پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله

معمایی حل‌ناشدنی در قلب واقعیت

بوکمارک(0)

No account yet? Register

سیاه‌چاله‌ها اطلاعات را می‌بلعند، رویدادی غیرممکن که نظریه‌های کنونی فیزیک قادر به توضیح آن نیستند.

بوکمارک(0)

No account yet? Register

پائول دیویس فیزیکدان
پائول دیویس فیزیکدان (Paul Davies)

پائول دیویس (Paul Davies)، فیزیکدان در دانشگاه ایالتی آریزونا و نویسنده کتاب‌های پرفروش علمی معتقد است علی‌رغم ادعاهای اخیر هنوز مسأله پارادوکس اطلاعات در سیاه‌چاله حل نشده است و ابهامات متعددی دارد. وی در این مقاله با مروری بر این مسأله سعی می‌کند جنبه‌هایی از آن را روشن سازد.

اگر فیلمی از اتفاقات روزمره را معکوس پخش کنیم، به آن خواهیم خندید چرا که خلاف شهود است. ما به آسانی می­‌توانیم گذشته را از آینده تشخیص دهیم و تنها اتفاقاتی را شاهد باشیم که از یکی به دیگری حرکت می­‌کنند. با این‌حال، این واقعیت ساده زندگی ما – که آن را پیکان زمان می­‌نامیم – برای فیزیکدان­‌ها یک معماست. قوانین فیزیک که زیربنای دنیای روزمره هستند، نسبت به زمان متقارن­‌اند. آنها برگشت‌پذیرند؛ بدین معنی که درست همان­‌گونه که به جلو کار می­‌کنند، رو به عقب نیز کار می‌­کنند.

ابهام جدیدی که بر این دیدگاه وارد شده، از قلب سیاه­‌چاله بیرون می‌­آید. حدود نیم قرن پیش، استیون هاکینگ به کشفی تکان­‌دهنده در مورد این هیولاها، که توسط نظریه‌­ی نسبیت عام اینشتین معرفی شده بودند، دست یافت. این کشف ادعا می‌­کند که سیاه­‌چاله‌ها اساس تقارن زمانی در فیزیک را نقض کرده، اطلاعات را نابود می‌­کنند و حتی به صورت تئوری نیز مانع معکوس شدن زنجیره‌ای از رویداد‌ها از آینده به گذشته می‌­شوند؛ که ما آن را به عنوان پارادوکس اطلاعات سیاه­‌چاله می‌­شناسیم. این پارادوکس به شکافی عمیق میان نسبیت عام و دیگر ستون مهم فیزیک مدرن، نظریه­‌ی کوانتوم اشاره می­‌کند و در مسیر یک آرزوی دیرینه – یعنی نظریه­‌ای که به وحدت این دو بیانجامد- قرار می‌گیرد.

همین اواخر، ادعاهایی به میان آمده مبنی بر اینکه این پارادوکس به راه حل نهایی خود نزدیک شده‌ ­است. من به شخصه در این­‌باره مطمئن نیستم. اما پیچ و ­تاب‌های این مسئله‌­ی قدیمی، همواره سرشار از شگفتی­‌هایی همراه با نتایج بالقوه­ و شگرفی بوده ­است تا به فهم ما از این‌که جهان در بنیادی­‌ترین سطح چطور کار می­‌کند، کمک کند.

برای فهم ماهیت مسئله، جعبه‌­ای را تصور کنید که توسط دیواره­ای به دو بخش تقسیم شده‌ ­است و یک طرف آن اکسیژن، و طرف دیگر نیتروژن است. اگر دیواره برداشته شود، اکسیژن و نیتروژن طی یک گذار برگشت‌­ناپذیر با یکدیگر ترکیب می­‌شوند؛ به­ طوری که نمی­‌توانید با نگاه­ کردن به ترکیبی یکنواخت از اکسیژن و نیتروژن، حالت اولیه‌­ی آن را تشخیص دهید.

