آیا سیاه‌چاله‌ها منفجر می‌شوند؟ معمای ۵۰ ساله‌ای که فیزیک کوانتوم را به چالش کشید

استیون هاوکینگ در یکم مارس ۱۹۷۴ مقاله‌ای با عنوان سوالی «انفجار سیاه‌چاله؟» در نشریه نیچر منتشر کرد که اکنون پس از گذشت نیم‌قرن، پژوهشی پیشگویانه به‌نظر می‌آید. ایده‌ی برجسته هاوکینگ در مورد اسرارآمیزترین اجرام کیهان که اکنون «تابش هاوکینگ» نامیده می‌شود، به‌تازگی ۵۰ ساله شده است. در این مدت، با تلاش هرچه بیشتر فیزیکدانان برای آزمایش نظریه‌ی او، پرسش‌های بیشتری مطرح شده که پیامدهای عمیقی بر نحوه‌ی نگرش ما به کارکرد واقعیت داشته‌اند.

هاوکینگ که ۶ سال پیش از دنیا رفت، دراصل دریافت که سیاه‌چاله‌ها نباید واقعا سیاه باشند؛ زیرا پیوسته مقدار کمی گرما از خود ساطع می‌کنند. این نتیجه‌گیری بر اساس اصول پایه‌ی فیزیک کوانتوم به دست آمد که بر اساس آن، حتی فضای خالی نیز یکنواخت و بدون حادثه نیست. درعوض، فضا با میدان‌های کوانتومی متلاطم پر شده است که در آن‌ها، جفت‌های «ذرات مجازی» بی‌وقفه از ناکجاآباد ظاهر می‌‌شوند و در شرایط عادی تقریبا به‌صورت آنی یکدیگر را نابود می‌کنند.

با این‌حال در افق رویداد یا سطح کروی که مرز سیاه‌چاله را تعیین می‌کند، اتفاق متفاوتی رخ می‌دهد. افق رویداد به نقطه‌ی گرانشی بی‌بازگشتی گفته می‌شود که تنها به درون راه دارد. هاوکینگ بر این باور بود که در سیاه‌چاله دو ذره‌ی مجازی می‌توانند از یکدیگر جدا شوند. یکی از آن‌ها درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند؛ درحالی‌که دیگری به شکل تابش منتشر می‌شود و مقداری انرژی با خود حمل می‌کند. در نتیجه، سیاه‌چاله مقدار کمی از جرمش را از دست می‌دهد، کوچک می‌شود و می‌درخشد.

قدرت مقاله‌ ۱۹۷۴ هاوکینگ به چگونگی ترکیب اصول و مبانی اولیه‌ی دو ستون فیزیک مدرن بازمی‌گردد. اولین اصل، نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین است که در آن، سیاه‌چاله‌ها خود را آشکار می‌کنند. این نظریه، گرانش را به شکل فضا و زمان پیوند می‌دهد که معمولا فقط در مقیاس‌های بزرگ معنی‌دار است. دومین نظریه، فیزیک کوانتوم است که در موقعیت‌های میکروسکوپی ظاهر می‌شود. این دو نظریه از دیدگاه ریاضی متناقض به‌نظر می‌آیند و فیزیکدان‌ها از مدت‌ها پیش در جستجوی روش‌هایی برای ترکیب آن‌ها هستند. هاوکینگ نشان داد افق رویداد سیاه‌چاله مکان نادری است که هر دو نظریه باید با تبعات محاسبه‌پذیر در آن نقش داشته باشند.

البته پیامدهای آشفته به‌سرعت ظاهر می‌شوند. ماهیت تصادفی تابش هاوکینگ به این معنی است که هیچ اطلاعاتی را حمل نمی‌کند؛ بنابراین سیاه‌چاله‌ها به آهستگی اطلاعات ورودی خود را چه در زمان شکل‌گیری و چه در حین رشد، پاک می‌کنند. این اتفاق در تضاد با قانون مکانیک کوانتوم قرار دارد که می‌گوید اطلاعات هرگز از بین نمی‌روند. این معما به‌عنوان پارادوکس اطلاعاتی سیاه‌چاله شناخته می‌شود.

در دهه‌ی ۱۹۹۰، پارادوکس اطلاعاتی سیاه‌چاله به موضوع یک شرط‌بندی معروف تبدیل شد. هاوکینگ به همراه کیپ تورن، فیزیکدان سرشناس آمریکایی در موسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک)، پیشنهاد داد که مکانیک کوانتوم در نهایت باید اصلاح شود تا نظریه تابش هاوکینگ را دربر بگیرد. جان پرسکیل، دیگر فیزیکدان نظری کلتک، باور داشت که اطلاعات به‌ظاهر ازدست‌رفته در جایی دیگر به‌نحوی حفظ خواهند شد و مکانیک کوانتوم را نجات خواهند داد.

بااین‌حال در سال ۱۹۹۷، خوان مالداسنا، فیزیکدان نظری که اکنون در مؤسسه‌ی پژوهش‌های پیشرفته پرینستون فعالیت می‌کند، مدعی شد هاوکینگ و تورن اشتباه می‌کنند. مقاله‌ی او درحال‌حاضر بیش از ۲۴هزار مرتبه مورد استناد قرار گرفته که هفت‌هزار بار بیشتر از ارجاعات به مقاله‌ی هاوکینگ است. مالداسنا نشان داد که کیهان ازجمله سیاه‌چاله‌های درون آن، نوعی هولوگرام محسوب می‌شود؛ یعنی یک برون‌افکنی در ابعاد بالاتر از از رویدادها است که روی سطحی مسطح اتفاق می‌افتند. هرآنچه را که در جهان تخت رخ می‌دهد، می‌توان با مکانیک کوانتوم محض توضیح داد و به‌این‌ترتیب اطلاعات را حفظ کرد.

