سلامی از آن سو؛
ترجمه: فرهاد دیرنگ
کارلو رووّلی فیزیکدان نظری است که سهم قابل توجهی در دانش فیزیک فضا و زمان داشته است. کتابهای او، از جمله «7 درس مختصر درباره فیزیک»، «نظم زمان» و «هِلگُلند»، جزو پرفروشترین کتابهای جهان هستند که به بیش از پنجاه زبان ترجمه شدهاند. او در میان 100 متفکر تأثیرگذار جهان توسط مجله فارین پالیسی و در میان 50 متفکر برتر جهان توسط مجله Prospectقرار گرفته است. رووّلی در ایتالیا، ایالات متحده و فرانسه کار کرده است و در حال حاضر در کانادا اقامت دارد.
کتابهای «هِلگُلند»، «نخستین دانشمند؛ آناکسیمندر و میراث فکری او» و «سفیدچالهها؛ سفر به اعماق افق» پیش از این توسط همین مترجم منتشر شده است. روولّی این مقاله را قبل از انتشار کتاب سفیدچالهها، در سال 2018 نوشته و در مجله New Scientist منتشر نموده است.
هرگز به کتابهای درسی، حتی به کتابهایی که توسط دانشمندان بزرگ نوشته شده است، اعتماد کامل نکنید. استیون واینبرگ، فیزیکدان برنده نوبل، در کتاب خود تحت عنوان «گرانش و کیهانشناسی» که در سال 1972 منتشر کرد، وجود سیاهچالهها را «بسیار فرضی» دانست و نوشت: «هیچ [سیاهچالهای] در میدان گرانشِی هیچ جرمِ شناختهشدهای از جهان وجود ندارد». او مطلقاً در اشتباه بود. اخترشناسان از چندین دهه قبل بدون اینکه متوجه شوند، سیگنالهای ماده را در سیاهچالهها تشخیص میدادند. امروزه، شواهد فراوانی در دست است که نشان میدهد آسمان پُر از سیاهچاله است.
ممکن است این داستان انکار، اینبار در مورد سفیدچالهها تکرار شود. در یک کتاب کلاسیک و معروف دیگر، نظریهپرداز پیشرو در نسبیت، باب والد، چنین مینویسد: «هیچ دلیلی وجود ندارد باور کنیم در نقطهای از کیهان سفیدچاله وجود دارد». اما اخیراً، چندین گروه تحقیقاتی در سراسر جهان - از جمله تیم تحقیقاتی من در شهر مارسی - شروع به بررسی این احتمال کردهاند که آیا مکانیک کوانتومی میتواند مسیری را برای تشکیل سفیدچالهها باز کند. ممکن است برخلاف نظر والد، آسمان نیز مملّو از سفیدچاله باشد.
دلیل تردید دانشمندان در مورد سفیدچالهها، به عدم توانایی آنها برای حلّ یک معمای مشخص مربوط میشود: چه چیزی در مرکز یک سیاهچاله اتفاق میافتد؟ ما میتوانیم ببینیم که مقدار زیادی ماده در پیرامون سیاهچالهها به خود پیچیده و سپس به داخل آن سقوط میکند. تمام آن چیزی که میدانیم این است که مادة در حال سقوط از سطح سیاهچاله و از «افق» یا در واقع نقطه بدون بازگشت عبور کرده و به سمت مرکز آن فرو میرود، ولی بعد چه؟ هیچکس نمیداند بعد چه اتفاقی میافتد.
بهترین توصیف کنونی ما از گرانش، یعنی نظریه نسبیت عام انیشتین، پیشبینی میکند که این مادة در حال سقوط در یک نقطه مرکزی با چگالی بینهایت به نام تکینگی، متمرکز میشود. این شرایط بهنوعی میتواند پایانی بر توصیف سیاهچاله باشد: نقطهای که زمان در آن متوقف گردیده و همه چیز به سمت نیستی و محو کامل پیش میرود. اما نمیتوان چندان به این پیشبینی اعتماد کرد، چرا که نظریه بزرگ انیشتین قادر به تبیین وقایع و شرایط حاکم بر مرکز سیاهچاله نمیباشد. در مرکز سیاهچاله، گرانش آنقدر قوی و نیرومند است که دیگر نمیتوان اثرات کوانتومی را نادیده گرفت. برای درک آنچه در آنجا اتفاق میافتد، به یک نظریه کوانتومی گرانش نیاز داریم.
