اطلاعات قفل شده در سیاهچاله ها به یاری امواج گرانشی قابل تشخیص است - مجله رویای کره ای

سیاهچاله ها اجرام آسمانی با گرانش بسیار عظیمی هستند که پس از گذر از افق رویداد، حتی نور نیز نمی تواند از چنگال آنها فرار کند. افق رویداد سیاهچاله ها رازهایی را در خود دارند که می تواند درک ما از فیزیک را کاملاً متحول کند.

برای دهه ها دانشمندان تصور می کردند که هر اطلاعاتی که در سیاهچاله ها قراربگیرد ممکن است برای همواره از بین برود. اما پژوهش های تازه نشان می دهد که موج در فضا-زمان، یا امواج گرانشی، شاید بتواند نشانه هایی ضعیف از این اطلاعات را با خود حمل کند و با آشکارسازی این موهای صاف روی سطح سیاه چاله، اطلاعات قابل شناسایی خواهند بود.

نظریه سیاهچاله بدون مو

تا جایی که سیاهچاله ها را می شناسیم، که البته این شناخت زیاد نیست، به طرز عجیبی ساده هستند. صرف نظر از آنچه به درون خود می کشند اعم از ستاره ها یا ابرهای گرد و غبار، این اجرام را می توان با سه عدد ساده توصیف کرد: بار الکتریکی، جرم و چرخش. این موضوع به نظریه بدون مو معروف است.

این بدان معنی است که اگر دو سیاهچاله با جرم یکسان، بار الکتریکی یکسان و سرعت چرخش یکسان داشته باشیم، نمی توان آنها را از یکدیگر تشخیص داد. این پرسش ایجاد می گردد که پس چیزهایی که سیاهچاله به درون خود می کشد چه می شوند؟ نابود شده اند؟ پشت افق رویداد گم شده اند؟ یا در بخشی غیر قابل دسترسی از دنیا گیر نموده اند؟

ساده ترین راهکار این موضوع نظریه ای است که برای نخستین بار توسط فیزیکدان آمریکایی، جان ویلر (John Wheeler) ارائه شد: سیاهچاله ها مو ندارند. یعنی هیچ اطلاعات اضافی درون یا روی سطح سیاهچاله ها رمزگذاری نشده است. فقط جرم، بار الکتریکی و چرخش، معین نماینده آنهاست. همه چیزهای دیگر به نوعی پشت افق رویداد نابود می شوند و برای همواره از دسترس بقیه نقاط دنیا قفل می شوند.

تناقض اطلاعات

اما در سال 1974 (1353 خورشیدی) استیون هاوکینگ نظریه ای انقلابی ارائه داد: سیاهچاله ها جاروبرقی کیهانی گریزناپذیر نیستند، بلکه ذرات زیراتمی می توانند به وسیله یک فرآیند کوانتومی عجیب از سیاهچاله ها فرار نمایند که منجر به انتشار تابش از سطح آنها می گردد.

با گذشت زمان تابش هاوکینگ باعث می گردد که سیاهچاله ها به آرامی، انرژی (و در نتیجه جرم) از دست بدهند. انتها پس از سال ها کاهش تدریجی، سیاهچاله کاملاً تبخیر می گردد. در این شرح، همه چیز روشن است به جز نظریه بدون مو. اگر سیاهچاله ها بتوانند تبخیر شوند، اطلاعاتی که جذب آنها شده چه می گردد؟

تا جایی که می دانیم تابش هاوکینگ اطلاعاتی را با خود حمل نمی نماید. و ما واقعا فکر نمی کنیم که بتوان در این دنیا اطلاعات را ایجاد یا نابود کرد (این کار یقیناً امکان پذیر است اما موجب تضعیف فیزیک شناخته شده می گردد، زیرا با مشاهدات و آزمایش ها در تناقض است).

بنابراین یک تناقض اطلاعات در سیاهچاله خواهیم داشت. اطلاعات وارد سیاهچاله می گردد، سیاهچاله به تدریج ناپدید می گردد و تعیین نیست که برای اطلاعات چه اتفاقی می افتد. برای برطرف این تناقض یا باید آنچه را درباره سیاهچاله ها می دانیم، یا آنچه درباره تابش هاوکینگ می دانیم و یا هر دو را اصلاح کنیم.

