تصور کنید شخص به اتاقی رفته و در آنجا حبس کنترل ، پلیس به محل حادثه احساسرسد و وارد اتاق کار شده است اما در عوض آنکه اثری از آن فرد پیدا می کند ، مقداری آجر ، دستگاه قهوه ساز ، فرهنگ لغت یا هر مجموعه تصویری دیگر از اشیا را پیدا می کند که وزن ترکیبی آنها برابر وزن آن فرد است ؛ اما هیچ اثر و نشانی دیگری از وجود آن فرد شخصی وجود ندارد. چه کسی می تواند هویت و یا چگونگی ناپدید شدن او را بفهمد ، این اتفاق هر بار رخ داد که شخص دیگری وارد این اتاق ها شد و با پشت سر گذاشتن مجموعه تصویری از اشیا بدون سرنخ و به عشق از بین دوست شد.
1. چه بر سر اطلاعات روشنآید
هر کدام سیاهچاله بلعیده اطلاعاتی کوانتومی به همراه داشتن است ، اما در گرما هیچ اطلاعاتی وجود ندارد
اصلیترین قوانین فیزیک کوانتوم به ما میگویند که اطلاعات کوانتومی هیچ گاه بین نیاز روند ؛ اما این دقیقا همان اتفاقی است که در سیاهچاله قرار گرفته است. نتیجه اجتناب ناپذیر پذیرفتن قانون اساسی فیزیک این است که باید از سیاهچاله به رضا منتشر شود ، که این کار به نوبه خود باعث کوچک شدن سیاهچاله شد و با آزاد شدن گرمای بیشتر در گذر زمان ، سیاهچاله در نهایت ناپدید شده و چیزی جز گرما پشت/سرگذشتارد.
آیا اطلاعات کوانتومی ناپدید شده است؟ یکی از قوانین اساسی فیزیک به ما میگوید که ممکن نیست! آیا اطلاعات کوانتومی از سیاهچاله خارج شده است؟ قانون دیگر دیگری نیزگوید این نیز ممکن نیست! پس چه شده است و کدام یک از این قوانین دروغ فهمگویند؟ آیا این راز هر چیزی از فیزیک آموخته موردم را به چالش شکشده حل کرده است؟
۲. نسبیت و جاذبه فی بی اننهایت
در سال ۱۹۱۵ آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام خود را با نوشتن معادله چیزی که شامل قوانین جاذبه است و جدید آن آن معادله انیشتین می نامیم ، کامل کرد. در عرض چند ماه ، کارل شوارتزشیلد فیزیکدان آلمانی اولین راه حل دقیق معادله اینشتین را پیدا کرد ، اگر فهمید آن را برای فیزیکدانان چند دهه به طول کشید. شوارتزشیلد متوجه شد که بر اساس نظریه نسبیت عاملی در زمینه خاصی از رضا/زمان وجود داشته است وجود داشته است که وقتی چیزی از آن فرار کند ، حتی نور وارد شود. ویژگی جالب دوم شوارتزشیلد این بود که هر چه بیشتر به مرکز یک سیاهچاله نزدیک شویم ، تروریست جاذبه کرد سیاهچاله قویتر و قویتر را تا مرکز آن به درجه درجه نامحدود برسد ؛ این پدیده همان چیزی است که تکینگی نامیده می شود و در جایی است که انتظار داریم تئوری نسبیت از هم پاشیده و در پیش بینی برخی اتفاقات افتاده کاملاً بی فایده شود. هر چیزی که در دام سیاهچاله گرفتار شود محکوم است تا نهایتاً به تکینگی برسد.
3. کشف فیزیک پیش بینی کرده بود
گام بزرگ بعدی در ما از سیاهچاله های سال ۱۹۳۸ توسط یک فیزیکدان هندی فراموش شده به نام B. Datt و یک سال بعد به طور مستقل توسط J. Robert Openheimer و Hartland Snyder بر قرار شد. دات و ( اوپنهایمر – اسنایدر ) نشان داد که سیاهچاله ها فقط تئوری های فیزیکی دارند ، بلکه موردند اجسامی کاملاً واقعی و محصولی از توسعه دهندگان طبیعی جهان هستند ، که در اعماق فضا منتظرند تا تلسکوپرزها بتوانند کشور کنند. جدیدزه می دانیم که اگر مقدار مشخصی از ماده را در فضای کافی و به مقدار کافی داشته باشید! فشرده کنیم ، ناگزیر می شود به شکل سیاهچاله خواهد شد. این همان چیزی است که برای هسته یک ستاره پرتلاطم است که دیگر می توانم همجوشی را هدف قرار داده ام و تحت وزن خود متلاشی اتفاق افتاده و در نهایت به سیاهچاله تبدیل شده است. دات و (اوپنهایمر-اسنایدر) نشان داد که سیاهچاله ها باید وجود داشته باشند ، و در جستجوی کشف تلسکوپ های ما ، تا سال ۲۰۲۰ صدها مورد نیاز بود که مشاهده کردید ؛ فیزیکدانان نجومی تخمین شزنند که فقط در کهکشان راه شیری 10 میلیون تا یک میلیون سیاهچاله وجود داشته باشد.