نظریه کوانتومی بهطور معمول به حل این نوع مسائل عادت دارد: در آغاز قرن بیستم، فیزیک کلاسیک پیشبینی میکرد که انرژی الکترونِ در حال چرخش به دور هسته اتم، تا بینهایت به سمت پایین حرکت میکند. ولی نظریه کوانتومی علت اینکه چرا این اتفاق نمیافتد را اینگونه توضیح داد: به خاطر اینکه این امر با گسستگی انرژی مغایرت دارد. انرژی الکترون فقط میتواند در مقادیر مشخصی تغییر کند. بهطور مشابه، اثرات کوانتومی میتوانند از تشکیل چگالی بینهایت در مرکز سیاهچاله جلوگیری کنند. نظریه کوانتومی در این مورد، گسستگی خود فضا-زمان را پیشبینی میکند.
نظریههای گرانش مانند «گرانش کوانتومی حلقهای» (که من روی آن کار میکنم) این وضعیت را به خوبی توضیح میدهند. هیچ نقطه بینهایت کوچکی وجود ندارد که در آن، چگالی بینهایت شود. فضا از واحدهای منفرد یا همان کوانتاها تشکیل شده است و در عینحال که بسیار کوچکاند، لیکن کاملاً متناهیاند. مادة در حال سقوط میتواند به حالتی بهشدت متراکم فشرده شود. ما آن را «ستاره پلانک» مینامیم. ولی بعد چه اتفاقی میافتد؟ ماده در این مرحله میتواند کاری را انجام دهد که معمولاً در پایان هر نوع سقوطی انجام میدهد: یعنی جهش میکند (مانند توپی که بر زمین میافتد و پس از برخورد با زمین، در جهت عکسِ سقوط، میجهد.) اینگونه نیست که ماده فقط به درون سیاهچاله سقوط و به سمت پایین حرکت کند. جادویی که اتفاق میافتد دقیقاً اینجاست: گرانش کوانتومی به کل هندسه فضا-زمان سیاهچاله اجازه میدهد تا جهش کند - یعنی در نقطه مرکزی سیاهچاله، راه خود را به منطقهای جداگانه و جدید از فضا-زمان ادامه دهد - جایی که این فقط ماده نیست که جهش میکند بلکه کل فضا-زمان هم در حال جهش است. این همان چیزی است که ما به آن سفیدچاله میگوییم.
توپی را در نظر بگیرید که به سمت بالا میپرد و مسیری را دنبال میکند که بهنظر میرسد فیلمی از سقوط خود به عقب پخش میشود. یک سفیدچاله شبیه به فیلمی از یک سیاهچاله است که بهصورت معکوس پخش میشود. سفیدچاله از بیرون، تفاوت چندانی با سیاهچاله ندارد: سفیدچاله درست مانند سیاهچاله دارای جرم است، لذا ماده توسط آن جذب میشود و میتواند به دور آن بچرخد. برخلاف سیاهچاله که پیرامونش افقی وجود دارد که آن را احاطه کرده و ماده از طریق آن وارد میشود، ولی نمیتواند از آن خارج شود، یک سفیدچاله توسط افقی احاطه شده است که ماده میتواند از طریق آن از سفیدچاله خارج شده ولی نمیتواند وارد آن شود.
درون و بیرون
امکان نظری وجود سفیدچالهها توسط نظریه نسبیت عام قابل پیشبینی است. این امکان نظری در واقع، همان راهحلهای دقیق معادلات این نظریه هستند. اما برای مدتهای مدید این راهحلها صرفاً بهعنوان چیزهای تزئینی ریاضیاتی در نظر گرفته میشدند که نشاندهنده هیچ چیز واقعی نبودند. درست مانند سیاهچالهها در گذشته که خیلیها چگونگی وجود آنها را به دشواری فهم میکردند.
