اطلاعات قفل شده در سیاهچاله‌ها به کمک امواج گرانشی قابل تشخیص است
پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد که اطلاعات قفل شده در سیاهچاله‌ها را می‌توان به کمک «موی» ظریف آنها و طی فرآیند شناسایی امواج گرانشی کشف کرد.
سیاهچاله‌ها اجرام آسمانی با گرانش بسیار عظیمی هستند که پس از گذر از افق رویداد، حتی نور نیز نمی‌تواند از چنگال آنها فرار کند. افق رویداد سیاهچاله‌ها رازهایی را در خود دارند که می‌تواند درک ما از فیزیک را کاملاً متحول کند.
برای دهه‌ها دانشمندان تصور می‌کردند که هر اطلاعاتی که در سیاهچاله‌ها قراربگیرد ممکن است برای همیشه از بین برود. اما پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد که موج در فضا-زمان، یا امواج گرانشی، شاید بتواند نشانه‌هایی ضعیف از این اطلاعات را با خود حمل کند و با آشکارسازی این موهای صاف روی سطح سیاهچاله، اطلاعات قابل شناسایی خواهند بود.
نظریه‌ی سیاهچاله‌ی بدون مو
تا جایی که سیاهچاله‌ها را می‌شناسیم، که البته این شناخت زیاد نیست، به طرز عجیبی ساده هستند. صرف نظر از آنچه به درون خود می‌کشند اعم از ستاره‌ها یا ابرهای گرد و غبار، این اجرام را می‌توان با سه عدد ساده توصیف کرد: بار الکتریکی، جرم و چرخش. این موضوع به «نظریه‌ی بدون مو» معروف است.
این بدان معنی است که اگر دو سیاهچاله با جرم یکسان، بار الکتریکی یکسان و سرعت چرخش یکسان داشته باشیم، نمی‌توان آنها را از یکدیگر تشخیص داد. این پرسش ایجاد می‌شود که پس چیزهایی که سیاهچاله به درون خود می‌کشد چه می‌شوند؟ نابود شده‌اند؟ پشت افق رویداد گم شده‌اند؟ یا در بخشی غیر قابل دسترسی از جهان گیر کرده‌اند؟
ساده‌ترین راه حل این موضوع نظریه‌ای است که برای نخستین بار توسط فیزیکدان آمریکایی، «جان ویلر» (John Wheeler) ارائه شد: سیاهچاله‌ها مو ندارند. یعنی هیچ اطلاعات اضافی درون یا روی سطح سیاهچاله‌ها رمزگذاری نشده است. فقط جرم، بار الکتریکی و چرخش، تعیین‌کننده‌ی آنهاست. همه‌ی چیزهای دیگر به نوعی پشت افق رویداد نابود می‌شوند و برای همیشه از دسترس بقیه‌ی نقاط جهان قفل می‌شوند.
تناقض اطلاعات
اما در سال ۱۹۷۴ (۱۳۵۳ خورشیدی) استیون هاوکینگ نظریه‌ای انقلابی ارائه داد: سیاهچاله‌ها جاروبرقی کیهانی گریزناپذیر نیستند، بلکه ذرات زیراتمی می‌توانند از طریق یک فرآیند کوانتومی عجیب از سیاهچاله‌ها فرار کنند که منجر به انتشار تابش از سطح آنها می‌شود.
با گذشت زمان تابش هاوکینگ باعث می‌شود که سیاهچاله‌ها به آرامی، انرژی (و در نتیجه جرم) از دست بدهند. سرانجام پس از سال‌ها کاهش تدریجی، سیاهچاله کاملاً تبخیر می‌شود. در این توضیح، همه چیز روشن است به جز «نظریه‌ی بدون مو». اگر سیاهچاله‌ها بتوانند تبخیر شوند، اطلاعاتی که جذب آنها شده چه می‌شود؟
تا جایی که می‌دانیم تابش هاوکینگ اطلاعاتی را با خود حمل نمی‌کند. و ما واقعا فکر نمی‌کنیم که بتوان در این جهان اطلاعات را ایجاد یا نابود کرد (این کار یقیناً امکان‌پذیر است اما موجب تضعیف فیزیک شناخته شده می‌شود، زیرا با مشاهدات و آزمایش‌ها در تناقض است).
بنابراین یک تناقض اطلاعات در سیاهچاله خواهیم داشت. اطلاعات وارد سیاهچاله می‌شود، سیاهچاله به تدریج ناپدید می‌شود و مشخص نیست که برای اطلاعات چه اتفاقی می‌افتد. برای رفع این تناقض یا باید آنچه را درباره‌ی سیاهچاله‌ها می‌دانیم، یا آنچه درباره‌ی تابش هاوکینگ می‌دانیم و یا هر دو را اصلاح کنیم.
