اگر فضانوردي به سياه‌چاله شيرجه بزند...؟!

در ماهِ مارچِ 2012، ژوزف پولشينسکي، در انديشه‌ي يک خودکشي رياضي افتاد. او که فيزيکداني در شاخه‌ي نظريه‌ي ريسمان در موسسه‌ فيزيکِ نظري کاولي (Kavli) در سانتابارباراي کاليفرنياست، در اين انديشه فرو رفت که اگر فضانوردي به درونِ يک سياه‌چاله شيرجه بزند براي او چه رخ خواهد داد؟ آشکارا پيداست که او خواهد مُرد، اما چگونه؟

بنابر توجيه پذيرفته‌شده، فضانورد در ابتدا چيزي احساس نخواهد کرد، حتي هنگامي که در حالِ گذر از افقِ روي‌دادِ سياه‌چاله است.افقِ روي‌دادِ سياه‌چاله، مرزي نامرئي‌ است که هيچ چيز از پشتِ آن نمي‌تواند به بيرونِ سياه‌چاله بگريزد؛ اما پس از گذرِ چندين ساعت، روز و يا هفته، اگر سياه‌چاله به اندازه‌ي کافي بزرگ باشد، فضانورد در خواهد يافت که نيروي گرانشي که به پاهاي او وارد مي‌شود بيش از نيرويي‌ است که به سرش وارد مي‌شود.

هم‌چنان که شيرجه‌ي فضانورد او را بي‌امان به سمتِ مرکزِ سياه‌چاله مي‌کشاند، اين اختلافِ نيروي گرانشي افزايش يافته و پيکرِ او را از هم خواهد دريد و سپس بقاياي او در هسته‌ي بي‌نهايت‌چگالِ سياه‌چاله خورد خواهد شد.اما محاسباتِ پولشينسکي که به همراهِ دو تن از دانشجويانش –احمد المري و جيمز سالي- و با همکاري يک نظريه‌پردازِ ديگر در شاخه‌ي ريسمان به نامِ دونالد مارولف از دانشگاهِ کاليفرنيا در سانتاباربارا انجام شده است، داستانِ ديگري را بازگو مي‌کند.بنابر محاسباتِ وي، اثراتِ کوانتومي سبب مي‌شوند که افقِ روي‌دادِ سياه‌چاله به گردبادي خروشان از ذرات تبديل شود.

هرکس که به سوي افقِ روي‌دادِ يک سياه‌چاله سقوط کند، به ديواري آتشين رسيده و در يک چشم‌به‌هم‌زدن، بِرِشته خواهد شد.ادعاي اين گروه در جولاي 2012 منتشر شد و جامعه‌ي فيزيک را شگفت‌زده کرد. وجودِ چنين ديوارِ آتشيني يکي از اصولِ بنيادينِ فيزيک را که نزديک به يک قرنِ پيش توسطِ آلبرت اينشتين پايه‌گذاري شده بود، زيرِ پا مي‌گذارد.

اين اصل که اينشتين آن را بنياني براي نظريه‌ي گرانشي نسبيتِ عامِ خود قرار داد با نامِ «اصلِ هم‌ارزي» شناخته مي‌شود. اين اصل بيان مي‌کند که ناظري که به درونِ يک ميدانِ گرانشي سقوط مي‌کند (حتي اگر اين ميدانِ گرانشي به اندازه‌ي ميدانِ درونِ يک سياه‌چاله نيرومند باشد)، پديده‌ها را دقيقاً همانندِ ناظري مي‌بيند که در فضايي تهي غوطه‌ور است. بدونِ اين اصل، چارچوبي که اينشتين در نظريه‌ي خود بنا کرد فرو خواهد ريخت.پولشينسکي و هم‌کارانش که به خوبي از پيامدهاي ادعاي خود آگاه بودند، طرحِ جايگزيني پيشنهاد کردند که به ايجادِ ديوارهاي آتشين منجر نمي‌شد؛ اما اين راهِ حل نيز هزينه‌ي گزافي در پي داشت.

