سیاهچاله ها را انجام دهید سربازان پیر در حال مرگ، به سادگی محو می شود؟ آیا آنها مانند بادکنک های فوق بعدی می پرند؟ شاید آنها این کار را انجام می‌دهند، یا شاید از یک روبیکون کیهانی عبور می‌کنند، به طور مؤثری طبیعت خود را معکوس می‌کنند و به ناهنجاری‌های معکوس تبدیل می‌شوند که نمی‌توان از طریق افق رویداد آنها وارد شد، اما به طور مداوم انرژی و ماده را به جهان باز می‌گرداند.
در آخرین کتابش، سفید چاله ها، کارلو روولی، فیزیکدان و فیلسوف، توجه و تخصص قابل توجه خود را بر روی پدیده های اسرارآمیز فضایی متمرکز می کند و از افق رویداد غواصی می کند تا عملکرد درونی نظری آنها را بررسی کند و آنچه را که ممکن است در انتهای آن نقاط گرانشی بی نهایت کوچک و بی نهایت جذاب باشد، مطرح کند. در این هفته ضربه زدن به گزیده کتابروولی درباره یک شکاف علمی بحث می‌کند که جامعه اخترفیزیک را از هم جدا می‌کند که همه اطلاعات – که از درک کنونی ما از قوانین جهان ما، نمی‌توانند از بین بروند – زمانی که در یک سیاهچاله اجتناب‌ناپذیر به دام می‌افتند، کجا می‌روند.
برگرفته از توسط سفید چاله ها توسط کارلو روولی منتشر شده توسط Riverhead Books. حق چاپ © ۲۰۲۳ توسط کارلو روولی. تمامی حقوق محفوظ است.
در سال ۱۹۷۴، استیون هاوکینگ یک کشف نظری غیرمنتظره انجام داد: سیاهچاله ها باید گرما ساطع کنند. این نیز یک اثر تونل کوانتومی است، اما ساده‌تر از جهش یک ستاره پلانک: فوتون‌های به دام افتاده در داخل افق به لطف عبوری که فیزیک کوانتومی برای همه چیز فراهم می‌کند، فرار می‌کنند. آنها در زیر افق “تونل” می کنند.
بنابراین سیاهچاله ها مانند یک اجاق گاز گرما ساطع می کنند و هاوکینگ دمای آنها را محاسبه کرد. گرمای تابشی انرژی را می برد. با از دست دادن انرژی، سیاهچاله به تدریج جرم خود را از دست می دهد (جرم انرژی است) و سبک تر و کوچکتر می شود. افق آن کوچک می شود. در اصطلاح ما می گوییم که سیاهچاله “تبخیر می شود”.
انتشار گرما مشخصه ترین فرآیندهای برگشت ناپذیر است: فرآیندهایی که در یک جهت زمانی رخ می دهند و قابل برگشت نیستند. اجاق گاز گرما ساطع می کند و اتاق سرد را گرم می کند. آیا تا به حال دیده اید که دیوارهای یک اتاق سرد گرما منتشر می کنند و اجاق گاز گرم را گرم می کنند؟ هنگامی که گرما تولید می شود، فرآیند برگشت ناپذیر است. در واقع، هر زمان که فرآیند برگشت ناپذیر باشد، گرما تولید می شود (یا چیزی مشابه). گرما نشانه برگشت ناپذیری است. گرما گذشته را از آینده متمایز می کند.
بنابراین حداقل یک جنبه به وضوح غیرقابل برگشت در زندگی یک سیاهچاله وجود دارد: کوچک شدن تدریجی افق آن.
اما مراقب باشید: کوچک شدن افق به معنای کوچکتر شدن فضای داخلی سیاهچاله نیست. فضای داخلی تا حد زیادی همان چیزی است که هست، و حجم داخلی همچنان در حال رشد است. فقط افق است که کوچک می شود. این نکته ظریفی است که بسیاری را سردرگم می کند. تشعشعات هاوکینگ پدیده‌ای است که عمدتاً به افق مربوط می‌شود، نه فضای داخلی عمیق سوراخ. بنابراین، معلوم می‌شود که یک سیاهچاله بسیار قدیمی هندسه‌ای عجیب دارد: یک فضای داخلی عظیم (که همچنان به رشد خود ادامه می‌دهد) و یک افق کوچک (چون تبخیر شده است) که آن را در بر می‌گیرد. یک سیاهچاله قدیمی مانند یک بطری شیشه‌ای است که در دستان یک شیشه‌گر ماهر مورانو است که با باریک‌تر شدن گردن، حجم بطری را افزایش می‌دهد.