شاید اطلاعات در اعماق سیاهچاله نزدیک به تکینگی قفل شود و فرآیند تبخیر درست پیش از آن متوقف شده و یک گلوله‌ی کوچک پر از اطلاعات را پشت خود بر جای بگذارد.
شاید سیاهچاله‌ها کاملاً بی‌مو نباشند (اطلاعات قابل شناسایی دیگری نیز داشته باشند). شاید هر اطلاعاتی را که به سطح آنها افتاده است، در چیزی به نام «افق کشیده‌شده» (Stretched Horizon) دربر بگیرند. سطحی که درست بالای افق رویداد و شامل اطلاعات مکانیک کوانتومی است.
به این ترتیب همان‌طور که سیاهچاله ناپدید می‌شود، تابش هاوکینگ اطلاعات موجود در افق کشیده‌شده را با خود حمل می‌کند. چنین حالتی تناقض اطلاعات در سیاهچاله را حل می‌کند و واقعیت را آن‌طور که می‌شناسیم توضیح می‌دهد. این ایده عالی است اما چگونه باید آن را آزمایش کرد؟
یک مطالعه‌ی تازه که ۲۲ ژوئن (۲ تیر) منتشر شده (اما هنوز مورد بازبینی دقیق قرار نگرفته است) روشی را برای یافتن رشته‌های ابریشمی پیشنهاد می‌کند: تشخیص امواج گرانشی.
زمانی که سیاهچاله‌ها ادغام می‌شوند، در سراسر کیهان امواج گرانشی منتشر می‌کنند. با وجود انرژی باورنکردنی این برخوردها، امواج گرانشی حاصل از این شکست‌های کیهانی، فوق‌العاده ضعیف است. زمانی که این امواج به زمین می‌رسند، حتی به سختی قادر به جابه‌جایی تک اتم‌هاست.
اما پروژه‌ی لایگو (LIGO) که رصدخانه‌ی امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) است، می‌تواند این حرکت‌های ظریف را از طریق تغییرات کوچک در مدت زمانی که طول می‌کشد تا نور از آشکارسازهای دور حرکت کند، تشخیص دهد.
رصدخانه‌ی لایگو که دارای دو بازوی بلند ۴ کیلومتری است
Credit: LIGO Laboratory
لایگو ده‌ها برخورد احتمالی سیاهچاله‌ها را در سراسر جهان ثبت کرده است که حتی منجر به دریافت جایزه‌ی نوبل ۲۰۱۷ شد. تا کنون این مشاهدات با «نظریه‌ی بدون مو» مطابقت دارد و حاکی از آن است که هیچ اطلاعات اضافی روی سطح سیاهچاله‌ها رمزگذاری نشده است.
معمای اساسی فیزیک مدرن
اما هنوز یک فرصت وجود دارد. ممکن است روی سیاهچاله‌ها موهایی ظریف (نشانه‌های ضعیف اطلاعات) وجود داشته باشد. فقط میزان اندکی اطلاعات که به گونه‌ای ساختار یافته‌اند که تشخیص آنها دشوار است.
البته که فیزیکدانان می‌خواهند این ایده را آزمایش کنند زیرا اگر بتوانیم نشان دهیم که سیاهچاله‌ها اطلاعات اضافی دارند، نه تنها یک معمای اصلی در فیزیک مدرن را حل می‌کنیم بلکه احتمالاً راه را برای درک بهتر «گرانش کوانتومی» هموار می‌کنیم. نظریه‌ای که نسبیت عام را که در مقیاس‌های بزرگ جهان حاکم است، با مکانیک کوانتوم که فیزیک را در کوچک‌ترین مقیاس‌ها توصیف می‌کند، تطبیق می‌دهد.
اکنون کار سختی پیش روی علم است: پیوند دادن این ایده‌های دقیق با مشاهدات واقعی. مقاله‌ی مطرح شده، راهی برای یافتن این موهای ظریف ارائه می‌دهد.
نویسندگان مقاله‌ی جدید لارنس کرول (Lawrence Crowell) از موسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ی بوداپست، مجارستان و کریستین کوردا (Christian Corda) فیزیکدان دانشگاه استانبول، کشف کرده‌اند که طی فرآیند ادغام سیاهچاله‌ها، این موهای ظریف و ساکت، می‌توانند برانگیخته شوند. در این حالت پرانرژی، این موها (اطلاعات بسیار ضعیف) با تابش گرانشی خروجی در هم می‌آمیزند و امواج گرانشی را به گونه‌ای بسیار ظریف تغییر می‌دهند.
این تغییرات در امواج گرانشی، هنوز قابل تشخیص نیست اما نساخه‌های آینده‌ی لایگو (LIGO) ممکن است حساسیت لازم برای انجام آن را داشته باشد و در نهایت شاید بتوان تشخیص داد که سیاهچاله‌ها اطلاعات دیگری دارند یا خیر.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک سیاهچاله
Credit: Shutterstock
منبع: Space
خوب بود