دانش آدینه ۶: سیاهچاله‌ها آن قدر هم سیاه نیستند

دیدارنیوز ـ سروش زمانی مقدم: آنچه که همواره با شنیدن نام سیاهچاله به ذهنمان خطور می‌کند، سیاه بودن آن است. وقتی جسمی هیچ نوری را از خود گسیل یا بازتابش نمی‌کند، و در حقیقت هیچ فوتونی را برای دیده شدن نمی‌تاباند، در واقع دیده نمی‌شود و یا به اصطلاح به رنگ سیاه دیده می‌شود. واقعیت آنست که ما اجسام سیاه را نه با دیدن مستقیم آنها، بلکه عموما با دیدن اجسام دیگر کنارشان، تشخیص و تمیز می‌دهیم. در نتیجه بازنتاباندن ذرات فوتون توسط این قبیل اجسام، که ناشی از نوع ساختار داخلی آنهاست، باعث می‌شود که رنگ اجسام را ناشی از ساختار فیزیکی درونی آن‌ها تلقی کنیم. اما فوتون به طریق دیگری نیز می‌تواند محصور شود و آن وقتیست که جسمی به خاطر جرم زیاد، و در نتیجه نیروی جاذبه زیادش، اجازه خروج از محدوده مشخصی را به آن نمی‌دهد و در نتیجه باز هم جسم مذکور دیده نمیشود و یا به اصطلاح سیاه دیده می‌شود. این خلاصه آن چیزیست که منطبق با روایتی کلاسیکی در مورد یک سیاهچاله اتفاق می‌افتد.

اما روایت مکانیک کوانتومی آن ماجرای شگفت انگیز دیگریست که می‌خواهیم در مورد آن صحبت کنیم و نشان دهیم که چگونه مکانیک کوانتومی می‌تواند، در طی یک فرآیند غیر کلاسیکی، و البته به بهای نابودی سیاهچاله در انتهای این فرآیند، نقاب از رخ سیاه آن برداشته و وجود آن را بر ما عیان کند. مطلب را از اینجا دنبال می‌کنیم که بر طبق اصول نظریه میدان و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، تعریف خلاء با عنوان چیزی که هیچ چیز در آن نیست، تغییر می‌کند و یک تعریف جدید برای خلاء آنست که خلاء جاییست که گویا موازانه "هیچ" در آن می‌تواند برای لحظاتی، و بدون هیچ مشکلی بر هم بخورد! این ماجرا همانند آنست که شرایط "بدهی صفر" شما به بانک انرژی، که از اصل عدم قطعیت پیروی می‌کند، می‌تواند برای لحظاتی از بین برود، و شما بی هیچ مشکلی نسبت به صندوق انرژی آن مقروض شوید. اما هرچه میزان قرض شما بیشتر باشد، زمان کمتری می‌توانید از این شانس بهره ببرید و در عوض به ازای مقادیر کمتر برهم زدن تعادل حساب بانک انرژی، مدت زمان بیشتری می‌توانید از موجودی صندوق استفاده کنید. در عوض نگهبانان انرژی در مدت زمانی که بتوانند کسری صندوقشان را بسنجند، سپرده انرژی بی هیچ تغییری سر جایش باقیست! تا اینجا در می‌یابیم که خلاء، دیگر آن مکان خالی و بی جنب و جوش قبلی نیست، بلکه خلاء در درون خود شاهد بی شمار از این بده بستان‌های کوانتومیست! بده بستان‌های انرژی که می‌توان در زمانی محدود، با انرژی آن هر چیزی منجمله یک جفت ذره و پادذره ساخت.

بیایید در ادامه، ابتدا خلاصه آن چه که تا به حال گفتیم را بصورت زیر جمعبندی کنیم که اگر اصل عدم قطعیت را به خلاء کلاسیکی، به عنوان فضای خالی که هیچ ذره‌ای در آن نیست و بنابراین دارای انرژی صفر است اعمال کنیم، از آنجایی که بر طبق این اصل، همیشه مقداری عدم قطعیت در مقدار انرژی وجود دارد و ما هیچگاه نمی‌توانیم مقدار آن را به صورت کاملا دقیق بدست آوریم، بنابراین دیگر نمی‌توانیم ادعا کنیم که انرژی خلاء، دقیقا صفر است و این یعنی در بازه زمانی بسیار کوتاهی، خلاء دارای یک انرژی غیر صفرست! در واقع این انحراف از انرژی واقعی صفر خلاء را "افت و خیز کوانتومی" خلاء می‌نامیم.

خوب تا به این جای کار همه چیز بی مشکل است تا آنکه، بصورتی نابخردانه، و وقتی که نگهبانان بانک، حساب نیروی گرانش را نکرده اند، شعبه‌ای از این بانک انرژی، در نزدیکی‌های یک سیاهچاله افتتاح می‌شود! و جفت ذره و پادذره ساخته شده از قرض انرژی، در نزدیکی "افق رویداد" یک سیاهچاله و در فاصله مطمئنی از آن که علیرغم آن که در کمند جاذبه اش قرار دارند، هنوز امکان گریز از آن را داشته باشند، خلق می‌شوند. ماجرا از این جا آغاز می‌شود که پس از آن که این جفت مجازی از هم جدا شدند، احتمال آن وجود دارد که یکی از آن‌ها به درون "افق رویداد"، یعنی مرزی که پس از گذر آن امکان نجات او وجود نخواهد داشت، حرکت کرده و به دام سیاهچاله بیفتد. آن گاه ذره دیگر که جفت مجازی خود را از دست داده، حالا به یک ذره واقعی تبدیل شده که امکان فرار و دور شدن از سیاهچاله را دارد و بنابراین در نقش یک تابش از سیاهچاله ظاهر می‌شود که "تابش هاوکینگ" نام دارد. تابشی که گویای آنست که بر اساس نظریه کوانتومی میدان، سیاهچاله، دیگر سیاه نیست!