اما اگر ما، با یک ­سری شعبده، از تمام جزئیات همه‌­ی مولکول­‌ها مطلع می­‌بودیم، می‌توانستیم با استفاده از قوانین برگشت‌پذیر فیزیک به این حالت اولیه برگردیم. در ابعاد مولکولی به نظر می­‌آید که پیکان زمان وجود نداشته­ باشد. جان ویلر، فیزیکدان، که واژه‌­ی “سیاه چاله” را ابداع کرد، آن را با مشخصه‌ی رنگ توصیف می­‌کند. او می‌­نویسد:

اگر شما از اتمی درباره‌­ی پیکان زمان بپرسید، به شما خواهد خندید.

ما با یک دیدگاه ماکروسکوپیک به جهان نگاه می­‌کنیم که در آن، این جزئیات مولکولی از بین می‌روند. در این دیدگاه که برآمده از بخشی از فهم ما از ترمودینامیک قرن ۱۹ است، پیکان زمان عنصر ثانویه است و وابستگی به محدودیت­‌های حسی ما دارد که آن را تبدیل به پدیده‌­ای مشخصا ذهنی می­‌کند. اما سیاه­چاله­‌ها وارد این تصویر شدند.

یک ویژگی شاخص سیاه­چاله ها افق رویداد آن‌هاست، مرزی که درون آن گرانش به قدری قوی است که حتی نور هم نمی­‌تواند از آن فرار کند. از آن‌جا که هیچ چیز نمی‌­تواند سریع‌­تر از نور حرکت کند، این بدین معناست که هر چیزی که از افق رویداد عبور کند، نمی‌­تواند به جهان بیرون بازگردد. این حداقل استنتاجی است که با یک مطالعه­‌ی سطحی از نسبیت عام می‌­توان برداشت کرد. همچنین، چیزی به دور از دید ما در قلب سیاه‌­چاله وجود دارد به نام ” تکینگی “، یک لبه­‌ی پیچ­‌دار بی­‌نهایت یا به عبارت دیگر مرز فضا-زمان، که قوانین فیزیک در آن در­هم شکسته می‌­شوند. هر ماده‌­ای که به تکینگی برسد و مهم‌­تر از آن، هر اطلاعاتی که در آن ماده رمز­گذاری شده باشد، مانند این‌که چطور مولکول­‌ها در یک ابر گازی توزیع شده­‌اند، باید از فضا-زمان محو شود.

تبخیر اطلاعات

این مسئله چالشی برای دیدگاه‌­های گذشته در مورد زمان و برگشت­‌ناپذیری است. سرنوشت یک دایره­المعارف را که درون یک سیاه­چاله پرتاب می­‌شود را با یکی که درون کوره­‌ی زباله‌­سوزی انداخته می‌­شود مقایسه کنید. در مورد کوره‌­ی زباله‌­سوزی، اگر شما حالت دقیق تک تک مولکول‌­ها و هر فوتونی که به عنوان گرما ساطع می‌­شود را بدانید، شما در اصل می‌­توانید “فیلم را برعکس پخش کنید” و اطلاعات درون دایره­المعارف را بازیابی کنید. اما در مورد سیاه‌­چاله این‌طور نیست. اطلاعات بطور قطعی و عینی‌ از­دست رفته‌اند؛ بدین معنا که دکمه‌­ی بازگشتی وجود ندارد. با این‌حال، این سردرگمی در اوایل سال ۱۹۷۴ شکافی پیدا کرد، زمانی که استیون هاکینگ در آزمایشگاه رادرفورد اپلتون نزدیکی آکسفورد انگلیس سخنرانی معروفی کرد. من هم آن‌جا بودم. هاکینگ اعلام کرد که سیاه­‌چاله ها کاملا سیاه نیستند، بلکه تابش ضعیفی دارند که بخاطر تاثیرات ذرات کوانتومی است که از خلاء در مجاورت افق رویداد آن بیرون می‌­آیند و تابش می­‌کنند. فرآیند “تابش هاکینگ” به آرامی انرژی را از درون سیاه‌­چاله می‌­مکد؛ بنابراین در طی زمان بسیار طولانی سیاه‌­چاله منقبض می­‌شود.

