درخشش تاريكي

فرهنگ لران*: بخش اول مقاله حاضر در روز شنبه در صفحه دانش روزنامه «هم‌ميهن» منتشر شد، در اين شماره بخش پاياني آن را مي‌خوانيد.

رصد سياهچاله‌ها

شايد از خودتان بپرسيد که چطور مي‌شود يک سياهچاله را ديد يا آن را وزن کرد. مگر نه آن است که حتي نور از درون سياهچاله به بيرون نمي‌تابد و براي همين است که نامش را سياهچاله گذاشته‌اند.

به تابش‌ هاوکينگ اميدي نداشته باشيد چون دماي سياهچاله‌اي مثل XTE J1118+480 هزاران مرتبه از دماي تابش زمينه کيهاني (CMBR) که عالم را پر کرده است کمتر است و دست‌کم هنوز نمي‌توانيم اين دو تابش را از هم تفکيک کنيم. در واقع اين حرص سياهچاله است که رسوايش مي‌کند.

گرانش سياهچاله خيلي قوي است در حالي که اندازه آن نسبت به ستاره‌سوزاني به همان جرم و همان قدرت جاذبه بسيار کوچک‌تر است.

در نتيجه گازي که به درون آن سقوط مي‌کند پيش از آنكه به سطح افق رويداد برسد و از ديد ما پنهان شود، در ميدان گرانشي حسابي داغ مي‌شود و مثل يک لامپ نيرومند پرتو X شروع به تابش مي‌کند. توضيح فرآيند توليد اين تابش کمي دشوار است و از آن مي‌گذرم. در واقع سياهچاله‌ها نيرومندترين چشمه‌هاي پرتوي Xاي هستند که در سرتاسر کيهان مي‌شود پيدا کرد.

گاز اين لامپ اشعه X اصولا توسط يک ستاره همجوار تامين مي‌شود. به اين ترتيب آنچه ما مي‌بينيم يک ستاره درخشان است که گاز آن به سوي يک نقطه تاريک مکيده مي‌شود. اين گاز در يک صفحه به دور آن نقطه تاريک مي‌چرخد و اشعه X مي‌تاباند.

در بيشتر موارد يک باد شديد از اين گاز داغ هم مي‌بينيم که به بيرون مي‌وزد. در بعضي از سياهچاله‌ها مثل XTE J1118+480 يک به اصطلاح «جت» از ذرات هم ديده مي‌شود که با سرعتي نزديک به سرعت نور به بيرون زبانه مي‌کشد و درازاي دنباله به چند سال نوري مي‌رسد. اين زبانه دراز و کشيده را مي‌شود به آساني ديد.

به ياد بياوريد که نور در يک ثانيه 300 هزار کيلومتر را طي مي‌کند و در نتيجه يک سال نوري مسافت واقعا زيادي است. البته هميشه در نگاه اول به يک چشمه کيهاني اشعه X نمي‌شود مطمئن بود که آيا داريم به يک سياهچاله نگاه مي‌کنيم يا به يک ستاره نوتروني. اصولا به چيزي سياهچاله مي‌گوييم که به آن نشود برچسب ديگري زد. اما در مورد XTE J1118+480و چند سياهچاله ديگر، تقريبا از سياهچاله بودن‌شان مطمئن هستيم.

اصل هولوگرافي

سياهچاله‌ها هميشه منبع الهام بوده‌اند. يکي از جالب‌ترين يافته‌هاي نظري که به کمک سياهچاله‌ها به دست آمده است «اصل هولوگرافي» است.

بر پايه اين اصل بيشترين مقدار اطلاعاتي که مي‌شود در يک تراشه حافظه ثبت کرد با اندازه مساحت آن تراشه محدود مي‌شود؛ چيزي به اندازه 10 به نماي 63 بيت بر سانتيمترمربع و اين مقدار را با هيچ فناوري‌ نمي‌شود بيشتر کرد.

اين عدد عملا آنچنان زياد است که مشکلي براي فناوري اطلاعات به حساب نمي‌آيد. مثلا امروزه روي لوح‌هاي فشرده (CD) معمولي تنها 10 به نماي 9 بيت بر سانتيمتر مربع مي‌شود ذخيره کرد. اما وجود چنين حدي با درک معمول ما از ذخيره اطلاعات توافق ندارد.

