سیاهچاله‌ها می‌توانند کوچک و تبخیر شوند

ایران اکازیون:استیون هاوکینگ که چندی پیش چشم از جهان فرو بست، دانشمندی بسیار الهام‌بخش و تاثیرگذار بود. علی رغم بیماری نورون عصبی جدی که داشت و او را زمین گیر کرده بود، هاوکینگ شهرتی نادر در حوزه علم و نگرش عمومی بدست آورده بود.

به گزارش بیگ بنگ، مدتی کوتاه پس از شنیدن خبر مرگ وی، من به چندی از فیزیکدانان و اخترشناسان برجسته ایمیل زدم و پرسیدم: «به نظر شما بزرگترین میراث هاوکینگ چیست؟» تقریبا همه آنها به کتاب مشهور وی یعنی «تاریخچه مختصر زمان» اشاره کردند. اما پاسخ متداول بعدی این پدیده اخترشناسی بود که نامش را هم یدک می کشد: «تابش هاوکینگ». این پدیده توضیح می دهد که سیاهچاله‌ها چگونه جرم از دست می دهند و کشف این نکته می تواند بزرگترین دستاورد علمی او قلمداد گردد. اما به مانند بسیاری از بهترین اکتشافات در علم، این کشف هم سوالات بزرگی را در خصوص جهان و چگونگی کارکرد آن به دنبال داشته است.

اکتشاف آقای هاوکینگ با سوالی که ساده به نظر می رسید، رقم خورد: آیا سیاهچاله‌ها گرمایی ساطع می کنند؟ او قبلا مشخص کرده بود که سیاهچاله‌ها از قانون دوم ترمودینامیک تبعیت می کنند؛ یعنی آنتروپی (بی نظمی) فقط با گذشت زمان افزایش می یابد. بنا به توضیح مجله نیوساینتیست، هر چیزی که آنتروپی داشته باشد، دما هم دارد. هاوکینگ در دهه ۱۹۷۰، با انجام محاسبات ریاضی فراوان به بررسی دمای سیاهچاله پرداخت. او در این راستا از نظریه نسبیت اینشتین و مکانیک کوانتومی بهره گرفت. مکانیک کوانتومی چگونگی کارکرد کوچکترین مولفه‌های جهان را توضیح می دهد. اینها دو نظریه درباره نحوه کارکرد کیهان هستند که دانشمندان برای دهه جهت ادغام شان کوشیده‌اند. این دو نظریه می توانند افق رویداد یک سیاهچاله را توضیح بدهند؛ مرزی که در ورای آن گرانش به قدری قوی است که حتی نور هم توان گریز از آن را ندارد.

قبل از اکتشاف هاوکینگ، این ایده مطرح بود که سیاهچاله‌ها اجرامی هستند که مواد را به درون خود راه می دهند اما هرگز بیرون نمی آیند. این ایده عمدتا از پژوهش‌های هاوکینگ در توصیف تکینگی‌های درون سیاهچاله‌ها نشات می گیرد. اساسا، هاوکینگ نشان داد که سیاهچاله‌ها می توانند (به مانند بسیاری دیگر از اجرام موجود در کیهان) کوچک شده و از بین بروند. او همچنین توصیه‌ای را هم برای همه ما کرد: «مواد می توانند از درون سیاهچاله به بیرون آیند. پس اگر احساس می کنید درون یک سیاهچاله گیر افتاده‌اید، ناامید نشوید؛ راهی برای خروج هست.» یک سیاهچاله با چنین نیروی گرانش قوی که حتی نور هم نمی تواند از آن بگریزد، چگونه کوچک و تبخیر می شود؟

«کلیف بورگس» فیزیکدان دانشگاه مک مستر کانادا در توضیح این سوال به من کمک کرد. در ابتدا، نظریه مکانیک کوانتومی توضیح می دهد که ذرات و همتایان آنها یعنی پادذرات به طور پیوسته در سرتاسر جهان به وجود آمده و از بین می روند. در حالت عادی، زمانی که این ذرات به وجود می آیند، مدت زمان زیادی دوام نمی آورند زیرا یک ذره و همتایش سریعا یکدیگر را از بین می برند. خوشبختانه در آغاز زمان، میزان ماده تولید شده بیشتر از پادماده بود. بدون آن عدم توازن، جهان خودش را نابود می کرد. اما حیات در پیرامون یک سیاهچاله به طور عادی جریان ندارد. در آنجا، اگر این جفت ذرات به وجود آیند، احتمال دارد یک سوی این جفت به درون سیاهچاله کشیده شود. بورگس می گوید: «ذره‌ای که به درون سیاهچاله راه می یابد، دارای انرژی منفی است. ذره دیگر می تواند با انرژی مثبت از سیاهچاله بگریزد.»

ذره گریخته به ایجاد تابش هاوکینگ می پردازد. از آنجایی که ذره راه یافته به درون سیاهچاله از انرژی منفی برخوردار است، اساسا انرژی از سیاهچاله کاسته می شود. یعنی از جرم سیاهچاله برداشته می شود. حالا، هیچ فیزیکدانی شاهد وقوع این رویداد نبوده است. اما محاسبات ریاضی هاوکینگ به قدری متقاعد کننده بود که تقریبا تمامی فیزیکدانان به وجود این تابش باور دارند. یعنی سیاهچاله ها در نهایت تبخیر شده و حتی منفجر می شوند. این یافته اهمیت بسزایی داشت زیرا این سرنخ را در اختیار محققان قرار داد که روزی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام می توانند با کمک همدیگر رویدادهای لبه یک سیاهچاله را به خوبی توضیح بدهند؛ شاید در جاهای دیگر هم کارساز واقع شوند. این نظریه چندین سوال جالب و بی‌پاسخ را هم درباره سیاهچاله‌ها بر می انگیزد. بورگس می گوید: «ظاهرا تابش هاوکینگ کارهایی را انجام می دهد که باید غیرممکن باشند. مثل نابودی اطلاعات به محض ورود به درون سیاهچاله.»

اگر سیاهچاله‌ای را با طلای جامد و سیاهچاله دیگری را با پیتزا پر کنید، تابش هاوکینگ ساطع شده از سوی هر دو سیاهچاله یکسان خواهد بود. این واقعا قوانین کیهان را نقض می کند. بر اساس مکانیک کوانتومی، شما باید قادر باشید مسیر هر ذره موجود در کیهان را توجیه کنید. پس اگر پیتزایی را به درون سیاهچاله پرت کنید، باید بتوانید نحوه از بین رفتن آن را دنبال کرده و ببینید. باید بتوانید ببینید چه بر سر تک‌تک اتم‌های تشکیل دهنده پیتزا می آید. به گمان مکانیک کوانتومی، تمامی ذرات موجود در کیهان می توانند توجیه شوند و امکان حذف اطلاعات وجود ندارد. تابش هاوکینگ می گوید که سیاهچاله جرم از دست می دهد. اما ما نمی دانیم این نظریه برای پیتزا هم سازگار است یا خیر. به گفته بورگس، تابش هاوکینگ سوالاتی درباره ماهیت گرانش و بسیاری دیگر از سوالات را پدید می آورد. دانشمندان هنوز درک کاملی از این مسئله ندارند که مکانیک کوانتومی چگونه گرانش را توضیح می دهد. هاوکینگ با این نظریه اش توانست سرنخ بسیار مهمی فراهم نماید.

ترجمه: منصور نقی لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: vox.com