در اوایل دهه 1930، فیزیکدانی ایرلندی به نام جان لایتون سینج مشاهده کرد که میتوان با یک تنظیم حداقلی از راهحلهای معادلات نسبیت عام، این امکان را فراهم نمود تا هندسه درونی سیاهچاله در ارتباط با سفیدچاله تبیین گردد. مکانیک کوانتومی میتواند این تنظیم حداقلی را ممکن سازد.
سفیدچاله دقیقاً کجا میتواند باشد؟ آیا در نقطهای دورتر و عمیقتر در درون سیاهچاله است که توسط یک کرمچاله به سیاهچاله متصل میشود یا اساساً در یک جهان متفاوت دیگری واقع شده است؟ هیچکدام. ما برای دانستن پاسخ این پرسش، به حدس و گمانهای عجیب و غریب نیاز نداریم: سفیدچاله در آینده سیاهچاله واقع شده است و در همان جایی که باید باشد، پدیدار میشود. به دلیل خاصیت کِشسانی فضا-زمان که از طریق نظریه انیشتین قابل فهم میشود، «آن طرف مرکز سیاهچاله» در آینده میتواند خیلی ساده همان سفیدچاله باشد. تجسم این امر دشوار است، اما نتیجه ساده خیلی است: سفیدچاله در بخش نخست حیات خود، سیاهچالهای است که ماده در آن فرو میرود.
اما در بخش دوم از حیاتش، پس از گذار کوانتومی که اتفاق میافتد، به سفیدی میگراید و ماده از آن بیرون میجهد. برای اینکه چنین اتفاقی رخ بدهد، باید لحظهای وجود داشته باشد که در آن، افق سیاهچاله به افق سفیدچاله تغییر یابد. در اینجا باز مجدداً، این نظریه کوانتومی است که به لطف پدیده موسوم به «تونلزنی کوانتومی» اجازه میدهد تا این اتفاق بیافتد. این فرایند، یک نقض مختصر در معادلات استاندارد و کلاسیک فیزیک است که میتواند با احتمال کم اتفاق بیافتد، حتی در جایی که انتظار پدیدههای کوانتومی قوی وجود ندارد. برای مثال، تونلزنی کوانتومی چیزی است که باعث ایجاد رادیواکتیویته هستهای میشود. طبق مکانیک کلاسیک، ذرهای که در داخل هسته اتم به دام افتاده، هرگز نمیتواند از آن فرار کند، اما نظریه کوانتومی این اجازه را به آن میدهد تا از دیواره بالقوهای که آن را به دام انداخته «تونل زده» و در نتیجه به بیرون از هسته گسیل شود. «تونل زدن» امری زمانبَر است، از همینروست که مواد رادیواکتیو برای هزاران سال بهصورت شبهپایدار باقی میمانند. شبیه به این، سیاهچالهها هم به این دلیل عمر طولانی میکنند، چرا که تونلزنی کوانتومی در آن، مدتهای مدیدی بهطول میانجامد.
اگر بخواهیم نظریه کلاسیک را در نظر بگیریم، یک سیاهچاله حیاتی ابدی خواهد داشت. اما هیچ چیز ابدی وجود ندارد. استیون هاوکینگ نشان داد که سیاهچالهها به آرامی تبخیر و منقبض میشوند. با منقبض شدن، احتمال تونل زدن به سوی یک سفیدچاله افزایش مییابد. و باز هم نکته مهم هندسه خود فضا-زمان است. فضا - زمان همان چیزی است که در حال تونل زدن است. فضا - زمان به جای اینکه بر اساس معادلات نسبیت عام کلاسیک تکامل یابد، ناگهان از یک افق سیاه به یک سفیدچاله تونل میزند.