مثلا تعداد کتاب‌هايي که مي‌توانيم در يک جعبه قرار بدهيم اصولا به حجم جعبه بستگي دارد نه به مساحت آن. در اين مثال اصل هولوگرافي تا حدودي به اين معنا است که مجبوريم کتاب‌ها را فقط در کف جعبه بچينيم! اصل هولوگرافي در واقع مي‌گويد که جهان ما يک هولوگرام بزرگ است.

يک هولوگرام در واقع يک عکس دوبعدي از يک شيء سه‌بعدي است. مثلا در يک هولوگرام ايده‌آل از يک درخت، برعکس يک عکس معمولي مي‌شود پشت و روي درخت را ديد همان طور که اگر خودمان پيش درخت بوديم با يک چرخ ‌زدن به دور آن همه چيز را مي‌ديديم. همان طور که مي‌بينيد با اين فناوري مي‌شود اطلاعات بيشتري نسبت به عکاسي معمولي روي فيلم ذخيره کرد.

اما در هولوگرام درون درخت را نمي‌بينيم و مثلا نمي‌فهميم که داخلش کرم خورده است يا نه. تصوير، ظاهر سه‌بعدي دارد اما با اطلاعات آن همه چيز را راجع به درخت نمي‌دانيم. اطلاعات دو بعدي است هر چند ظاهر سه‌بعدي دارد. ايده اصل هولوگرافي دقيقا همين است: دنياي ما يک هولوگرام است و جزئيات نهفته در آن به اندازه سطح آن است نه حجم آن.

قانون دوم ترموديناميک

کسي که نخستين بار ايده اصل هولوگرافي را به نوعي مطرح کرد «بکنشتاين» بود. همان طور که پيش‌تر گفته شد با افزايش جرم سياهچاله اندازه مساحت افق رويداد آن زياد مي‌شود. بکنشتاين با مقايسه اين موضوع با قانون دوم ترموديناميک، پيشنهاد داد که آنتروپي يک سياهچاله را برابر مساحت افق رويداد آن بگيريم.

به اين ترتيب مي‌شود ديد که قانون دوم ترموديناميک در همه رويدادهاي عالم که از اين پس شامل تشکيل سياهچاله‌ها، يا برخورد آنها با يکديگر يا سقوط يک جسم يا پرتو به درون آنها هم مي‌شود، برقرار است. قانون دوم ترموديناميک مي‌گويد در تمامي رويدادها آنتروپي عالم افزايش مي‌يابد. اين را گاهي به اين معنا گرفته‌اند که بي‌نظمي در تمامي رويدادها افزايش مي‌يابد.

اين قانون يکي از شناخته‌شده‌ترين قوانين طبيعت است که دست‌کم در رشته‌هاي فيزيک، شيمي، مهندسي مکانيک و مهندسي شيمي تدريس مي‌شود. قانون دوم ترموديناميک در واقع يک اصل تجربي است که مکانيک آماري آن را تبيين مي‌کند. سند درستي قانون دوم ترموديناميک هم آن است که همه شواهد تجربي به نفع آن است. البته ممکن است روزي شاهدي بر نقض اين قانون پيدا شود.

به هر حال اينكه بتوانيم دامنه درستي آن را به فرآيندهايي که سياهچاله‌ها هم در آنها مشارکت دارند تعميم بدهيم بسيار اغواکننده است. چرا که اگر اين تعميم درست باشد تاثير جدي‌اي بر درک ما از سازمان طبيعت مي‌گذارد.

براي آنكه احساس و تخميني از نوع و عمق اين تاثير داشته باشيم بهتر است ببينيم که قانون دوم ترموديناميک در صورت‌بندي نخستين خود، يعني پيش از اين تعميم، به چه نتايجي منجر شد. سال‌ها بشر در آرزوي ساختن ماشين‌هايي بوده است که انرژي‌هاي به دردنخور را به انرژي‌هاي به دردبخور تبديل کند.

مثلا يخچالي را در نظر بگيريد که طراحي آن به گونه‌اي باشد که خود به خود هواي درون محفظه‌اش را خنک کند و تازه اين انرژي مازاد را صرف توليد برق کند. اين فرآيند با اصل بقاي انرژي تعارضي ندارد. کمي انرژي از هواي داخل محفظه مي‌گيريد که بالطبع خنک مي‌شود.

بعد آن انرژي را به برق تبديل مي‌کنيد و ديگر هم لازم نيست پول برق براي مصارف ديگرتان بپردازيد. اما يکي از نخستين نتايج قانون دوم ترموديناميک آن است که نه تنها نمي‌شود يک چنين ماشيني ساخت بلکه براي راه انداختن يک يخچال هم بايد مثلا به کمک يک موتور الکتريکي به آن انرژي برسانيد.

