به تازگی، حالت‌های برانگیخته‌ی کم‌انرژی، یا «موی نرم» کوانتومی‌ برای سیاه‌چاله‌ها پیش‌نهاد شده‌است؛ در زمان تبخیر سیاه‌چاله‌ها، این حالت‌های کوانتومی، اطلاعات مدفون در آن‌ها را آزاد می‌کنند.

APS/Alan Stonebraker

شکل ۱ : حالت‌های برانگیخته‌ی کم‌انرژی پیش‌نهاد شده توسط هاوکینگ، پری و اشترومینگر؛ با تبخیر سیاه‌چاله‌، اطلاعات از طریق این «موی نرم» آزاد می‌شوند.

چهار دهه پیش از این، استفان هاوکینگ (Stephen Hawking)، پیشنهاد داد که اطلاعات در سیاه‌چاله‌‌ها نابود می‌شوند. این ایده که با اصول عمومی فیزیک کوانتومی ناسازگار است، به مناقشه‌ای با نام «مساله‌ی اطلاعات سیاه‌چاله» انجامید؛ این مساله هم‌چنان بدون حل مانده‌است.

به تازگی، هاوکینگ و مالکوم پری(Malcom Perry)، از دانشگاه کمبریج، و اندرو اشترومینگر(Andrew Strominger)، از دانشگاه هاروارد، در مطالعه‌ای جدید، نشان داده‌اند که احتمالا در مساله‌ی اطلاعات، بسیاری از پیش‌فرض‌‌ها، اشتباه بوده‌‌اند [۱]. هرچند با این پیش‌نهاد نیز مساله اطلاعات همچنان بدون حل باقی مانده، این یافته‌ راهی نو به روی پژوهش‌گران گشوده‌‌است.

بنا بر نظریه‌ی عام اینشتین، سیاه‌چاله‌ها تنها با سه کمیت جرم، بار و تکانه‌ی زاویه‌ای‌شان به صورت کامل توصیف می‌شوند؛ تقریبا هیچ بخشی از اطلاعاتی که به درون سیاه‌چاله وارد می‌شوند، به خارج درز نمی‌یابد. جان ویلر(John Wheeler)، فیزیک‌دان، این ایده را با عبارت «بی‌مویی سیاه‌چاله‌ها» بیان می‌کند.

در سال ۱۹۷۵، هاوکینگ رفتار مواد کوانتومی در همسایگی سیاه‌چاله‌ها را بررسی نمود و نشان داد که سیاه‌چاله‌ها چندان هم سیاه نیستند [۲]؛ آن‌ها، مانند هر جسم دیگری که گرما تابش می‌کند، پرتوهایی تقریبا این چنینی دارند. اگر هیچ ماده‌ای به درون سیاه‌چاله وارد نشود، این تابش‌های هاوکینگ می‌توانند جرم را تا مرحله‌ی تبخیر کامل، کاهش دهند. از سوی دیگر، تابش‌های هاوکینگ از سطح سیاه‌چاله که تنها با شاخصه‌های اندکی تعیین می‌گردد، گسیل می‌شوند؛ هاوکینگ، بنا بر این دلایل، چنین برداشت کرد که اطلاعات در سیاه‌چاله‌ها گم می‌شوند [۳].

تا اواخر دهه‌ی ۹۰ میلادی، با پیشرفت‌های دیگر در فیزیک، به ویژه در نظریه‌ی ریسمان، پژوهش‌گران به این باور رسیدند که با تبخیر سیاه‌چاله، تمام اطلاعات درون‌ آن باید به بیرون راه یابند. ناکامی در درک سازوکار این فرآیند، پژوهشگران را به پرسشی ساده‌تر قانع نمود: مشکل اصلی «گم شدن اطلاعات» چیست؟ هاوکینگ، پری و اشترومینگر، در مقاله‌ی خود، پاسخی را پیشنهاد داده‌اند. این گروه ابتدا به دو پیش‌فرض هاوکینگ پرداخته‌اند: یک‌‌گانه بودن حالت خلا گرانش کوانتومی (حالت کوانتومی‌ای با پایین‌ترین میزان انرژی) ، و بی‌مویی سیاه‌چاله‌ها. آن‌ها بی‌نهایت حالت چندگانه برای خلا، و «موهای کوانتومی» (کوانتاهای بسیار کم‌انرژی) را پیش‌نهاد داند.