این تصویر میتواند گیجکننده باشد. ما سیاهچالههایی را در آسمان مشاهده میکنیم که میلیونها سال قدمت دارند، بنابراین زمان بسیار زیادی لازم است تا یک سیاهچاله بزرگ به درون یک سفیدچاله تونل بزند. اما مادهای که در سیاهچاله سقوط میکند، به سرعت و در عرض چند ثانیه به مرکز آن میرسد. و با همان سرعت از آن سو به بیرون پرتاب میشود. چگونه ماده میتواند به این زودی خود را به درِ خروجی سفیدچاله برساند، در حالیکه تشکیل یک سفیدچاله چنین زمان درازی بهطول میانجامد؟
پاسخ بهشدت مسحورکننده و شگفتانگیز است: زمان در نسبیت عام بسیار انعطافپذیر است. ما میدانیم که زمان در سطح دریا - که به مرکز زمین نزدیکتر است - نسبت به بالای کوهها و ارتفاعات کُندتر میگذرد. با نزدیک شدن به یک ستاره پُرجرم یا یک سیاهچاله، سرعت زمان حتی بیشتر هم کاهش مییابد. و این موضوع میتواند معمای زمان در سیاهچاله و سفیدچاله را حل کند: یک زمان بسیار کوتاه در داخل سیاهچاله میتواند در بیرون از آن بسیار طولانیتر باشد. اگر سیاهچاله از بیرون نظاره شود، فعل و انفعالات درونی آن مانند یک پرش به نظر خواهد رسید، اما پرشی با حرکتی فوقالعاده آهسته. سیاهچالههایی که در آسمان مشاهده میکنیم ممکن است به سادگیِ اشیایی باشند که در آن فرو میروند و به بیرون پرتاب میشوند، در حالیکه ما بهعنوان ناظران بیرونی، حرکت آن را با آهستگی شدید خواهیم دید.
ویژگی این سناریو در این است که میتواند پارادوکس معروف به «پارادوکس اطلاعات» را حل کند. این پارادوکس میگوید: «ما بهطور معمول انتظار داریم اطلاعات هرگز در طبیعت بهطور کامل از بین نرود، اما اگر زمان در داخل سیاهچاله به پایان میرسد، در این صورت اطلاعات از بین میروند.» راهحلی که سناریوی ما برای حل این پارادوکس ارائه میدهد، خیلی ساده است: اگر مادهای که در سیاهچاله سقوط کرده، بتواند به بیرون بجهد، در این صورت اطلاعات آن میتواند بازیابی شود و بدین ترتیب از بین نمیرود.
البته اگر بخواهیم دقیقتر بگوییم، پارادوکس اطلاعات اندکی ظریفتر از این است: این پارادوکس از یک باور رایج ناشی میشود، مبنی بر اینکه ناحیه افق سیاهچاله، تعداد پیکربندیهای مختلف و ممکنِ هر چیزی که در داخل سیاهچاله سقوط میکند، را محدود میکند.
اگر پیکربندیهای بسیار اندکی در دسترس باشد، در اینصورت ویژگیهای متمایز مادة در حال سقوط و نیز اطلاعات آن میتواند از بین برود.
اما من متقاعد شدهام که این باور اشتباه است. بدین معنی که تعداد پیکربندیهای قابل تشخیص از بیرون سیاهچاله - که بر رفتار بیرونی آن حاکم است - با تعداد بسیار بیشتری از پیکربندیهای داخلی سیاهچاله که قابل تشخیص از داخل هستند، اشتباه گرفته میشوند. این پیکربندیهای داخلی سیاهچاله از ماده، حتی زمانی که افق در اثر تبخیر کوچک میشود، افزایش مییابد. داخل سیاهچاله (حتی زمانیکه افق آن بر اثر تشعشعات هاوکینگ کوچک میشود) میتواند بزرگ باشد (مانند یک بطری که میتواند بزرگ باشد حتی اگر گردنش کوچک و باریک باشد) و نیز میتواند حاوی مقدار بسیار زیادی اطلاعات باشد که بعداً توسط سفیدچاله به بیرون گسیل میشود.
همه اینها یک سناریوی جذاب برای شکلگیری کامل حیات یک سیاهچاله ارائه میدهند. در درون سیاهچاله هیچ تکینگی بدین معنی که آنجا فضا-زمان به پایان برسد - آنگونه که از بیرون بهنظر میرسد - وجود ندارد. عمر یک سیاهچاله ابدی نیست. بلكه گاهي سياهچاله به سفيدچاله تبدیل ميشود و هر آنچه در آن سقوط کرده است میتواند فرار كند.
