‌شان به چند کیلومتر می‌رسد. فرض کنید می‌توانید در سطح یک سیاهچاله بایستید و به یک اسلحه‌ی پرتوافکن مجهز باشید. شما در زاویه‌ای به سمت بالا شلیک می‌کنید و متوجه می‌شوید که پرتوی نور به سمت پایین آمده و به سطح برخورد نمی‌کند. حالا پرتو در مداری پیرامون سیاهچاله قرار دارد و کیهان‌شناسان آن‌را «شعاع شوارتزشیلد» 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 هر گونه ماده یا تابش است. اما در فیزیک کوانتومی، خلاء بسیار جالب است، به ویژه زمانی که نزدیک یک سیاهچاله باشد. خلاء به جای اینکه خالی باشد، مملو از جفت ذره و 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 و 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 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 یک مشکل 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 بدهند. 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 به صورت ریاضی نشان داد. فوتونی که افق رویداد را ترک می‌کند، باعث خواهد شد سیاهچاله طوری به نظر 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 بدهد، سیاهچاله تا حدی جرمش را از دست می‌دهد که می‌تواند، ناپدید شود.

پاسخ کوتاه؛ 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 فرآیندی که در روندِ رو به جلوی زمان روی می‌دهد، می‌تواند به‌طور برعکس هم اتفاق بیافتد. جفت پروتونی که یکدیگر را نابود می‌کنند، را «الف» در نظر بگیرید. در جفت دیگری از فوتون‌هاِ موسوم به جفت «ب»، یکی وارد سیاهچاله شده و دیگری به سمت بیرون روانه می‌شود. این مساله، با استدلال ما سازگاری ندارد؛ به طوری که هندوانه پخش شده روی کف 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 ذره‌ی 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 یک ذره بدون هیچ مشکلی روی می‌دهد.

حالا فرض کنید یکی از دو فوتون را به درون سیاهچاله شلیک می کنید. بگذارید این‌ها را فوتون‌های چپ و فوتون‌های راست نام‌گذاری کنیم. پس از گذر فوتون چپ یا راست از افق رویداد، سیاهچاله تغییر می‌کند؛ چه فوتون راست جذب شود چه فوتون چپ، سیاهچاله به شیوه‌ی یکسانی تغییر می‌کند. اکنون دو تاریخ متفاوت به یک آینده تبدیل شده‌اند 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، «آلبرت اینشتین» نشان داد که ماده به چیزهای ورودی واکنش نشان می‌دهد. خلاء کنار آن ماده، دچار تحرک نسبی می‌شود تا یک جفت ماده و 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 کپی با عنوان اثر «انتشار برانگیخته» شناخته می‌شود و منشا همه‌ی لیزرها به شمار می‌رود. درخشش هاوکینگ سیاهچاله‌ها را همان چیزی است که اینشتین اثر «انتشار خودبه‌خودی» نام‌گذاری کرده بود که در نزدیک سیاهچاله روی می‌دهد.

 

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