این کتاب آخرین پیشرفت‌هایی را بررسی می‌کند که طی دو دهه اخیر درباره فیزیک سیاه‌چاله‌ها مطرح شده. مطالعه سیاه‌چاله‌ها پیوند عمیقی با نظریه نسبیت عام اینشتین دارد، و به همین جهت قسمت قابل‌توجهی از این کتاب به توضیح نسبیت عام، و مفاهیم مهمی مانند گرانش، فضا، زمان، ... که در این نظریه نقش دارند می‌پردازد. بعد از گذشت بیش از یک قرن از مطرح شدن نسبیت عام توسط آلبرت اینشتین، هنوز هم این حوزه جزء مباحث پیشرفته فیزیک به حساب می‌آید و دانشجویان کارشناسی فیزیک آن را در ترم‌های آخر می‌خوانند. برخلاف نسبیت خاص، که با ریاضیاتی در حد دبیرستان می‌توان آن را درک کرد، مطالعه نسبیت عام به ابزارهای پیشرفته ریاضی، از قبیل هندسه دیفرانسیل، و حسابِ تانسوری نیاز دارد.

بنابراین اگر کسی بخواهد درک خوبی از موضوعاتی مانند گرانش، فضا، زمان، سیاه‌چاله‌ها، و کرم‌چاله‌ها داشته باشد، باید به اندازه کافی ریاضیات پیشرفته بداند، و اگر بخواهند با آخرین پیشرفت‌هایی که در این حوزه حاصل شده (و مخلوطی از فیزیک کوانتوم و نظریه نسبیت عام است) باز هم باید به ریاضیاتِ پیشرفته‌تری مجهز باشند که بسیار تخصصی است.

ولی خیلی‌ها هستند که تنها می‌خواهند بدون اینکه وارد مباحث عمیق ریاضی مربوط به این موضوعات شوند، نوعی درک سطحی از آنها داشته باشند. اینجاست که کتاب‌هایی نظیر کتاب حاضر مفید خواهند بود.

این کتاب توسط دو فیزیکدان معروف در حوزه فیزیک کوانتوم، یعنی برایان کاکس و جفری فورشا، نوشته شده.

این کتاب مورد استفاده چه کسانی است؟

هر چند این کتاب جزء کتاب‌هایی است که در آن ریاضیات اندکی بکار رفته، ولی جزء کتابهای ساده طبقه بندی نمی‌شود. برای درک بهتر مفاهیم، در این کتاب بجای استفاده از ابزارهای پیشرفته ریاضی از نمودارها و اشکال هندسی استفاده شده. این اَشکال عمدتاً روی نمودارهای پن‌رُز تمرکز می‌کند، که ممکن است برای خیلی‌ها درک آنها ساده‌تر باشد. با این حال برای درک آنها، داشتن حداقلی از بینش هندسی لازم است.

درصورتی که تصور می‌کنید چنین سطحی از دانش هندسی را ندارید، ولی علاقه‌مند هستید یک بینش کلی درباره این مباحث داشته باشید، شاید مطالعه کتاب سیاه‌چاله‌ها، کرم‌چاله‌ها و ماشین‌های زمان نوشته جیم ‌الخلیلی برای شما مناسبتر باشد. کتاب مذکور علاوه براینکه بیشتر موضوعات کتاب حاضر را پوشش می‌دهد، در کُل ساده‌تر است و حاوی مطالب تاریخی و فلسفی نیز هست که در این کتاب کمتر به آنها اشاره شده.

تفاوت عمده‌ای که کتاب حاضر با کتاب جیم‌ الخلیلی دارد، در مورد آخرین پیشرفت‌هایی است که در چندسال اخیر در حوزه سیاه‌چاله‌ها حاصل شده‌اند، و کلاً ممکن است چنین پیشرفت‌هایی برای خواننده مبتدی خیلی اهمیت نداشته نباشد.

در هر صورت می‌توان این کتاب را بعنوان مکمل کتاب الخلیلی در نظر گرفت.

درباره عنوان کتاب

عنوان کتاب این است: ’سیاه‌چاله‌ها: کلید فهم جهان‘. شاید این عنوان کمی دهان پرکُن بنظر برسد، چرا که خواننده ممکن است بپرسد چه ارتباطی میان سیاه‌چاله‌ها، که تنها یک دسته از اجسام موجود در جهان را تشکیل می‌دهند، و درک کُل جهان وجود دارد.

این درست است که سیاه‌چاله‌ها تنها یک دسته از اجسامی هستند که جهان ما از آنها تشکیل شده، ولی آنها حاوی عظیم‌ترین نیروهایی هستند که ما می‌شناسیم، طوری که می‌توانند نه فقط یک سیاره، یک ستاره، و یا یک منظومه خورشیدی را به طرف خودشان کشانده و آنها را ببلعند، بلکه با بزرگ شدن‌شان می‌توانند قسمت اعظم یک کهکشان را نیز ببلعند و به یک ابَرسیاه‌چاله تبدیل شوند. در مجاورت آنها ماهیت فضا و زمان تغییر می‌کند و به چیزهایی بدل می‌شوند که درک آن برای عقل سلیم دشوار است. آیا در طبیعت چیزهای قدرتمند‌تری از ستارگان سراغ دارید؟ آنها منشاء همه چیز هستند، از انرژی گرفته، تا حیات، ... و نهایتاً هوش. ولی آنها در مقابل سیاه‌چاله‌ها طعمه‌ای بیش نیستند. آیا در جهان مفاهیمی بنیادی‌تر از فضا یا زمان سراغ دارید؟ سیاه‌چاله‌ها، یا بهتر بگوییم گرانش، چیزی است که می‌تواند این مفاهیم را شکل دهد. آیا در فیزیک نوین مباحث پیشرفته‌تری از نسبیت عام، فیزیک کوانتومی، یا نظریه ریسمان‌ها سراغ دارید؟ سیاه‌چاله‌ها چیزهایی هستند که همه این حوزه‌ها را به هم پیوند می‌دهند. حتی ساخت کامپیوترهای کوانتومی هم می‌تواند الگوبرداری از موضوعاتی مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی باشد که در سیاه‌چاله‌ها مطرح هستند (به کتاب رایانش کوانتومی رجوع کنید).