بنابراین در لحظه جهش از سیاه به سفید، سیاهچاله می تواند افق بسیار کوچک و فضای داخلی وسیعی داشته باشد. پوسته کوچکی که فضاهای وسیعی را در خود جای داده است، مانند یک افسانه.
در افسانه‌ها به کلبه‌های کوچکی برمی‌خوریم که وقتی وارد می‌شویم، صدها اتاق وسیع را در خود جای می‌دهند. این غیرممکن به نظر می رسد، چیزهای افسانه ها. اما اینطور نیست. یک فضای وسیع محصور در یک کره کوچک به طور مشخص امکان پذیر است.
اگر این برای ما عجیب به نظر می رسد، تنها به این دلیل است که به این ایده عادت کرده ایم که هندسه فضا ساده است: هندسه اقلیدس همان چیزی است که در مدرسه مطالعه می کردیم. اما در دنیای واقعی اینطور نیست. هندسه فضا توسط گرانش مخدوش می شود. اعوجاج اجازه می دهد تا یک حجم غول پیکر در یک کره کوچک محصور شود. گرانش ستاره پلانک چنین اعوجاج عظیمی را ایجاد می کند.
مورچه ای که همیشه در یک میدان بزرگ و مسطح زندگی می کرده است وقتی متوجه می شود که از طریق یک سوراخ کوچک به یک گاراژ بزرگ زیرزمینی دسترسی دارد شگفت زده می شود. برای ما سیاهچاله هم همینطور. آنچه شگفتی می آموزد این است که ما نباید به ایده های معمولی اعتماد کورکورانه داشته باشیم: جهان غریب تر و متنوع تر از آن چیزی است که ما تصور می کنیم.
وجود حجم های بزرگ در افق های کوچک نیز باعث ایجاد سردرگمی در دنیای علم شده است. جامعه علمی دچار دودستگی شده است و در مورد موضوع بحث می کنند. در ادامه این بخش از این اختلاف برای شما می گویم. تکنیکی‌تر از بقیه است – اگر دوست دارید از آن بگذرید – اما تصویری از یک بحث علمی زنده و مداوم است.
اختلاف نظر مربوط به این است که چه مقدار اطلاعات می توانید در یک موجودیت با حجم زیاد اما سطح کوچک جمع کنید. بخشی از جامعه علمی متقاعد شده است که یک سیاهچاله با افق کوچک فقط می تواند حاوی مقدار کمی اطلاعات باشد. دیگری مخالف است.
“حاوی اطلاعات” به چه معناست؟
کم و بیش این: آیا در جعبه ای حاوی پنج توپ بزرگ و سنگین چیزهای بیشتری وجود دارد یا در جعبه ای که حاوی بیست تیله کوچک است؟ پاسخ بستگی به این دارد که منظور شما از «چیزهای بیشتر» چیست. پنج توپ بزرگتر و وزن بیشتری دارند، بنابراین جعبه اول حاوی ماده بیشتر، ماده بیشتر، انرژی بیشتر، و مواد بیشتر است. از این نظر “چیزهای بیشتری” در جعبه توپ وجود دارد.
اما تعداد تیله ها از تعداد توپ ها بیشتر است. به این معنا، “چیزهای بیشتر”، جزئیات بیشتر، در جعبه تیله وجود دارد. اگر می خواستیم سیگنال ارسال کنیم، با دادن یک رنگ به هر تیله یا هر توپ، می توانستیم سیگنال های بیشتر، رنگ های بیشتر، اطلاعات بیشتر را با تیله ها ارسال کنیم، زیرا تعداد آنها بیشتر است. به طور دقیق تر: برای توصیف تیله ها به اطلاعات بیشتری نسبت به توصیف توپ نیاز است، زیرا تعداد آنها بیشتر است. از نظر فنی، جعبه توپ حاوی مقدار بیشتری است انرژیدر حالی که جعبه سنگ مرمر حاوی مقدار بیشتری است اطلاعات.
