سیاهچاله‌ها چه رنگی هستند؟

مجله علمي ايلياد/ فيزيکدان و کيهان‌شناس «استيون هاوکينگ» به پاس تلاش‌هايش در زمينه‌ي بررسي رابطه‌ي ميان سياهچاله‌ها و فيزيک کوانتومي، شهرت داشت. سياهچاله، بقاياي يک ستاره‌ي غول‌پيکر در حال مرگ است. اين بقايا به قدري کوچک و منقبض مي‌شوند و جاذبه‌اي شگرف پيدا مي‌کنند که حتي نور هم توان گريز از آن‌ها را ندارد. سياهچاله‌ها در ديدگاه عموم مردم، خيلي بزرگ جلوه داده مي‌شوند؛ دانش‌آموزان هم مي‌پرسند چرا کل جهان در يک سياهچاله فرو نمي‌پاشد. اما کارهاي نظري دقيق هاوکينگ، برخي از خلاهاي موجود در دانش فيزيک را درباره‌ي سياهچاله‌ها پُر کرد. سياهچاله‌ها چرا وجود دارند؟ جواب کوتاه اين است؛ چون گرانش وجود دارد و سرعت نور نامتناهي نيست. فرض کنيد روي سطح زمين ايستاده‌ايد و گلوله‌اي استاندارد را در زاويه‌اي به فضا شليک کنيد. گلوله به پايين باز خواهد گشت؛ احتمالاً در جايي دور دست. فرض کنيد اسلحه‌ي بسيار قدرتمندي داريد و مي‌توانيد گلوله‌اي را با چنان سرعتي شليک کنيد که اين گلوله به زمين بازنگردد. اين گلوله همواره در مداري پيرامون زمين خواهد بود. اگر اسلحه‌تان حتي قوي‌تر باشد، گلوله آن‌قدر سريع خواهد بود که گرانش زمين را نيز ترک کند. براي مثال، اين اتفاق زماني مي‌افتد که ما به مريخ موشک مي‌فرستيم. حالا فرض کنيد گرانش خيلي خيلي قوي‌تر است. هيچ اسلحه‌اي نمي‌تواند گلوله‌اي را به قدر کافي شتاب دهد تا زمين را ترک کند؛ به جاي آن تصميم مي‌گيريد نور را شليک کنيد. اگرچه فوتون‌ها فاقد جرم هستند، اما تحت تاثير گرانش قرار مي‌گيرند. حتي سنگين‌ترين سياره‌ها جاذبه‌اي که بتواند مسير فوتون‌ها را براي جلوگيري از گريز آن منحرف کند، نخواهند داشت. اما سياهچاله‌ها مانند سياره‌ها يا ستاره‌ها نيستند؛ بلکه بقاياي ستاره‌ها هستند و شعاع‌شان به چند کيلومتر مي‌رسد. فرض کنيد مي‌توانيد در سطح يک سياهچاله بايستيد و به يک اسلحه‌ي پرتوافکن مجهز باشيد. شما در زاويه‌اي به سمت بالا شليک مي‌کنيد و متوجه مي‌شويد که پرتوي نور به سمت پايين آمده و به سطح برخورد نمي‌کند. حالا پرتو در مداري پيرامون سياهچاله قرار دارد و کيهان‌شناسان آن‌را «شعاع شوارتزشيلد» يا نقطه‌ي عدم بازگشت نام‌گذاري کرده‌اند. چون حتي نور هم نمي‌تواند از آن نقطه‌اي که شما در آن ايستاده‌ايد، فرار کند. اين جرم براي کسي که از دور به آن نگاه مي‌کند، کاملاً سياه به نظر خواهد رسيد. اما هاوکينگ دريافت که سياهچاله‌ها کاملاً سياه نيستند. من در توضيح قبلي‌ام در خصوص سياهچاله‌ها از زبان فيزيک کلاسيک استفاده کردم. اما قوانين فيزيک بسيار پيچيده هستند، زيرا جهان پيچيده‌تر است. در فيزيک کلاسيک، واژه‌ي «خلاء» به معناي نبود کامل هر گونه ماده يا تابش است. اما در فيزيک کوانتومي، خلاء بسيار جالب است، به ويژه زماني که نزديک يک سياهچاله باشد. خلاء به جاي اينکه خالي باشد، مملو از جفت ذره و پادذره است که در اثر انرژي خلاء ايجاد مي‌شوند. اما بايد مدتي بعد يکديگر را نابود کرده و انرژي خود را به خلاء بازگردانند. آثاري از انواع جفت ذره و پادذره توليد شده، قابل يافتن است، اما جفت‌هاي سنگين‌تر به ندرت روي مي‌دهند. ايجاد جفت فوتون کار ساده‌اي است، زيرا فاقد جرم‌ هستند. فوتون‌ها بايد همواره به صورت جفت ايجاد شوند تا از يکديگر دور شده و قانون پايستگي گشتاور نقض نشود. حالا تصور کنيد يک جفت در فاصله‌اي از مرکز سياهچاله ايجاد مي‌شود که در آن نقطه، پرتوي نور گردش مي‌کند. اين فاصله