يک آرزوي ديگر آن است که بازده ماشين‌ها را به صددرصد برسانيم. اما باز قانون دوم ترموديناميک مي‌گويد که بازده هر ماشيني يک حد بالا دارد که همان بازده ماشين «کارنو» نظير آن است.

پس اگر بشنويم که تعميم قانون دوم ترموديناميک به فرآيندهايي که سياهچاله‌ها هم در آنها مشارکت دارند، به کشف حد بالايي بر اطلاعاتي که در يک جسم مي‌توانيم ذخيره کنيم منجر مي‌شود و اندازه آن حد را هم به اندازه مساحت آن جسم و نه به حجم آن ربط مي‌دهد، نبايد جا بخوريم.

استدلال‌هايي که به اين حد منجر مي‌شوند در واقع چندان پيچيده نيستند. در اينجا روش «ساسکيند» در رسيدن به اين حد را مرور مي‌کنيم. يک جسم معمولي را در نظر بگيريد که داخل يک پوسته کروي نازک و در حال رمبش قرار دارد.

در پايان رمبش ديگر از ساختار جسم چيزي باقي نمي‌ماند چرا که در اثر رمبش آن پوسته، به يک سياهچاله تبديل شده است. بر طبق قانون دوم ترموديناميک، آنتروپي بايد در کل اين فرآيند زياد شود. از طرفي، طبق پيشنهاد بکنشتاين، آنتروپي سياهچاله متناسب با اندازه سطح آن است. از طرف ديگر، سطح سياهچاله خيلي کوچک‌تر از سطح اوليه جسم است.

پس معلوم مي‌شود آنتروپي اوليه جسم از اندازه مساحت اوليه‌اش خيلي کمتر بوده است. همچنين مي‌دانيم که آنتروپي يک جسم به مقدار اطلاعاتي بستگي دارد که در آن جسم نهفته است. به اين ترتيب نتيجه مي‌گيريم که مقدار اطلاعاتي که در ساختار هر جسمي نهفته است از اندازه مساحت آن بسيار کوچکتر است.

يک پرسش اساسي در باره سياهچاله‌ها اين است که سياهچاله‌ها با اطلاعات نهفته در اشيايي که مي‌بلعند، چه مي‌کنند. باور عمومي اين است که سياهچاله‌ها اين اطلاعات را نابود مي‌کنند. اما در اين اواخر گروهي به اين نتيجه رسيده‌اند که تمامي اين اطلاعات در تابش‌هاوکينگ به شکل معناداري نهفته است. به عبارت ديگر ادعا بر اين است که سياهچاله‌‌ها حين تبخير تقريبا به تمام جزئيات جناياتشان اعتراف مي‌کنند.

در پايان نظر خواننده گرامي را به اين نکته جلب مي‌کنم که نوشته‌هاي عامه فهم درباره مفاهيم عميق علمي همواره با دو اشکال مواجه هستند.

يکي آنكه نويسنده براي قابل فهميدن مطلب دست به ساده‌سازي‌هايي مي‌زند که اگر چه لزوما به معناي ارائه يک روايت نادرست از موضوع نيست اما ممکن است خواننده را از درک پيچيدگي‌ها و ظرافت‌هاي اصل مطلب باز دارد.

اشکال دوم که تا حدي نتيجه اشکال اول ولي از آن نگران‌کننده‌تر است ارائه يک تصوير نادرست از روش انديشه و استنتاج علمي است که پژوهش در دانش را تا حد خيال‌پردازي صرف تقليل مي‌دهد. در واقع بايد به نوشته‌هايي از اين دست تنها به عنوان خبرهايي از آخرين يافته‌هاي بشر درباره نظام شگفت‌انگيز خلقت و نوع مسائلي که ذهن گروهي از انديشمندان را به خود مشغول داشته است توجه داشت.

بي‌پرده بگوييم هر تلاشي براي بناي يک نظريه علمي بر پايه برداشت‌مان از يک نوشته علمي عامه فهم چيزي بيشتر از يک خطاي ساده‌لوحانه نخواهد بود.

*عضو هيات علمي دانشكده فيزيك، دانشگاه صنعتي اصفهان

لينک
S. Lloyd, “Almost Certain Escape from Black Holes in Final State Projection Models”, Phys. Rev. Lett. 96, 061302 (2006