در ظاهر، نظریه مالداسنا به طور کامل در مورد جهانی که در آن ساکن هستیم، صدق نمی‌کند. علاوه بر این، توضیح نمی‌دهد که چگونه اطلاعات از تخریب درون سیاه‌چاله می‌گریزند. به گفته‌ی پرسکیل، ما چشم‌انداز منسجمی از این مکانیزم نداریم. فیزیکدان‌ها ازجمله هاوکینگ، بی‌شمار مکانیزم فرار را مطرح کردند که هیچ‌کدامشان به‌طور کامل متقاعد‌کننده نبودند. اکنون ۵۰ سال پس از مقاله‌ی بزرگ هاوکینگ، دانشمندان هنوز سردرگم هستند. بااین‌حال، نظریه‌ی مالداسنا برای تغییر دیدگاه هاوکینگ کافی بود و وی در سال ۲۰۰۴ شکست در شرط‌بندی را پذیرفت.

تلاش‌ها برای حل پارادوکس اطلاعاتی به عرصه‌ای پررونق تبدیل شده است. بر اساس فرضیه‌ای مورد توجه، هر ذره‌ای که درون سیاه‌چاله سقوط کند از طریق درهم‌تنیدگی کوانتومی به ذره‌ی بیرون از سیاه‌چاله متصل است. بر اساس تعریف درهم‌تنیدگی کوانتومی، اجسام حتی در فاصله‌های دور می‌توانند در وضعیت کوانتومی واحدی سهیم شوند. این اتصال می‌تواند خود را در هندسه‌ی فضازمان به شکل کرم‌چاله‌ نشان دهد که داخل افق رویداد را به بیرون آن وصل می‌کند.

درهم‌تنیدگی یکی از ویژگی‌های مهمی است که کامپیوترهای کوانتومی را قدرتمند‌تر از کامپیوترهای کلاسیک می‌کند. علاوه بر این، در دهه‌ی گذشته پیوند بین سیاه‌چاله‌ها و نظریه‌ی اطلاعاتی قوی‌تر شده است، به‌گونه‌ای که پرسکیل و دیگران به بررسی شباهت‌های بین آنچه در برون‌افکنی‌های هولوگرافیک رخ می‌دهد و دیگر انواع الگوریتم تصحیح خطای توسعه‌یافته برای کامپیوترهای کوانتومی پرداخته‌اند. تصحیح خطا روشی برای ذخیره‌سازی اطلاعات زائد است که به کامپیوتر کوانتومی یا کلاسیک اجازه می‌دهد بیت‌های خراب اطلاعاتی را بازیابی کند.

برخی پژوهشگرها نظریه‌ی رایانش کوانتومی را به‌عنوان کلیدی برای حل تناقض هاوکینگ می‌بینند. هنگام شکل‌گیری سیاه چاله، جهان می‌تواند به شکل مشابهی نسخه‌های متعددی از اطلاعات خود را ذخیره کند که برخی از آن‌ها داخل افق رویداد و برخی دیگر بیرون افق رویداد قرار دارند و بدین ترتیب تخریب سیاه‌چاله‌ها باعث حذف هیچ سابقه‌ای نمی‌شود.

بااین‌حال برخی از پژوهشگرها بر این باورند که برای حل تناقض اطلاعاتی باید تا حل مسئله‌ی بزرگ دیگری صبر کرد که آن هم پیوند گرانش با فیزیک کوانتوم است. هاوکینگ تا لحظه‌ی مرگش به کار روی این مسئله ادامه داد، اما به نتیجه‌ی شفافی نرسید.

در مورد عنوان مقاله‌ی هاوکینگ، دیدن انفجارهای واقعی سیاه‌چاله‌ای احتمالی است که ستاره‌شناس‌ها آن را جدی گرفته‌اند. سیاه‌چاله‌های بزرگ مانند اجرام بسیار سرد رفتار می‌کنند، اما سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر داغ‌تر هستند و همین مسئله باعث می‌شود با سرعت بیشتری کوچک شوند. ذره‌هایی که این سیاه‌چاله‌ها منتشر می‌کنند، لحظه به لحظه پرانرژی‌تر می‌شوند و در نهایت به اوج می‌رسند که باعث ناپدید شدن سیاه‌چاله می‌شود.

هاوکینگ نشان داد که سیاچاله‌های معمولی با جرم ستاره‌ای که با فروپاشی ستاره‌های کلان‌جرم شکل‌می‌گیرند، زمان بیشتری نسبت به سن جهان نیاز دارند تا به نقطه‌ی پایان برسند؛ اما سیاه‌چاله‌هایی با جرم‌های کوچک‌تر ممکن است از نوسان‌های تصادفی چگالی ماده در اولین لحظات بیگ‌بنگ شکل گرفته باشند. اگر یک سیاه‌چاله‌ی آغازین با جرم مناسب در جایی نزدیک به منظومه شمسی ناپدید شود، رصدخانه‌های نوترینویی و پرتوی گاما می‌توانند اثر آن را احساس کنند.

ستاره‌شناس‌ها تاکنون هیچ‌گونه انفجار سیاه‌چاله‌ای را رصد نکرده‌اند، اما همچنان به جستجویشان ادامه می‌دهند. چنین کشفی قطعا می‌تواند جایزه نوبل را که در تمام طول عمر هاوکینگ از دسترس او دور ماند، سرانجام برایش به ارمغان آورد.