این ادعا بسیار تاثیرگذار بود. اثر هاکینگ در چندین مرحله گیج‌­کننده هم بود، اما یک سوال مطرح شد: اگر سیاه‌­چاله رو به انقباض می‌­رود، آیا در نهایت کاملا ناپدید می‌­شود؟ اگر این‌طور است، چه اتفاقی برای همه­‌ی اجسامی که در آن سقوط کرده­‌اند می­‌افتد؟

هاکینگ نتایج خود را با به کارگیری مکانیک کوانتوم بدست آورد. این قوانین نسبت به زمان متقارن‌اند؛ بنابراین به صورت تئوری شما باید بتوانید تمام اطلاعات رمز­گذاری شده در تابش هاکینگ را جمع‌­آوری و به حالت آغازین آن بازگردانید. درست مانند دایره‌المعارف درون کوره‌­ی زباله‌­سوزی. اما محاسبات هاکینگ نشان داد که تابش گرمایی تولید‌شده توسط یک سیاه‌چاله کاملا تصادفی است و حامل هیچ اطلاعاتی در مورد آن‌چه که در ابتدا درون آن سقوط کرده‌ ­است، نیست.

این اساس پارادوکس اطلاعات سیاه­چاله است. قوانین مکانیک کوانتومی می­‌گوید که اطلاعات نمی‌­توانند نابود شوند. نسبیت عام با معرفی سیاه­چاله­‌ها آن را تصریح می­‌کند.

من ابتدا در مورد این مناقشه با هاکینگ در اتاق هتلی در بوستون در سال ۱۹۷۰، که ما هر دو برای یک کنفرانس سفر کردیم، صحبت کردم. آن زمان، هاکینگ که غرق در نظریه­‌ی نسبیت عام و پیش­‌بینی‌­های آن درباره‌­ی تکینگی­‌های سیاه­‌چاله بود، گمان می­‌کرد که این پارادوکس ادعا می­‌کند مکانیک کوانتوم باید در سیاه­‌چاله ها در­هم­شکسته شود. وی مقاله­‌ای منتشر کرد که حاوی سخنی به­‌ یاد­ماندنی بود- که نقد اینشتین در مورد نظریه‌­ی کوانتوم که ” خدا تاس نمی­‌اندازد.” را منعکس می‌­کرد -که

نه تنها خدا تاس می­‌اندازد، بلکه او گاها تاس را جایی می‌­اندازد که قابل مشاهده نباشد.

با این حال در دهه‌­های بعد بسیاری از فیزیکدانان به این باور رسیدند که مکانیک کوانتومی مقدس است، و اطلاعات از­دست‌­رفته باید به نحوی به جهان بیرون بازگردانده شوند. این باور به ویژه در میان نظریه‌­پردازان ریسمان صادق است که تلاش آن­‌ها برای بنا­ کردن نظریه­‌ی کوانتومی گرانش، ریشه در قوانین استاندارد مکانیک کوانتومی دارد. پس از سال‌­ها تردید، سرانجام هاکینگ موافقت کرد. او اظهار داشت: هر چه وارد چاله می­شود، باید بیرون بیاید- به هر شکلی. اما چگونه؟ ‌

در غیاب یک نظریه‌­ی قانع کننده برای گرانش کوانتومی، محاسبات اولیه‌­ی هاکینگ “نیمه‌کلاسیک” بود. او از مکانیک کوانتومی در زمینه­‌هایی مانند الکترومغناطیس اطراف سیاه­‌چاله، نه در میدان گرانشی خود سیاه­چاله، استفاده کرد. توافق عمومی بر سر اینکه چنین تقریبی شکست خواهد خورد و اینکه اثرات گرانش کوانتومی باید در مقیاس پلانک (cm ۱۰-۳۳) وارد شوند، وجود دارد. این عدد از ترکیب ثابت پلانک که شدت اثرات کوانتومی را تعیین می‌کند، و ثابت گرانشی نیوتن، که قدرت گرانش را تعیین می‌کند، محاسبه می­‌شود. امید این بود که وقتی سیاه­‌چاله به این اندازه کوچک می­‌شود، اثرات جدیدی برای حل پارادوکس پدید می­‌آیند. اما همان­‌طور که دان پیج، همکار سابق پسادکتری هاکینگ، طی ایده‌­ای انقلابی در سال ۱۹۹۲ اشاره کرد، ما نمی‌­توانیم مسئله را زیر فرش مقیاس پلانک پنهان کنیم. دلیل آن هم در­هم­تنیدگی است؛ پدیده‌ا­ی کوانتومی که اینشتین آن را “کنشی شبح‌وار از راه دور” توصیف می­‌کند. این پدیده می­‌گوید که اگر یک جفت ذره، برای مثال فوتون­‌های نور، از خلاء کوانتومی تولید شوند، و در جهت مخالف به حرکت درآیند، آن‌ها در ویژگی‌هایشان بهم‌­پیوسته باقی می‌مانند. اندازه‌گیری‌های مستقل و همزمان بر روی این دو ذره این بهم­پیوستگی را آشکار می­‌کند.