اشترومینگر در سال ۲۰۱۴، و در مسیر کار بر مساله‌ای متفاوت، به دیدگاه جالبی رسید [۴]. او دریافت که تعداد بسیار زیادی قانون بقا بر پراکندگی گراویتون‌ها (برانگیختگی‌ها در نظریه‌ی کوانتومی گرانش) اثر می‌گذارند. او در کار با دانش‌‌جویان خود، دریافت که این مساله در مورد الکترومغناطیس نیز صحیح است [۵]. اشترومینگر به تازگی به همکاری با هاوکینگ و پری پرداخته و در پی آن است که این دیدگاه را در مورد سیاه‌چاله‌ها نیز بیازماید. در مقاله‌ی تازه‌ی آن‌ها، الکترومغناطیس در حضور یک سیاه‌چاله بررسی شده‌است.

نکته‌ی کلیدی در این بحث‌، وجود قوانین پایستگی تازه‌ای، به شکل تعمیمی بر پایستگی بار الکتریکی، می‌باشد. برای به دست آوردن بار الکتریکی در یک منطقه، می‌توان بر مولفه‌ی شعاعی میدان الکتریکی، روی سطح کره‌ای پیرامون منطقه‌ی مورد نظر، انتگرال‌گیری نمود. اگر هیچ باری به منطقه وارد یا از آن خارج نشود، میزان بار موجود مستقل از زمان خواهد بود. تعمیم اشترومینگر بر پایه‌ی انتگرال‌گیری بر کره‌ای با شعاع بی‌نهایت، و میدان الکتریکی شعاعی با تابع وزن دل‌خواه است. بنا بر محاسبات، این کمیت پایسته است [۵]؛ و این به معنای وجود بی‌شمار کمیت پایستار می‌باشد.

با استفاده از قانون گاوس، می‌توان انتگرال سطحی گفته‌شده (معادل با بار پایستار جدید) را به انتگرال حجمی‌ای بر روی کل فضا تبدیل کرد. در غیاب سیاه‌چاله‌ها، این پایستگی تنها به برابری این انتگرال حجمی در گذشته و آینده اشاره خواهد داشت. اما با ورود سیاه‌چاله‌ها به داستان، این انتگرال، در آینده، و بر روی افق سیاه‌چاله، جمله‌ی دیگری نیز تولید خواهد کرد.

بنا بر پیش‌بینی بیان کلاسیک گرانش و الکترومغناطیس، سهم افق سیاه‌چاله، در بار جدید، صفر خواهد بود. اما هاوکینگ، پری و اشترومینگر، بر این باور هستند که الکترومغناطیس کوانتومی همه چیز را تغییر می‌دهد. برای درک بهتر ماجرا، ابتدا باید به حالت خلا پرداخت. عمل‌گری که در واقع شکل کوانتومی بار پایستار جدید است، بر نخستین حالت خلا اثر کرده و عضو دوم را تولید می‌کند.

نویسندگان این مقاله، نشان داده‌اند که با تاثیر این عمل‌گر بر افق سیاه‌چاله، فوتون‌هایی با انرژی صفر تولید می‌شوند. این گروه، چنین فوتون‌هایی را موی نرم کوانتومی سیاه‌چاله نامیده‌اند. از آن‌جایی که این بارهای جدید، بی‌شمار می‌باشند، هر سیاه‌چاله می‌تواند بی‌نهایت موی نرم داشته باشد. از سوی دیگر، پژوهش‌گران، زمانی که یک ذره‌ی باردار به درون یک سیاه‌چاله می‌افتد، برخی از این موهای نرم را برانگیخته می‌کند. پایستگی دقیق بار جدید ایجاب می‌کند که با تبخیر سیاه‌چاله، اطلاعات پیرامون موی روی افق، به شکل تابش هاوکینگ خارج شوند (شکل ۱).

باید توجه داشت که در این مقاله، مساله‌ی اطلاعات سیاه‌چاله حل نشده‌است. در واقع، ابتدا باید این تحلیل‌ها در مورد گرانش نیز تکرار شوند؛ این گروه در حال کار بر این ایده هستند. از سوی دیگر، احتمالا این موی کوانتومی، برای بازستاندن اطلاعاتی که وارد سیاه‌چاله‌ شده‌اند، کافی نیستند؛ و این گونه همچنان نمی‌توان سازوکار بازیابی اطلاعات در زمان تبخیر سیاه‌چاله را توضیح داد. به هر حال، انتظار می‌رود که با دنبال کردن این مسیر بتوان به درک روشن‌تری از مساله‌ی اطلاعات سیاه‌چاله رسید.

منبع:

http://physics.aps.org/articles/v9/62

مرجع:

Physical Review Letters.