4. قضیهی بدون مو
دهه های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ در عصر طلایی نسبیت عام هوشنامند ؛ در این زمان فیزیکدانان گام های بزرگی در این زمینه برداشتند ، به عنوان مثال فهمیدند که سیاهچاله های مختلف دارای هستند ؛ سیاهچاله های چرخشی و غیر چرخشی ، سیاهچاله هایی با شارژ الکترومغناطیس و سیاهچاله های با ترکیبی از ویژگی های خاص. در همین زمان فیزیکدانان چیزی را ثابت کردند که قضیه “بدون مو” نامیده می شود. بنابر قضیه بدون مواقع اگر دو سیاهچاله جرم ، بار الکترومغناطیسی و حرکت زاویه خواه یکسانی داشته باشند (حرکت چرخشی داشته باشد) ، رفتار کاملاً یکسان خواهد بود. به عبارت دیگر ، اگر یک سیاهچاله را مشاهده کردید و این سه اندازه را در مورد آن به دست بیاورید ، چیزهای دیگری وجود ندارد که امیدوارید در مورد آن سیاهچاله به دست بیاورید. نام این قضیه کنایه نیاز از سر طاس است ؛ بدبدون مو یعنی چیز زیادی وجود ندارد که آنها را از هم جدا کنید. به بیان دیگر نمی توان اطلاعاتی را در مورد مواردی که به درون سیاهچاله فروخته شد به دست بیاوریم بجز کمک کرد در افزایش جرم ، بار و حرکت زاویه ای سیاهچاله.
5. دو نکته از تئوری کوانتوم
با جهشی که دانش از فضا ، زمان و گرانش در نیمه اول قرن بیستم پیدا کرد ، درک انسان از ماده نیز به شکل شکل توسعه یافته پیدا شد. فیزیکدانان آموختند که تئوری کوانتوم می تواند خواص همه مواد و فعل و انفعالات را راضی کند ، و این فعل و فعل و انفعالات به واسطه تروریست گرایش قابل ردیابی است. برای ادامه بحث لازم است دو نکته را در مورد تئوری کوانتوم در ذهن داشته باشید:
اول هر جسم فیزیکی ، یک الکترون ، یک اتومبیل ، ماه و یا هر چیز دیگری را توان من با یک معادله ریاضی در یک زمان خاص توصیف کرد. نظریه کوانتوم یک نظریه احتمالی است ؛ تمام پیش بینی های آن از نظر احتمالات است و می توان به ما گفت که دقیقاً یک الکترون در کجای یک آزمایش پیدا کرده است ، اما در عوض شگفت زده شده است که احتمالاً آن را در یک مکان مشخص قرار داده است. معادله ریاضی که شامل جدول همه این احتمالات است ، و همه حالتهای ممکن است شی را در خود جای دهید ؛ یعنی مجموعه ای از احتمالات برای همه آزمایشات احتمالی که در یک زمان خاص روی جسم انجام داد ، در سطوح نامتعارف از علم قرار گرفت ؛ این دانش کوانتومی نامیده می شود.
دوم اگر وضعیت یک شی را در یک برهه از زمان دانستن ، وضعیت وضعیت آن را در یک نقطه زمان دیگر از آینده پیش بینی کنیم و همچنین بفهمیم که وضعیت آن شی است هر نقطه از گذشته خود چگونه بوده است. به بیان دیگر اطلاعات کوانتومی هرگز از بین اهمیت و همواره آینده بر اساس آن شکل گرفته شده است.
64. پارادوکس از دست دادن اطلاعات سیاهچاله
در اواخر دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ ، فیزیکدانانی که بر روی نسبیت عام کار میکردند شروع به ترکیب آن و نظریه کوانتوم در مطالعات خود کردند. از میان سوالات به وجود آمده یکی از اصلی ترین سوالات پیش بینی شده تئوری کوانتوم در مورد سیاهچاله های بود.