یک سیاهچاله قدیمی که به میزان قابل توجهی تبخیر شده است، انرژی کمی دارد، زیرا انرژی از طریق تشعشعات هاوکینگ منتقل شده است. آیا هنوز هم می تواند حاوی اطلاعات زیادی باشد، پس از اینکه بسیاری از انرژی آن از بین رفته است؟ اینجا نزاع است.
برخی از همکاران من خود را متقاعد کردند که نمی توان اطلاعات زیادی را زیر یک سطح کوچک جمع کرد. یعنی آنها متقاعد شدند که وقتی بیشتر انرژی از بین رفته و افق کوچک شود، فقط اطلاعات کمی می تواند در داخل باقی بماند.
بخش دیگری از جامعه علمی (که من به آن تعلق دارم) برعکس آن را متقاعد کرده اند. اطلاعات موجود در یک سیاهچاله – حتی سیاهچاله ای که به شدت تبخیر شده است – هنوز هم می تواند بزرگ باشد. هر یک از طرفین متقاعد شده است که طرف مقابل به بیراهه رفته است.
اختلاف نظرهایی از این دست در تاریخ علم رایج است; شاید بتوان گفت که آنها نمک این رشته هستند. آنها می توانند مدت طولانی دوام بیاورند. دانشمندان جدا می شوند، نزاع می کنند، جیغ می زنند، دعوا می کنند، دعوا می کنند، به گلوی یکدیگر می پرند. سپس، به تدریج، وضوح ظاهر می شود. برخی در نهایت درست می گویند، برخی دیگر در نهایت اشتباه می کنند.
به عنوان مثال، در پایان قرن نوزدهم، دنیای فیزیک به دو بخش شدید تقسیم شد. یکی از آنها به پیروی از ماخ فکر می کرد که اتم ها فقط داستان های ریاضی راحت هستند. دیگری از بولتزمن پیروی کرد و معتقد بود که اتم ها به صورت واقعی وجود دارند. بحث ها وحشیانه بود. ارنست ماخ شخصیت بزرگی بود، اما این بولتزمن بود که حق با او بود. امروزه حتی اتم ها را از طریق میکروسکوپ می بینیم.
من فکر می کنم همکاران من که متقاعد شده اند که یک افق کوچک فقط می تواند حاوی مقدار کمی اطلاعات باشد، اشتباه جدی مرتکب شده اند، حتی اگر در نگاه اول استدلال آنها قانع کننده به نظر برسد. بیایید به اینها نگاه کنیم.
اولین استدلال این است که می توان با شروع از رابطه بین انرژی و دمای آن، محاسبه کرد که چند جزء بنیادی (مثلاً چند مولکول) یک جسم را تشکیل می دهند. ما انرژی یک سیاهچاله (جرم آن است) و دمای آن (محاسبه شده توسط هاوکینگ) را می دانیم، بنابراین می توانیم محاسبات را انجام دهیم. نتیجه نشان می دهد که هر چه افق کوچکتر باشد، اجزای اولیه آن کمتر است.
بحث دوم این است که محاسبات صریح وجود دارد که به ما امکان می‌دهد این مؤلفه‌های ابتدایی را مستقیماً با استفاده از هر دو نظریه گرانش کوانتومی – نظریه ریسمان و نظریه حلقه – بشماریم. دو نظریه بایگانی این محاسبات را در فاصله چند ماه از یکدیگر در سال ۱۹۹۶ تکمیل کردند.
به نظر می رسد اینها استدلال های قوی هستند. بر اساس این استدلال ها، بسیاری از فیزیکدانان یک “دگما” را پذیرفته اند (آنها خودشان آن را چنین می نامند): تعداد اجزای اساسی موجود در یک سطح کوچک لزوماً کم است. در یک افق کوچک فقط اطلاعات کمی وجود دارد. اگر شواهد این «دگما» اینقدر قوی است، خطا کجاست؟
این در این واقعیت نهفته است که هر دو استدلال فقط به اجزای سیاهچاله اشاره می کنند که می توانند از بیرون شناسایی شوند، تا زمانی که سیاهچاله همان چیزی که هست باقی بماند. و اینها فقط اجزای ساکن در افق هستند. به عبارت دیگر، هر دو استدلال نادیده می گیرند که می تواند اجزایی در حجم داخلی بزرگ وجود داشته باشد. این استدلال‌ها از منظر کسی که از سیاهچاله دور می‌ماند، درون را نمی‌بیند، فرمول‌بندی می‌شود و فرض می‌کند که سیاهچاله برای همیشه همان‌طور که هست باقی می‌ماند. اگر سیاهچاله برای همیشه به همین شکل بماند – به یاد داشته باشید – کسانی که از آن دور هستند فقط آنچه را که در بیرون است یا آنچه را درست در افق است می بینند. انگار برای آنها باطن وجود ندارد. برای آنها.