در‌‌هم­تنیدگی پدیده‌ا­ی کوانتومی است که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته‌ ­است، چرا ­که مبنای طراحی کامپیوتر­های کوانتومی است. با توجه به تابش هاکینگ، جفت ذرات درهم­تنیده در نزدیکی یک سیاه­چاله تولید می‌­شوند درحالی که یکی از آن‌ها فرار می‌­کند و دیگری درون چاله سقوط می‌­کند. در­هم­تنیدگی آن‌ها به ارتباطی دقیق و مانا که به سرتاسر افق رویداد می­‌رسد، اشاره دارد.

در ترمودینامیک، فیزیکدان‌ها اطلاعات از­دست­‌رفته یا پنهان را بر حسب آنتروپی، معیار عمومی بی‌نظمی، اندازه‌­گیری می­‌کنند. وقتی اطلاعات کاهش می‌­یابد، آنتروپی افزایش می‌­یابد و برعکس. هر بار که یک جفت فوتون ایجاد می‌­شود و یکی­‌شان روی افق رویداد می‌لغزد، “آنتروپی درهم­تنیدگی” افزایش می­‌یابد. در آغاز اثر هاکینگ، آنتروپی درهم‌تنیدگی صفر است، اما همان‌طور که ذرات بیشتری تولید می‌­شوند و توسط افق از یکدیگر جدا می­‌شوند، بطور پایدار افزایش می­‌یابد.

پیچ فهمید که این افزایش توقف‌­ناپذیر باید محدودیتی داشته باشد. همان­‌طور که در ابتدا توسط یاکوب بکنشتاین در سال ۱۹۷۲ پیشنهاد شد، و توسط هاکینگ چند سال بعد تایید شد، آنتروپی یک سیاه‌­چاله متناسب با مساحت سطح آن است. همان­‌طور که سیاه‌­چاله تبخیر می‌شود، مساحت سطح آن کم می‌­شود و آنتروپی کل آن نیز کاهش می­‌یابد. بنابراین، آنتروپی درهم‌­تنیدگی افزایش می­‌یابد و آنتروپی کل کاهش، تا زمانی که در نیمه­‌ی فرآیند تبخیر، با یکدیگر برابر می‌­شوند.

در این نقطه چیزی تغییر می‌­کند. آنتروپی درهم­‌تنیدگی نمی­‌تواند بالاتر رود، اما همان‌طور که چاله در حال منقبض ­شدن است، با آنتروپی کل کاهش می‌­یابد. این از دست­ رفتن آنتروپی درهم­‌تنیدگی اشاره بر حضور اطلاعات دارد. اما کجا؟ به عنوان انحراف از تصادفی بودن در تابش هاکینگ؛ که می‌توان گفت یعنی همبستگی بین ذرات درون آن. این همبستگی‌­ها با گذشت زمان و همین­‌طور که سیاه­‌چاله کوچک می­‌شود تا به مرگ نهایی خود برسد، افزایش می‌­یابند.

بر اساس تحلیل‌­های پیج، درهم­تنیدگی اولیه بین جفت ذرات ورودی و خروجی در درهم‌تنیدگی میان ذرات خروجی آشکار می‌­شود. به خصوص میان ذراتی که در زمان‌­های ابتدایی و آن­‌هایی که در زمان­‌های بعدی ساطع می‌­شوند. در­هم­تنیدگی در فضا به درهم‌تنیدگی در زمان تبدیل می‌شود.