 اين‌بار فيزيک‌دانان بايد از فروريختنِ يکي ديگر از پايه‌ي دانشِ خود رنج مي‌کشيدند: مکانيکِ کوانتومي، نظريه‌اي که بر برهم‌کنش‌هاي ميانِ ذراتِ زيراتمي حاکم است.پيامدِ اين ادعا، توفانِ پر جوش‌وخروشي از مقاله‌هاي پژوهشي درباره‌ي «ديوارِ آتشين» بود که هريک در تلاش براي رهايي از اين بن‌بست بودند، اما در پايان هيچ‌يک از اين تلاش‌ها نتوانست خشنودي همگان را در پي داشته باشد.

استيو گيدينگز فيزيکداني در شاخه‌ي مکانيکِ کوانتومي در UCSB اين شرايط را چنين توصيف مي‌کند: «نقطه‌ي عطفي در زمينه‌هاي بنيادينِ فيزيک که شايد براي حل‌شدن، نيازمندِ يک انقلاب باشد».به نوشته تارنماي انجمن فيزيک، متخصصانِ سياه‌چاله در حالي‌که همه‌ اين انديشه‌ها را در سر داشتند، ماهِ گذشته در سِرن (آزمايشگاهِ فيزيکِ ذراتِ اروپا که در نزديکي ژنو در سوئيس قرار دارد) گردِ هم آمدند تا به طورِ رودررو درباره‌ي اين موضوع با يک‌ديگر گفت‌وگو کنند. آن‌ها اميدوار بودند که مسيري به سوي يک نظريه‌ي گرانشِ کوانتومي وحدت‌يافته بيابند که همه‌ي نيروهاي بنيادينِ طبيعت را زيرِ يک چتر گِرد آورد، اين همان آرماني‌ است که در طولِ دهه‌هاي گذشته، همواره از دسترسِ فيزيک‌دانان به دور مانده است.

رافايل بوييسا که فيزيک‌داني نظري در شاخه‌ي ريسمان و از دانشگاهِ برکلي کاليفرنياست، سخنراني خود در نشستِ سرن را با اين جمله آغاز کرد: «ايده‌ي ديوارِ آتشين، پايه‌ي باورهاي بسياري از ما در موردِ سياه‌چاله‌ها را به لرزه انداخت. اين ايده دو نظريه‌ي مکانيکِ کوانتومي و نسبيتِ عام را رودرروي يکديگر قرار مي‌دهد، بي آن‌که هيچ سرنخي به دستِ ما دهد که در گامِ بعدي بايد به کدام سو رفت».

سرچشمه‌هاي آتشين
ريشه‌هاي ايده‌ي ديوارِ آتشين که نقطه‌ي عطفي در فيزيکِ سياه‌چاله‌هاست به سالِ 1974 باز مي‌گردد، هنگامي که استيون هاوکينگ از دانشگاهِ کمبريجِ انگلستان نشان داد که اثراتِ کوانتومي سبب مي‌شود که بتوان به سياه‌چاله‌ها دما نسبت داد. سياه‌چاله‌هاي منزوي به آرامي و به صورتِ فوتون و ذراتِ ديگر، از خود تابشِ گرمايي گسيل مي‌کنند و به اين ترتيب اندک‌اندک جرمِ خود را از دست مي‌دهند تا جايي که به طورِ کامل تبخير شوند.

گرچه اين ذراتِ گسيلي نيستند که ديوارِ آتشين را مي‌سازند چراکه ريزه‌کاري‌هاي نظريه‌ي نسبيت هم‌چنان تضمين مي‌کند که فضانوردي که در حالِ سقوط به افقِ روي‌دادِ سياه‌چاله است، متوجهِ اين تابش نمي‌شود. با اين‌حال نتايجِ هاوکينگ هم‌چنان تکان‌دهنده بود چراکه معادلاتِ نسبيتِ عام پيش‌بيني مي‌کند که سياه‌چاله‌ها تنها مي‌توانند اجرامِ ديگر را در کامِ خود فرو برده و بزرگ و بزرگ‌تر شوند، نه آن‌که تبخير شوند.

استدلالِ هاوکينگ اساساً به اين مشاهده منجر مي‌شود که در گستره‌ي مکانيکِ کوانتومي، فضاي تهي واقعاً تهي نيست. در مقياسِ ميکروسکوپي هياهويي برپاست، جفتِ ذره-پادذره به طورِ پي‌درپي به وجود آمده و سپس به طورِ ناگهاني بازترکيب شده و نابود مي‌شوند.