اما فضای داخلی وجود دارد! و نه تنها برای کسانی (مثل ما) که جرات ورود دارند، بلکه برای کسانی که به سادگی صبر می کنند تا افق سیاه سفید شود و اجازه می دهد آنچه در درون به دام افتاده بود بیرون بیاید. به عبارت دیگر، تصور اینکه محاسبات تعداد اجزای یک سیاهچاله که توسط نظریه ریسمان یا تئوری حلقه ارائه شده است کامل باشد به این معناست که در انجام آن ناکام مانده است. مقاله فینکلشتاین در سال ۱۹۵۸. شرح یک سیاهچاله از بیرون ناقص است.
محاسبه گرانش کوانتومی حلقه آشکار است: تعداد اجزا دقیقاً با شمارش تعداد کوانتوم‌های فضا در افق محاسبه می‌شود. اما محاسبات تئوری ریسمان، با بررسی دقیق، همین کار را می کند: فرض می کند که سیاهچاله ساکن است، و بر اساس آنچه از دور دیده می شود، است. بر اساس فرضیه، آنچه در داخل است و آنچه که پس از پایان تبخیر سوراخ از دور دیده می شود – زمانی که دیگر ساکن نیست، نادیده می گیرد.
من فکر می کنم که برخی از همکاران من از بی صبری اشتباه می کنند و می خواهند همه چیز قبل از پایان تبخیر حل شود، جایی که گرانش کوانتومی اجتناب ناپذیر می شود) و به این دلیل که فراموش می کنند آنچه را فراتر از چیزی است که می توان بلافاصله مشاهده کرد در نظر بگیرند – دو اشتباهی که همه ما مکرراً داریم. ساختن در زندگی
پیروان عقاید جزمی با مشکل مواجه می شوند. آنها آن را “پارادوکس اطلاعات سیاهچاله” می نامند. آنها متقاعد شده اند که در داخل یک سیاهچاله تبخیر شده دیگر هیچ اطلاعاتی وجود ندارد. در حال حاضر، هر چیزی که در سیاهچاله می افتد حاوی اطلاعات است. بنابراین حجم زیادی از اطلاعات می تواند وارد سوراخ شود. اطلاعات نمی توانند ناپدید شوند. کجا می رود؟
برای حل این پارادوکس، طرفداران دگم تصور می کنند که اطلاعات به روش های مرموز و باروک از سوراخ فرار می کند، شاید در چین های تابش هاوکینگ، مانند اولیس و همراهانش که با پنهان شدن در زیر گوسفند از غار سیکلوپ فرار می کنند. یا حدس می زنند که داخل سیاهچاله توسط کانال های نامرئی فرضی به بیرون متصل است. . . اساساً، آنها به نی چنگ می زنند – مانند همه جزم اندیشان در مشکل، به دنبال راه های مبهم برای نجات جزم هستند.
اما اطلاعاتی که وارد افق می شود با برخی وسایل مخفیانه و جادویی فرار نمی کند. به سادگی پس از تبدیل افق از یک افق سیاه به یک افق سفید ظاهر می شود.
استیون هاوکینگ در سال‌های پایانی زندگی خود متذکر می‌شد که نیازی به ترس از سیاه‌چاله‌های زندگی نیست: دیر یا زود راهی برای خروج از آنها وجود خواهد داشت. وجود دارد – از طریق سوراخ سفید کودک.
این مقاله در ابتدا در Engadget در https://www.engadget.com/hitting-the-books-white-holes-carlo-rovelli-riverhead-153058062.html?src=rss منتشر شد
منبع: https://www.engadget.com/hitting-the-books-white-holes-carlo-rovelli-riverhead-153058062.html?src=rss