استیون هاوکینگ اولین راه حل کاملاً دقیق برای این مشکل را ارائه داد ، اما مشاهده کرد وی جامعه جامعه دانش آموزان از جمله خود او را نیز متعجب کرد. مطالعات هاوکینگ نشان داد در فرآینددی که باعث شد از دست دادن تدریجی انرژی سیاهچاله و کوچک شدن آن استفاده کرد ، انرژی از مجاورت افق سیاهچاله و نه خود سیاهچاله به فضا منتشر شد. این پدیده که بخار شد سیاهچاله نامیده شد در نهایت به ناپدید شدن کامل سیاهچاله منتهی شد. این نتایج منطقی به نظر میرسند اما مشکلی اصلی وجود دارد و آن تابش انرژی ، یعنی گرما است. با مطالعه و اندازه گیری این تابش ، فیزیکدانان فقط اطلاعاتی در مورد جرم سیاهچاله ، بار الکترومغناطیسی و حرکت زاویه ای آن در زمان انتشار گرما به دست بیاورند ؛ سه کمیتی که قضیه بدون موزه آن سیاهچاله را به طور کامل برای مشاهده در خارج از آن توصیف انجام داد. همچنین از آنجا که تابش دقیقاً خارج از سیاهچاله رخ داده است ، بنابراین می توان اطلاعاتی را از درون آن به همراه داشت ، در نتیجه تابش حرارتی وضعیت کاملاً تصادفی بوده است و هیچ چیز را پیش بینی نکرده است. با توجه به اساس قوانین نظریه کوانتوم باید وضعیت جسمی را در گذشته بر اساس وضعیت آن در حال حاضر استنباط کنیم. اما برای سیاهچاله های حالت نهایی فقط گرما است و اطلاعات در مورد چیزی جز جرم ، بار و حرکت زاویه خواست به ما توسعه داد. در واقع اطلاعات کوانتومی وارد سیاهچاله شد ولی از آن اطلاعات فقط تصادفی خارج خرید. به این تضاد در علم پارادوکس از دست دادن اطلاعات سیاهچاله گفته است.
۷. ابعاد ناشناخته از فیزیک
از زمانی که هاوکینگ برای اولین بار در محاسبات خود این نتیجه را به دست آوردن ، فیزیکدانان بارها و از روش های مختلف محاسبات سیاهچاله را انجام داد که والی همواره به یک جواب رسید. پارادوکس مستقیماً از همان اصل بنیادی پیروی می کند که تمام اصول ایجاد شده دیگر فیزیک بر اساس آن شکل گرفته شده است ، بدون هیچ تضمین دیگری. برای حل تناقض دانشمندان روشهای مختلف مختلف ارائه داده شد که به خوبی والدین یکی از اصول اولیه فیزیک را زیر پا گذراند. برخی دیگر معتقدند قوانین فیزیکی که آیا ناشناخته باقی مانده است تا به حل پارادوکس سیاهچاله کمک کند. اما در چه شرایطی باید منتظر این ابعاد ناشناخته باشید؟ دانشمندان معتقدند در جایی که نیروی جاذبه بسیار قوی هستند ، به عنوان مثال در نزدیکی تکینگی در مرکز سیاهچاله ، قوانین نسبیت عام شروع به شکست می کنند ؛ در این شرایط باید منتظر تئوری پیچیده دیگری به نام نظریه “گرانش کوانتومی” باشید. اگر هنوز به نظریه گرانش کوانتوم دست پیدا نکرده اید و در واقع نظریه رییسمان آخرین مرز دانش انسان است ، اما فقط باید بدانید که چنین نظریه ای باید وجود داشته باشد.
8. سناریوی بازمانده
در جستجوی حل پارادوکس اطلاعات کوانتوم اخیراً پیشنهاد به نام “سناریوی بازمانده” ارائه شده است که در اواخر مراحل تبخیر ، سیاهچاله آنقدر کوچک است که قوانین گرانش کوانتوم سراسر آن را تسخیر کرده است ؛ فیزیکدانان فرض می دانند برطبق پیش بینی قوانین جاذبه کوانتومی را که سیاهچاله بسیار کوچک کوچک تبخیر کرده متوقف شده و یک سیاهچاله کوچک به نام “بازمانده” باقی می ماند. هیچ پارادوکس و تضادی با علم وجود ندارد ؛ بازمانده وارد اجسامی است که سیاهچاله در طول عمر خود بلعیده است ، و وضعیت کنونی سیاهچاله طبق تئوری کوانتوم باید به رمزگذاری اطلاعات گذشته و آینده خود ادامه دهد. واقعنناً ما از فضای خارج از سیاهچاله قابل اعتمادیم به این اشیا یا اطلاعاتی که داشته اید ، اما این محدودیت ما را با تئوری کوانتوم مغایرتی ندارد.