مي‌تواند بسته به ميزان جرمي که سياهچاله دارد، دور از سطح يا نزديک به آن باشد. همچنين فرض کنيد، جفت فوتون هم ايجاد مي‌شود تا يکي از آن دو به سمت درون هدايت شود، يعني به سمت شما در مرکز سياهچاله؛ جايي که اسلحه‌ي پرتوي خود را در دست گرفته‌ايد. فوتون ديگر روانه‌ي بيرون مي‌شود. حالا يک مشکل وجود دارد؛ فوتوني که به سمت درون سياهچاله حرکت کرده است، نمي‌تواند بيرون بيايد، چرا که با سرعت نور حرکت مي‌کند. جفت فوتون نمي‌توانند دوباره همديگر را به نابودي بکشانند و انرژي خود را در اختيار خلاء قرار بدهند. پس از اينکه سياهچاله فوتون را به نقطه‌ي عدم بازگشت خود راه داد، بايد مقداري از جرم آن‌را به جهان ببخشد. هاوکينگ اين پروسه را به صورت رياضي نشان داد. فوتوني که افق رويداد را ترک مي‌کند، باعث خواهد شد سياهچاله طوري به نظر برسد گويي درخشش ناچيزي داشته است. اينجا است که تابش هاوکينگ خودنمايي مي‌کند. در ضمن، هاوکينگ اين استدلال را به پيش کشيد که اگر اين روند به دفعات زيادي روي بدهد، سياهچاله تا حدي جرمش را از دست مي‌دهد که مي‌تواند، ناپديد شود. آيا سياهچاله‌ها باعث مي‌شوند اطلاعات براي هميشه از بين برود؟ پاسخ کوتاه؛ خير. اين مي‌تواند مغاير با قانون باشد. پس از اکتشاف تابش هاوکينگ، عده‌ي کثيري از فيزيکدانان با عمق بيشتري به سوال فوق پرداختند. اين نگراني وجود دارد، قوانين اساسي فيزيک تضمين مي‌کنند که هر فرآيندي که در روندِ رو به جلوي زمان روي مي‌دهد، مي‌تواند به‌طور برعکس هم اتفاق بيافتد. جفت پروتوني که يکديگر را نابود مي‌کنند، را «الف» در نظر بگيريد. در جفت ديگري از فوتون‌هاِ موسوم به جفت «ب»، يکي وارد سياهچاله شده و ديگري به سمت بيرون روانه مي‌شود. اين مساله، با استدلال ما سازگاري ندارد؛ به طوري که هندوانه پخش شده روي کف هرگز به‌طور سحرآميز مجدداً اجزايش را کنار هم جمع نمي‌کند. اما اتفاقي بر سر اشياي بزرگي نظير هندوانه مي‌افتد، تحت تاثير قوانين آمار قرار دارد. براي اينکه هندوانه مجدداً اجزاي خود را باز بچيند، چندين گازيليون ذره‌ي اتمي بايد همان کار را در روند رو به عقب در زمان، انجام دهند و احتمال وقوع آن صفر است. اما اين کار در مورد يک ذره بدون هيچ مشکلي روي مي‌دهد. حالا فرض کنيد يکي از دو فوتون را به درون سياهچاله شليک مي کنيد. بگذاريد اين‌ها را فوتون‌هاي چپ و فوتون‌هاي راست نام‌گذاري کنيم. پس از گذر فوتون چپ يا راست از افق رويداد، سياهچاله تغيير مي‌کند؛ چه فوتون راست جذب شود چه فوتون چپ، سياهچاله به شيوه‌ي يکساني تغيير مي‌کند. اکنون دو تاريخ متفاوت به يک آينده تبديل شده‌اند و چنين آينده‌اي نمي‌تواند معکوس گردد. قوانين فيزيک از کجا مي‌دانند که کدام يک از دو گذشته را بايد انتخاب کنند؟ چپ يا راست؟ تابش هاوکينگ ربطي به چيزي که به درون سياهچاله انداخته مي‌شود، ندارد. در سال ۱۹۱۷، «آلبرت اينشتين» نشان داد که ماده به چيزهاي ورودي واکنش نشان مي‌دهد. خلاء کنار آن ماده، دچار تحرک نسبي مي‌شود تا يک جفت ماده و پادماده ايجاد کند؛ اين جفت نسخه‌اي مشابه از ماده‌ي ورودي است. به ياد داشته باشيد که جفت‌هاي تصادفي ذره و پادذره همواره در خلاء ايجاد مي‌شوند. اين فرايند کپي با عنوان اثر «انتشار برانگيخته» شناخته مي‌شود و منشا همه‌ي ليزرها به شمار مي‌رود. درخشش هاوکينگ سياهچاله‌ها را همان چيزي است که اينشتين اثر «انتشار خودبه‌خودي» نام‌گذاري کرده بود که در نزديک سياهچاله روي مي‌دهد. ما را در کانال «آخرين خبر» دنبال کنيد