این سناریو از حیث تئوریک زیباست. اما آیا بدین معناست که آسمان بالای سرمان واقعاً مملو از سفیدچاله است؟ و اگر چنین است، آیا میتوانیم آنها را مشاهده کنیم؟
پاسخ این سؤالات به چیزهایی بستگی دارد که ما هنوز آنها را بهطور کامل درک نکردهایم. بیشتر سیاهچالههایی که در آسمان میبینیم از فروپاشی یک ستاره تشکیل شدهاند. سیاهچالههایی که پیش از این به داخل سفیدچالهها تونل زده باشند، میتوانند اغلب خیلی جوان و بزرگ باشند. ولی همانطور که میدانیم سیاهچالههای بزرگ میتوانند عمر بیشتری داشته باشند. این امکان هم وجود دارد که سیاهچالههای کوچکتری در محیط خشن کیهان اولیه - اندکی پس از انفجار بزرگ - شکل گرفته باشند. این سیاهچالههای اولیه ممکن است قبلاً به داخل سفیدچالهها تونل زده باشند یا ممکن است حتی امروز در حال تونل زدن باشند. ما در مورد تعداد آنها مطمئن نیستیم، و این امر باعث میشود پیشبینیها در مورد سفیدچالههای فعلی نامشخص باشد.
موضوع دیگری که عدم قطعیت درباره وجود سفیدچالهها در آسمان را باعث میگردد، طول عمر یک سیاهچاله است. محاسبات دقیقی که با استفاده از معادلات نظریه گرانش کوانتومی حلقهای انجام شده است، همگی به صورت تقریب بوده و هنوز قطعی نیستند. با اینحال، مرز بسیار محکمی بین حداکثر طول عمر «طولانی» یک سیاهچاله - که بر اساس تشعشعات هاوکینگ اصولاً باید محدود باشد - و حداقل عمر «کوتاه» آن - که برای شروع پدیدههای کوانتومی نیاز است - وجود دارد. این امر به ما اجازه میدهد تا به برخی نتیجهگیریهای اولیه دست بزنیم.
اگر بپذیریم که عمر یک سیاهچاله طولانی است، در اینصورت فقط سیاهچالههای اولیه کوچک میتوانند پیش از این به سفیدچاله تبدیل شده باشند. این بدان معناست که اکثر سفیدچالههای موجود در آسمان باید از حداقل اندازه برخوردار باشند. حداقل اندازه سفیدچاله به اندازه یک ستاره پلانک است، یعنی حدود یک میکروگرم، یا به اندازه وزن نیم اینچ از یک تار موی انسان.
این موضوع میتواند احتمال جالبی باشد چرا که سفیدچالههایی که در این اندازه هستند، میتوانند نسبتاً پایدار بوده و جزئی از ماده تاریک مرموزی باشند که اخترشناسان (بهطور غیرمستقیم) در آسمان کشف کردهاند. بیشتر فرضیههای مربوط به ماهیت ماده تاریک نیازمند اصلاح قوانین ثابتشده فیزیک هستند. برای مثال، این فرضیهها بر نظریههایی تکیه میکنند که هستمندهای جدیدی به نام ذرات اَبَرمتقارنرا پیشبینی میکنند. اما سالهاست که انتظار برای کشف این ذرات اَبَرمتقارن به جایی نرسیده و تاکنون چنین ذراتی مشاهده نشدهاند و این ناکامی در تشخیص چنین ذراتی، پرسشهایی جدی در رابطه با صحّت این نظریهها مطرح پیش آورده است.
در مقابل، این احتمال و نظریه که ماده تاریک از سیاهچالههای کوچک تشکیل شده است، به چیزی بیش از فیزیک ثابتشده، یعنی نسبیت عام و نظریه کوانتومی نیاز ندارد، و هیچ تعارضی هم با مشاهدات انجامشده ندارد. پس میتوان گفت ما پیش از این هم سفیدچالهها را مشاهده کردهایم و آنها همان ماده تاریک هستند!