شاید اطلاعات در اعماق سیاهچاله نزدیک به تکینگی قفل گردد و فرآیند تبخیر درست پیش از آن متوقف شده و یک گلوله کوچک پر از اطلاعات را پشت خود بر جای بگذارد.

شاید سیاهچاله ها کاملاً بی مو نباشند (اطلاعات قابل شناسایی دیگری نیز داشته باشند). شاید هر اطلاعاتی را که به سطح آنها افتاده است، در چیزی به نام افق کشیده شده (Stretched Horizon) دربر بگیرند. سطحی که درست بالای افق رویداد و شامل اطلاعات مکانیک کوانتومی است.

به این ترتیب همان طور که سیاهچاله ناپدید می گردد، تابش هاوکینگ اطلاعات موجود در افق کشیده شده را با خود حمل می نماید. چنین حالتی تناقض اطلاعات در سیاهچاله را حل می نماید و واقعیت را آن طور که می شناسیم شرح می دهد. این ایده عالی است اما چگونه باید آن را آزمایش کرد؟

یک مطالعه تازه که 22 ژوئن (2 تیر) منتشر شده (اما هنوز مورد بازبینی دقیق قرار نگرفته است) روشی را برای یافتن رشته های ابریشمی پیشنهاد می نماید: تشخیص امواج گرانشی.

زمانی که سیاهچاله ها ادغام می شوند، در سراسر کیهان امواج گرانشی منتشر می نمایند. با وجود انرژی باورنکردنی این برخوردها، امواج گرانشی حاصل از این شکست های کیهانی، فوق العاده ضعیف است. زمانی که این امواج به زمین می رسند، حتی به سختی قادر به جابه جایی تک اتم هاست.

اما پروژه لایگو (LIGO) که رصدخانه امواج گرانشی با تداخل سنج لیزری (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) است، می تواند این حرکت های ظریف را به وسیله تغییرات کوچک در مدت زمانی که طول می کشد تا نور از آشکارسازهای دور حرکت کند، تشخیص دهد.

لایگو ده ها برخورد احتمالی سیاهچاله ها را در سراسر دنیا ثبت نموده است که حتی منجر به دریافت جایزه نوبل 2017 شد. تا کنون این مشاهدات با نظریه بدون مو مطابقت دارد و حاکی از آن است که هیچ اطلاعات اضافی روی سطح سیاهچاله ها رمزگذاری نشده است.

معمای اساسی فیزیک مدرن

اما هنوز یک فرصت وجود دارد. ممکن است روی سیاهچاله ها موهایی ظریف (نشانه های ضعیف اطلاعات) وجود داشته باشد. فقط میزان اندکی اطلاعات که به گونه ای ساختار یافته اند که تشخیص آنها سخت است.

البته که فیزیکدانان می خواهند این ایده را آزمایش نمایند زیرا اگر بتوانیم نشان دهیم که سیاهچاله ها اطلاعات اضافی دارند، نه تنها یک معمای اصلی در فیزیک مدرن را حل می کنیم بلکه احتمالاً راه را برای درک بهتر گرانش کوانتومی هموار می کنیم. نظریه ای که نسبیت عام را که در مقیاس های عظیم دنیا حاکم است، با مکانیک کوانتوم که فیزیک را در کوچک ترین مقیاس ها توصیف می نماید، تطبیق می دهد.

اکنون کار سختی پیش روی علم است: پیوند دادن این ایده های دقیق با مشاهدات واقعی. مقاله مطرح شده، راهی برای یافتن این موهای ظریف ارائه می دهد.

نویسندگان مقاله جدید لارنس کرول (Lawrence Crowell) از موسسه مطالعات پیشرفته بوداپست، مجارستان و کریستین کوردا (Christian Corda) فیزیکدان دانشگاه استانبول، کشف نموده اند که طی فرآیند ادغام سیاهچاله ها، این موهای ظریف و ساکت، می توانند برانگیخته شوند. در این حالت پرانرژی، این موها (اطلاعات بسیار ضعیف) با تابش گرانشی خروجی در هم می آمیزند و امواج گرانشی را به گونه ای بسیار ظریف تغییر می دهند.

این تغییرات در امواج گرانشی، هنوز قابل تشخیص نیست اما نساخه های آینده لایگو (LIGO) ممکن است حساسیت لازم برای انجام آن را داشته باشد و در نهایت شاید بتوان تشخیص داد که سیاهچاله ها اطلاعات دیگری دارند یا خیر.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله

Credit: Shutterstock

منبع: Space