قابل توجه است که نقطه‌­ی برگشت زمانی رخ می‌­دهد که سیاه‌­چاله هنوز جسمی ماکروسکوپی و احتمالا عظیم است، و بسیار دور از ابعاد پلانک که در آن گرانش کوانتومی قابل صرف نظر نیست. به نظر می‌رسد ایجاد همبستگی در شار هاکینگ خروجی راه حل مناسبی برای پارادوکس اطلاعات باشد. اطلاعات داخل با اطلاعات خارج برابر است اما به دلیل پراکنده بودن در طول زمان، متواری می‌شود. اگر این درست باشد، برگشت‌پذیری قوانین فیزیک با فرآیند تبخیر سیاه­چاله حفظ می‌­شود.

همه‌­ی این­‌ها خوب و درست است، اما برای باورکردن این استدلال شما باید به این نتیجه برسید که در محاسبات اولیه­‌ی هاکینگ چیزی ناقص است که ادعا می­‌کند هیچ درهم‌تنیدگی یا اطلاعاتی در تشعشعات سیاه‌چاله وجود ندارد. و هیچ توافقی در مورد محل نقص وجود ندارد. تلاش‌­ها برای ارائه­‌ی پاسخ تا­کنون یا بر اساس موارد استثنا و ایده‌­آل بوده، و یا به پسرفت­‌های محاسباتی ریاضی تنزل پیدا کرده که تنها ارتباط ناچیزی با واقعیت دارد. آن­‌ها در بهترین حالت، شواهدی مشروط (و کاملا نظری) ارائه می­‌دهند که اطلاعات مربوط به موادی که وارد سیاه‌­چاله می‌­شوند، به شکلی دیگر در تابش هاکینگ ظاهر می‌­شوند.

یکی از این چنین ایده‌­هایی این است که درهم­تنیدگی میان جفت ذرات تولید­شده در نزدیکی افق رویداد سیاه­‌چاله قبل از سقوط درون چاله به نحوی ناپدید می‌­شوند. این انهدام درهم­تنیدگی مقدار زیادی انرژی آزاد می‌­کند که منجر به ایجاد سطحی بسیار ویرانگر و سوزان که به عنوان دیواره آتش که افق رویداد را احاطه کرده ­است شناخته­ می‌­شود. این دیواره آتش می‌­بایست اثرات آشکاری را خارج از سیاه‌­چاله ایجاد کند. در حالی که با اصل اساسی نسبیت عام که افق رویداد هیچ مشخصه‌­ی مکانی بخصوصی ندارد مغایرت دارد؛ به عبارتی افق رویداد فقط مرزی را مشخص می‌­کند که قدرت میدان گرانشی سیاه­‌چاله به قدری زیاد می­‌شود که نور نمی‌­تواند فرار کند. پیش­‌بینی دیوار آتش نیز نتیجه‌­ی بکارگیری روش بحث‌­برانگیز در­نظر­گرفتن ذرات به عنوان بسته­‌های متمرکز انرژی است. محاسبه‌­ی مستقیم چگالی انرژی کوانتومی اطراف سیاه‌­چاله که نخستین بار در سال ۱۹۷۰ انجام شد، نشان می­‌دهد که در افق رویداد چگالی پیوسته و هموار است.

برخی از فیزیکدانان نظری بر این باورند که تنها یک نظریه گرانش کوانتومی جامع و کامل می­‌تواند راه حلی برای این پارادوکس باشد. چنین نظریه­‌ای احتمالا شامل اثرات شدید تابش فضا، و همچنین ویژگی­‌ای است که به عنوان تغییر توپولوژی شناخته می‌­شود. در دهه ۱۹۵۰، جان ویلر اشاره کرد که در ابعاد پلانک، نوسانات کوانتومی خلاء چنان قدرتمند خواهند بود که فضا-زمان را به صورت ساختاری فوم‌­مانند خم خواهد کرد- چشم­‌اندازی از کرم­چاله ها و پل­‌هایی که فضاهای مختلف را به­ هم متصل می‌­کند. ویلر گمان می­‌کرد به جای یک تکینگی نقطه‌­ای در مرکز سیاه­چاله، باید حبابی از فوم وجود­ داشته باشد. تغییر توپولوژی هم‌چنین ممکن است نوعی تونل یا کرم­‌چاله ایجاد کند که درون سیاه‌چاله را به جهانی دیگر یا فضایی به دور از جهان خودمان متصل کند؛ ایده‌­ای که توسط ویلر پیشنهاد شد و توسط چند تن دیگر مورد حمایت قرار گرفت.