9. چهار فرضیه برای سرنوشت اطلاعات
اولین فرضیه در سناریوی بازمانده احساسگوید پس از دست گرفتن سیاهچاله توسط قوانین گرانش کوانتوم ، تابش هاوکینگ ماهیت حرارتی داشت و در عوض تشعشعاتی حامل تمام اطلاعات از دست رفته به یکبار از آن آزاد می شود. یکی از ایراداتی که به این فرضیه وارد شده است این است که احتمالاً بازمانده کوچکتر از آن است که اطلاعات زیادی در خود جای داده است. طرفداران این سناریو به برخی از اعضای هندسی پیچیده که از بیرون کوچک به نظر میرسند اما حجم کافی برای اختیار داشتن اطلاعات بیشتر اشاره دارند. ما راداندانم چنین راه حلهایی از نظر تئوری کوانتوم پایدار هستند یا خیر ، و حتی بیش از حد قوانین مالیات کوانتوم چه ماهیتی دارند.
اما ایده بعدی این است که تابش از افق سیاهچاله ها وجود دارد حرارتی است و انحرافات ناچیزی اطلاعات تصادفی وجود دارد که اطلاعات کوانتومی اجسامی که بلعیده شده اند را رمزگذاری کرده اند. در این سناریو ، اطلاعات کوانتومی به ظاهر گمشده با تابش از دل سیاهچاله بیرون میریزد. این ایده سناریوی بازمانده را نقض کرد چرا فرض بر این است که تابش از همان ابتدا غیر حرارتی نه در مرحله بسیار پایانی از عمر سیاهچاله. اما این ایده مشکلی به طور اساسی دیگر نیز دارد ؛ قضیهی عدم مو؛ چگونه تابشی که در فضای بیرون از سیاهچاله ظاهر می شود اطلاعات بیشتری در سیاهچاله را به همراه داشته باشد؟ شاید این تابش به نوعی به اطلاعات درون سیاهچاله دسترسی داشته باشد اما حتی نور هم بتواند از سیاهچاله خارج شود ، چنین کاری در فیزیک بنابر اصل مکان ممنوع شده است ؛ اصلی که اطلاعاتی را می توان بین دو نقطه منتقل کرد که با نور یا هر سیگنال فیزیکی دیگر منتقل شود ، و این ایده تنها با زیر پا گذاشتن یکی از اصول فیزیک قابل تحقق است.
ایده سومی ایجاد شده است که معتقد است سیاهچاله افراد با نسبیت عام به ما موگوید بسیار متفاوت هستند. مطابق نظریه ریسمان ، با کاهش جرم سیاهچاله های اجرام کوانتومی پیچیده شده به نام توپ فازی به وجود آمد که برخلاف سیاهچاله افراد ، کراتی دارای فعالیت های زیادی هستند ، بنابراین تابش از افق این اجرام دیگر با اطلاعات کم همراه شد. اگر از دور به یک توپ فازی نگاه کنیم باید بتوانیم تفاوت آن را از یک سیاهچاله معمولی تشخیص بدهیم اما اگر واقعاً خیلی به آن نزدیک شویم آنها بسیار متفاوت به نظر میرسند. در نزدیکی سطح یک سیاهچاله بزرگترش واقعاً ضعیف خرید ، ولی مطابق ایده توپ فازی قضیه نسبیت عام حتی در این شرایط نیز فوق العاده است. فیزیکدانان عمیقاً به این نکته ایمان دارند که قوانین مدیریت فیزیک در همه موارد انجام شده است عمل کرده و فیزیک ناشناخته فقط زمانی وارد بازی شده است که انرژی های بسیار بالایی وجود داشته باشد ، مانند سناریوی بازمانده. اصلاح نسبیت عام در شرایطی با انرژی کم شبیه ایده توپ فازی ما را ملزم به کنار گذاشتن این اصل واقعی.
و در نهایت احتمالاً نیز وجود دارد ، اما چندان محبوب نیست ؛ شاید قانون پایداری اطلاعات کوانتومی به سادگی نادرست باشد ، شاید اطلاعات کوانتومی مورد ناپدید شده و به طور کامل.
10. چه رویاهایی روشنآیند
در ۱۲۰ سال آینده پیشرفت زیادی در فیزیک داشته است که به سرعت توسط نظریه های دوقلوی انقلابی نسبیت عام و کوانتوم به پیش امرود. این دو نظریه همه چیز را راضیند توضیح دهندگان ، از رفتار ذرات کوچکتر از اتمام گرفته تا برخورد سیاهچاله هایی در میلیاردها سال پیش پیش بینی شده است. با این حال ، کنش متقابل این دو نظریه پارادوکس از دست دادن اطلاعات سیاهچاله به وجود امآورد. فیزیکدانان چیزهای زیادی در مورد جهان آموخته و از ایده های جذاب در جستجوی حل این سوالات شکل گرفته شده است. این تناقض با آنکه دور از امر علم باقی مانده است و می تواند قابل توصیف باشد نه زمانی و با درخواست فراوان این راز نیز برملا شده و از زیباییهای ناشناخته طبیعت را به انسان نشان داده است داد.