درآمدی فشرده بر معمای اطلاعات سیاهچاله
دانشمندان بی‌وقفه دارند برروی مرزهای ناشناختۀ علم کار می کنند، جایی که تک‌تک قطعه های دانش مسیری به سوی افقی نامطمئن می گشایند.
در این میان، هیچی نامطمئن تر یا گاهی دلگرم‌کننده تر از یک معمای متناقض‌نما نیست.
در سرتاسر تاریخ علم، متناقض‌نماها مدام ساختار دانش بشری را به خرابی تهدید کرده اند. البته اغلب به همین اندازه به درک و شناخت ما درباره جهان هستی شکل داده اند.
امروزه، یکی از تاریک ترین متناقض‌نماهای موجود در کیهان دانشمندان را برای پرده‌برداری از حوزه های ویژه ای از مکانیک کوانتوم و نسبیت عام آزار می دهند اینست:
معمای اطلاعات سیاهچاله.
برای رسیدن به درک بهتری درباره این متناقض‌نما ابتدا باید مشخص کنیم که منظورمان از “اطلاعات” چیست.
بطور معمول، اطلاعاتی که در موردش حرف می زنیم با چشم غیرمسلح قابل رویت است.
برای مثال، این نوع اطلاعات به ما بیان می کند که سیب شیئی سرخ، گرد و براق است.
اما دغدغۀ فیزیکدانان بیشتر به اطلاعات کوانتومی مربوط می شود.
منظورمان خصوصیت های کوانتومی مرتبط با تمام ذره هایی است که آن سیب را می سازند، از جمله موقعیت مکانی، سرعت و گردش آنها.
هر جرمی در کیهان از ذره هایی با خصوصیت های کوانتومی بی‌همتا تشکیل شده است.
چنین دیدگاهی بطور معناداری در یکی از قوانین سرزنده فیزیک اتخاذ می گردد:
مقدار کل اطلاعات کوانتومی موجود در کیهان می بایست محفوظ باقی بماند.
حتی اگر شیئی را بطور کامل از هستی نابود کنیم، باز هم اطلاعات کوانتومی آن هرگز تا ابد پاک نمی شوند.
از لحاظ نظری نیز دانش مرتبط با آن اطلاعات امکانی برایمان فراهم می آورد تا شیئ را از روی مولفه های ذره‌ای‌اش بازسازی کنیم.
بقای اطلاعات تنها یک قاعدۀ دلبخواهی نیست، بلکه از لحاظ ریاضی ضرورت دارد و بر مبنای آن قسمت اعظمی از علوم نوین پایه‌گذاری شده است.
اما پیرامون سیاهچاله ها، این اصول بنیادی به لرزه درمی آیند.
وقتی سیبی وارد سیاهچاله می شود، طوری به نظر می رسد که انگار دارد جهان هستی را ترک می کند و تمام اطلاعات کوانتومی آن در حالی از بین می رود که دیگر قابل برگشت نخواهد بود.
با این حال، قوانین فیزیک بی‌درنگ شکسته نمی شوند.
اطلاعات دیگر رویت نمی شود ولی شاید هنوز هم درون تاریکی های اسرارآمیز سیاهچاله وجود داشته باشد.
به همین ترتیب، برخی نظریه ها پیشنهاد می دهند که اطلاعات حتی به درون فضای سیاهچاله هم نمی رسند.
از بیرون که رصد می کنیم، طوری به نظر می آید که اگر اطلاعات کوانتومیِ سیب برروی لایۀ سطحی سیاهچاله که به آن “افق رویداد” می گویند رمزنگاری می گردد.
همانطور که جرم سیاهچاله افزایش می یابد، سطحِ افق رویداد نیز رشد می کند.
پس این امکان وجود دارد که سیاهچاله هر گاه جرمی را می بلعد، به اندازه کافی رشد می کند تا اطلاعات کوانتومی آن جرم را نیز حفظ کند.
اما خواه اطلاعات درون سیاهچاله یا برروی سطح آن ذخیره شود، قوانین فیزیک دست‌نخورده باقی می ماند… البته تا زمانی که قضیۀ “پرتوافشانی هاوکینگ” را شرح دهیم.
این پدیده که در سال 1974 توسط استفان هاوکینگ کشف شد به ما نشان می دهد که سیاهچاله ها بتدریج تبخیر می شوند.
در طول دوره های زمانی بسیار بلند، سیاهچاله ها با گسیل ذرات از افق رویداد خود، جرم از دست می دهند.
در موقعیتی بحرانی به نظر می آید که ذره های در حال تبخیر هیچ پیوندی با اطلاعاتِ رمزنگاری‌شده در سیاهچاله ندارند. بنابراین، سیاهچاله و تمام اطلاعات کوانتومی موجود در آن بطور کامل پاک می شود.
آیا این اطلاعات کوانتومی واقعاً ناپدید می شود؟
اگر نمی شود، پس کجا می رود؟
با اینکه فرایند تبخیر در مدتی فوق‌العاده طولانی رخ می دهد، پرسش هایی که برای علم فیزیک مطرح می کند به شدت اساسی هستند.
نابودیِ اطلاعات ما را مجبور می کند برخی از چارچوب های بنیادی علم را بازنویسی کنیم.
اما خوشبختانه، هر معمای متناقض‌نمایی در علوم بشری فرصتی فراهم می آورد تا به اکتشاف های تازه ای برسیم.
پژوهشگران اکنون در حال کندوکاو در گسترۀ وسیعی از راه‌حل های احتمالی برای “معمای اطلاعات” هستند.
بعضی از آنها نظریه‌پردازی کرده اند که اطلاعات کوانتومی در حقیقت درون پرتوافشانی در حال گریز از سیاهچاله رمزنگاری می گردد، هر چند که بطور قطع نمی توانیم مفهومش را درک کنیم.
بقیه نیز پیشنهاد داده اند که این معمای متناقض‌نما تنها شناختی اشتباه درباره برهم‌کنش میان نظریه های نسبیت عام و میدان کوانتومی است. این دو نظریه به ترتیب بزرگترین و کوچکترین پدیده های فیزیکی کیهان را توصیف می کنند و درآمیختن آنها به شدت دشوار است.
برخی پژوهشگران اعتقاد دارند که یک راه‌حل خوب برای این مسئله و بسیاری از معماهای دیگر بطور طبیعی می تواند “نظریۀ یکپارچه همه‌چیز” باشد.
اما شاید سرسام‌آورترین نظریۀ حاصل از کاوش در این معمای متناقض‌نما “اصل تمام‌نگاری” یا هولوگرافیک باشد.
با بسط این مفهوم که سطحِ دوبعدی هر افق رویداد می تواند اطلاعات کوانتومی را ذخیره کند، اصل تمام‌نگاری بیان می کند خود مرز کیهانِ قابل‌رویت نیز سطحی دوبعدی است که با اطلاعاتی درباره اجرام سه‌بعدیِ واقعی رمزنگاری شده است.
اگر اینها حقیقت داشته باشد، امکان دارد که جهان هستی آنطور که مشاهده می کنیم تنها دورنمایی تمام‌انگاری‌شده از همان اطلاعات باشد.
چنانچه هر کدام از این نظریه ها اثبات شوند، پرسش های تازه ای برای کاوش بوجود می آید، هر چند که الگوهای رایج درباره ماهیت کیهان پابرجا می ماند.
اما این امکان هم وجود دارد که الگوهای جاری غلط باشند!
در هر صورت، این معمای متناقض‌نما تا همین امروز هم به ما کلی کمک کرده تا گامی دیگر به درون ناشناخته ها برداریم!