حقیقت تلخ

اگر این­‌چنین بود، شما می‌­توانستید درون یک سیاه­‌چاله سقوط کنید و در فضایی کاملا متفاوت بیرون بیایید. پس نیازی به پارادوکس اطلاعات نمی‌­بود. اطلاعات مربوط به ماده‌­ی در حال فروپاشی می­‌توانست به سادگی از سوراخ چاله عبور کند و در فضایی دیگر به حیات خود ادامه دهد. تا زمانی که ما انسان­‌ها در ناحیه‌­ی فضا-زمان خودمان محدود هستیم، اطلاعات از بین رفته است، اما اگر از چشمان خدا نگاه کنیم، اطلاعات محفوظ می‌­مانند.

احتمال اینکه کرم­‌چاله ها ممکن است مرکز سیاه‌­چاله ها را به جهانی متفاوت از فضا-زمان ما خارج از چاله متصل کنند، در حالی که اجازه می‌دهد تا اطلاعات به طور ناگهانی به بیرون نشت کنند، اساس ادعاهای اخیر مبنی بر نزدیک شدن پارادوکس اطلاعات سیاه­چاله به راه حل است. اما این محاسبات، همان­‌طور که اغلب اتفاق می­‌افتد، بر مشابهت­‌هایی بسیار ایده‌­آل از سیاه­چاله های واقعی تکیه دارند و شامل فرض­‌های ساده‌کننده هستند؛ بنابراین مشخص نیست که آن­‌ها واقعا چقدر مرتبط هستند.

نگرانی جامع‌تری نیز درباره‌ی کاربرد غیرقابل نقد مکانیک کوانتومی در فرآیند تبخیر سیاه‌چاله وجود دارد. بر اساس محاسبات، فرض بر این است که سیاه چاله و محصولات آن سیستمی ایزوله می‌سازند، که امری واضحا غیر واقعی است. جدا از اثرات اختلالی بقیه­‌ی جهان، سوالی اساسی در مورد منظور ما از اطلاعات وجود دارد. برای استخراج اطلاعات از یک سیستم کوانتومی، باید یک سیستم خارجی برای اندازه‌گیری به کار گرفته شود. خود عمل اندازه‌گیری، تقارن زمانی مکانیک کوانتومی را طی فرآیندی که گاها فروپاشی تابع موج نامیده می­‌شود، می­‌شکند. بنابراین اگر اطلاعات به عنوان چیزی در نظر گرفته می­‌شود که از اندازه‌گیری تابش هاکینگ بدست آید، دکمه‌­ی بازگشت به محض اینکه اندازه­‌گیری انجام شود، از بین می­‌رود.

پارادوکس اطلاعات سیاه­‌چاله یک حقیقت ناخوشایند در قلب فیزیک است، با این حال انواع مختلفی از تحقیقات نظری را به خود جلب کرده­‌ است که مرزهای مسئله را در جهت‌­های مهم و نوین سوق داده ­است. هنگامی که هاکینگ دست­‌آورد تبخیر سیاه‌چاله خود را اعلام کرد، بین مکانیک کوانتومی، گرانش و ترمودینامیک ارتباط برقرار کرد. این مطمئناً سرنخ مهمی است و نشان می‌­دهد که راه حل پارادوکس – که بدون شک در جایی وجود دارد- در انقلابی نهفته ­است که درک ما را از هر سه آن عناصر متحد می­‌کند. با این حال، تقریباً پس از نیم قرن، ما هنوز منتظر آن انقلاب هستیم. ممکن است استیون هاکینگ دیگری برای شروع آن نیاز باشد!

4.3/5 - (6 امتیاز)
به اشتراک بگذارید
منبع New Scientist, 22 September 2021
ممکن است شما دوست داشته باشید
1 نظر
  1. کاربر می گوید

    ترجمه عالی

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

go2top