سیگنالهای شدید
از سویی دیگر، اگر عمر سیاهچاله کوتاه باشد، سیاهچالههای اولیهای که امروزه تونلزنی میکنند، باید جرم یک سیاره کوچک را داشته باشند و میتوانند به شدت منفجر شده و بیشتر جرم خود را به تشعشعات ساطعشده تبدیل کنند. این رویداد باید پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی و سیگنالهای کوتاه و شدیدی را در مایکروویو یا باند رادیویی به ما گسیل نماید. مورد دوم مخصوصاً خیلی جالب است، چرا که سیگنالهای مشابه آن پیش از این شناسایی شدهاند: انفجارهای رادیویی سریع و مرموزی وجود دارد که اخیراً توسط تلسکوپهای رادیویی مشاهده شدهاند. باز هم میتوان گفت شاید ما پیش از این، سفیدچالهها را مشاهده کردهایم. البته نمیتوانیم کاملاً تأیید کنیم که این سیگنالها ناشی از همان سفیدچالهها هستند. در واقع آنها میتواند از منابع دیگری نیز گسیل شده باشند.
اما ردّپاهایی وجود دارد که ما را به این نتیجه میرساند که منشأ سیگنالهای رادیویی در واقع سفیدچالهها هستند. یک نمونه بزرگ آنها، گذر از طیف سرخ است. سیگنالهایی که از سفیدچالههای دور و در نتیجه جوانتر ساطع میشوند، باید طول موجهای کوتاهتری نسبت به سفیدچالههای قدیمیتر ایجاد کنند. این چیزی است که ممکن است بتوانیم در پرتوهای کیهانی پرانرژی یا انفجارهای سریع رادیویی - اگر زمانی به اطلاعات کافی دست پیدا کردیم - تشخیص دهیم. اگر توانستیم این کار را انجام دهیم، به شواهد محکمتری مبنی بر وجود سفیدچالهها دست خواهیم یافت.
یافتن شواهدی از وجود سفیدچالهها در آسمان، گامی زیبا در جهت درک ما از جهان است. آنها میتوانند اولین اثباتها و مشاهدات مستقیم از نظریه گرانش کوانتومی در عمل باشند و پنجرهای را به روی بزرگترین مشکل در فیزیک بنیادی، یعنی معضل درک جنبههای کوانتومی فضا-زمان میگشایند.
این نوشته را با ذکر آخرین ایدهای که بسیار هم مورد گمانهزنی قرار گرفته، به پایان میبرم. جهان ما ممکن است در مِهبانگ متولد نشده باشد. بلکه این احتمال وجود دارد که از مرحله فروپاشی جهان قبلی (جهش کیهانی) خارج شده باشد. این امکان توسط گرانش کوانتومی حلقهای و سایر چهارچوبهای نظری امکانپذیر است. مکانیسم کوانتومی حاکم بر جهش کیهانی، کاملاً شبیه جهش سیاهچاله به سفیدچاله است. سفیدچالههای پلانکی که بهنظر میرسد در درون همان ماده تاریک امروزی هستند، میتوانستند قبل از این جهش کیهانی شکل گرفته باشند. اگر چنین باشد، معلوم میشود هندسه فضا-زمان در هنگام جهش - همانطور که کیهانشناسی متعارف نیز نشان میدهد - همگن نبوده، بلکه بسیار مچاله شده بود، چرا که هر سفیدچاله مانند یک سنبله بلند در هندسه فضا-زمان است.
این واقعیت میتواند به حل راز و رمز «پیکان زمان» بیانجامد - معمایی که میپرسد چرا زمان همیشه تنها به یک جهت پیش میرود. ممکن است پیکان زمان به دلیل «خاص» بودن حالت اولیه جهان (یعنی آنتروپی کم) - همانطور که معمولاً تصور میشود - ایجاد نشده باشد. بلکه این احتمال هست که یک پدیده پرسپکتیوی مربوط به مکان بسیار «خاصِ» ما ناظران باشد. بدین معنی که: جهانِ ما خارج از تمامی سیاهچالهها قرار گرفته است.
سفیدچالهها یک امکان محتمل و البته پدیدههایی کاملاً ناشناخته هستند. ما هنوز حتی یک مورد از آنها را هم رصد نکردهایم، اما این دلیلی بر عدم وجود آنها نمیشود، چرا که پیش از این هم مدتهایی مدید نتوانسته بودیم سیاهچالهها را رصد کنیم، ولی آنها وجود داشتند.■