بر اساس این استدلال، از آنجایی که ذره بدون بار الکتریکی فوتون، پادذره خودش است، این موضوع برای یک زوج فوتون هم صادق است و بنابراین امکان تابش الکترومغناطیسی هم از سیاهچاله‌ها وجود دارد. از طرفی، متناظر با فرکانس فوتون گسیل شده، می‌توان به سیاهچاله‌ها دمایی موسوم به "دمای هاوکینگ" نیز نسبت داد. اما چرا این تابش تا به امروز به وضوح آشکار سازی نشده است؟ می‌توان نشان داد که دمای هاوکینگ برای سیاهچاله‌ای با جرمی حدود صد برابر خورشید خودمان، کمتر از حدود یک میلیاردم یک درجه بالای صفر کلوین یا همان صفر مطلق است که آن هم تقریبا دویست و هفتاد و سه درجه زیر دمای انجماد آب است! و این نشان می‌دهد که به چه علت، تا به حال قادر به آشکارسازی چنین تابش ضعیفی نبوده ایم!

اما ماجرا باز هم به اینجا ختم نمی‌شود. اتفاقات بعد از این کمی پیچیده است، اما به ساده‌ترین شکل ممکن و به دور از پیچیدگی‌های ریاضی، می‌توان آن را به شکل زیر توصیف کرد. از آنجا که جفت ذره‌های مجازی به خودی خود و از دل خلاء ظاهر شده اند، اگر انرژی ذره واقعی که از سیاهچاله می‌گریزد را مثبت در نظر بگیریم، برای آن که این دو ذره همدیگر را خنثی کنند، آنگاه انرژی ذره دیگر که به دام سیاهچاله می‌افتد، باید "منفی" باشد و بنابراین پس از ورود آن به سیاهچاله و به دلیل ارتباط جرم و انرژی به یکدیگر، "گویا" با ورود ذره دوم، یک "جرم منفی" به سیاهچاله وارد شده است. در نتیجه به مرور، و در اثر رخ دادن پر تکرار این فرآیند بی همتا، از جرم سیاهچاله کم می‌شود! فرآیندی که در بلند مدت موجب از دست رفتن جرم و در نتیجه، "تبخیر سیاهچاله" می‌شود. از طرفی می‌توان نشان داد که سیاهچاله‌های بزرگتر، دمای کمتری دارند و بنابراین این سیاهچاله ها، تابش هاوکینگ کمتری نیز گسیل کرده و دیرتر تبخیر می‌شوند! اما هرچه با گذشت زمان سیاهچاله بیشتر جرم از دست بدهد، دمای تابشش بالاتر رفته، سریعتر جرم از دست می‌دهد و با سرعت بالاتری تبخیر می‌شود و به مرور با سرعت فزاینده تری نسبت به قبل، از صحنه بیکران کیهان ناپدید می‌شود! مرگی که بر خلاف مرگ ستارگان، بی سر و صدا و بدون انفجار و در سکوت رخ می‌دهد.

در اینجا، اما ذکر نکته مهمی لازم می‌نماید. در دوران خاص فعلی تاریخ کیهان که در آن به سر می‌بریم، میانگین دمای عالم، کمی کمتر از سه درجه بالای صفر مطلق است و این دما بر اساس شکل طیفی تابش ریز موج زمینه کیهانی سنجیده می‌شود. در واقع فرآیند تبخیر برای سیاهچاله‌هایی رخ می‌دهد که دمایشان، از دمای اطراف بیشتر باشد و می‌توان نشان داد که معنای این جمله آنست که سیاهچاله‌هایی با جرمی بیشتر از صدهزار میلیارد کیلوگرم، از آنجایی که دمایشان از دمای اطراف شان کمترست، در این دوران تبخیر نمی‌شوند و شروع تبخیر آن‌ها تا زمانی که عالم بر اساس انبساط خود، خنک‌تر شود، به تاخیر می‌افتد. دقت کنید که این جرم، در مقایسه با جرم خورشید بسیار ناچیزست؛ بنابراین تا این مرحله از عمر کیهان، تمام میکروسیاهچاله‌هایی که جرمشان کمتر از یک در صد این مقدار ناچیز بوده است، از صحنه کیهان حذف و تبخیر شده اند! بنابراین، نتیجه تابش مذکور، مرگ حتمی سیاهچاله هست. مرگی که نشان می‌دهد که گویا هیچ موجودی، حتی سیاهچاله‌ها نیز، در پهنه بی بدیل کیهان، امکان حیات ابدی را ندارند! کسی چه میداند، شاید پس از تصویربرداری از سیاهچاله‌ها و رصد امواج ضعیف گرانشی حاصل از ادغام آن‌ها با هم، انقلاب علمی بعدی بشر، در حوزه سیاهچاله ها، رصد تابش بسیار ضعیف هاوکینگ آن‌ها باشد!