تنها در آزمايشگاه‌هاي بسيار حساس است که پيامدهاي چنين هياهوي ميکروسکوپيکي، مشاهده‌پذير است. هاوکينگ دريافت هنگامي که يک زوجِ ذره-پادذره درست بيرونِ افقِ روي‌دادِ يک سياه‌چاله پديد بيايند اين امکان وجود دارد که پيش از بازترکيب، يکي از اين ذرات به درونِ سياه‌چاله افتاده، ذره‌ي ديگر از چنگِ سياه‌چاله نجات يافته و به صورتِ تابش، به بيرون از سياه‌چاله بگريزد. انرژي ذره‌ي گريخته از سياه‌چاله مثبت است، در حالي‌که انرژي ذره‌اي که به دام سياه‌چاله مي‌افتد منفي‌ست و به اين ترتيب انرژي گريخته از سياه‌چاله خنثي مي‌شود (بنابر قانونِ پايستگي انرژي، انرژي کل در فرآيندِ توليد و نابودي زوج، صفر است چراکه زوجِ ذره-پادذره در خلا آفريده و سپس نابود مي‌شوند.

اين به اين معناست که از زوجِ آفريده شده، يکي از دو ذره داراي انرژي مثبت و ذره‌ي ديگر داراي همان‌مقدار انرژي منفي‌ست. ذره‌اي که داراي انرژي مثبت است مي‌تواند از سياه‌چاله بگريزد اما ذره‌ي داراي انرژي منفي به دامِ سياه‌چاله مي‌افتد. به اين ترتيب انرژي جهانِ بيرون از سياه‌چاله اندکي افزايش يافته و انرژي درونِ سياه‌چاله، اندکي کاهش مي‌يابد اما هم‌چنان انرژي سامانه‌ي کل که شاملِ جهانِ بيرون از سياه‌چاله و خودِ سياه‌چاله است، بدونِ تغيير باقي مي‌ماند).تحليلي که نخستين‌بار توسط هاوکينگ بيان شده تا به امروز توسطِ پژوهش‌گرانِ بسياري دوباره به دست آمده و گسترش يافته است و نتايجي که وي به دست آورده امروزه تقريباً از سوي فيزيک‌دانانِ سراسرِ دنيا پذيرفته شده است.

اما اين نتايج اين ايده‌ي ويران‌گر را نيز به همراهِ خود آورد که تابشِ سياه‌چاله‌ها به پارادوکسي مي‌انجامد که نظريه‌ي مکانيکِ کوانتومي را به چالش مي‌کشد.بنابر قواعدِ مکانيکِ کوانتومي، اطلاعات نابود نمي‌شود. در اصل بايد بتوان به کمکِ اندازه‌گيري حالتِ کوانتومي تابشي که از سياه‌چاله گسيل مي‌شود، داده‌هاي مربوط به اجسامي که به درونِ سياه‌چاله افتاده‌اند را بازيابي کرد. اما هاوکينگ نشان داد که اين کار چندان هم ساده نيست چون تابشي که از سياه‌چاله گسيل مي‌شود تصادفي‌ست. هيچ تفاوتي ندارد که سياه‌چاله يک کيلوگرم سنگ را ببلعد يا يک کيلوگرم تراشه‌ي کامپيوتري را، نتيجه کاملاً يکسان است.

حتي اگر تا هنگامِ مرگِ يک سياه‌چاله آن را رصد کنيم باز هم هيچ راهي وجود ندارد که دريابيم چگونه تشکيل شده و يا چه چيزهايي به درونِ آن افتاده‌اند.اين مسئله که «پارادوکسِ اطلاعاتِ سياه‌چاله» ناميده مي‌شود فيزيک‌دانان را به دو جبهه تقسيم کرده است. برخي مانندِ هاوکينگ بر اين باورند که پس از مرگِ سياه‌چاله، اطلاعات نيز نابود مي‌شود. اين گروه هم‌چنين معتقدند که اگر باورِ آن‌ها درباره‌ي نابودشدنِ اطلاعات، قوانينِ مکانيکِ کوانتومي را زير پا مي‌گذارد بايد به دنبالِ قوانين بهتري (براي مکانيکِ کوانتومي) بود.

اما برخي ديگر هم‌چنان به مکانيکِ کوانتومي وفادارند.تنها ديدگاهِ مشترکي که تاکنون به دست آمده آن است که اين مسئله به اين زودي‌ها برطرف نخواهد شد.