پس می‌بینید که مطالعه سیاه‌چاله‌ها می‌تواند روشنگر بسیاری از موضوعاتی باشد که برای ما از اهمیت بنیادی برخوردار هستند و درک آنها می‌تواند دانش ما از جهان را بطور قابل ملاحظه‌ای بالا ببرد.

دانشمندان امروزی

پیش از اینکه درباره نویسندگان این کتاب توضیحاتی را ارائه دهم، جالب دیدم مطالبی را درباره جامعه دانشمندان قرن بیست و یکم بیان کنم. چیزی که درباره بخش قابل ملاحظه‌ای از این افراد به چشم می‌خورد تفاوت خُلقی آنها نسبت به دانشمندان نسل‌های قبل است، طوری که زیست آنها، شامل علائق، رفتارها، یا ظاهرشان، از قالب‌های کلیشه‌ای که قبلاً برای یک دانشمند یا استاد دانشگاه وجود داشت خارج شده. آنها در جامعه خودشان حل شده‌اند و رفتار، ظاهر، و طرز حرف زدن آنها (البته در مواقعی که نمی‌خواهند به زبان فنی صحبت کنند) بیشتر شبیه بقیه مردم شده.

کثرت کسانی که به علم مشغول هستند افزایش چشمگیری یافته و حالا دیگر مختص به مردان سفید پوست غربی نیست. در میان همه نژادها، از آسیایی و آفریقایی گرفته، تا دیگر نژادها و جنسیت‌ها، شما می‌توانید دانشمندان برجسته‌ای را پیدا کنید. دانشمند بودن مرزهای جنسیت را نیز پشت سر گذاشته و جمع کثیری از زنان، و حتی جنسیت‌های کوئیر را نیز در بر گرفته. در میان برنامه‌های علمی تلویزیونی شما با چهره‌هایی از هر نژاد روبرو می‌شوید که در کار خودشان خبره هستند. مثلاً، دانشمند فضایی بریتانیایی نیجریه‌ای-تبار دکتر مگی آدرین پوکوک، اصلاً شبیه یک دانشمند کلاسیک قرن بیستمی نیست، نه ظاهرش و نه طرز حرف زدنش. یا فیزیکدان حوزه مطالعات سیارات فراخورشیدی، دکتر جورج درانسفیلد (George Dransfield) یک تراجنسی است.

این تغییر الگو با ظهور یکی از تاثیرگذارترین فیزیکدانان قرن بیستم، یعنی ریچارد فاینمن اتفاق افتاد، که در واقع یک عارفِ هیپی مسلک بود. از دیگر نمونه‌هایی که می‌توانم ذکر کنم، گیتاریست گروه راک کویین، برایان می است، که در واقع یک اختر فیزیکدان بود و بدلیل فعالیت در گروه کویین، گرفتن مدرک دکترای خودش را به مدت 30 سال به تاخیر انداخت!

از میان دانشمندان متاخر می‌توان به نویسنده اصلی این کتاب، یعنی برایان کاکس اشاره کرد. اولین بار کاکس را در اواخر دهه 1990 در برنامه Click Online بی‌بی‌سی جهانی دیدم که درباره تکنولوژی و کامپیوتر صحبت می‌کرد. در آن موقع هنوز خیلی معروف نشده بود و با قیافه بچه‌گانه‌ای (بِی‌بی فیس) که داشت، من تصور کردم یک دانشجو یا خوره کامپیوتر است که صحبت می‌کند. ولی بعدها که معروف شد فهمیدم همان موقع هم حدود 30 سال سن داشت، و علاوه براینکه عضو اصلی یک گروه موسیقی بود، چندسالی هم بود که در رشته فیزیکِ ذرات دکترای خودش را گرفته بود.

این مطالب را از این نظر بیان کردم که تاکید کنم امروزه وارد شدن به علم، مختص به افراد خاصی نیست که قبلاً فرهیخته تلقی می‌شدند، و شامل تمام جوامع انسانی با هر جنسیت، قوم، مذهب، و نژاد می‌شود. به عبارتی، همه می‌خواهند از اسرار جهان پرده بردارند و این در وجود همه انسان‌ها نهادینه شده.

درباره نویسندگان

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image001.png$ برایان کاکس (BRIAN COX) متولد 1346 شمسی در اُلدهم انگلستان است. او فیزیکدان، برنامه‌ساز تلویزیون، و موسیقی‌دان است. از اواخر دهه 1980 کار موسیقی خودش را شروع کرد، در دهه 1990 دکترای خودش را در رشته فیزیک ذرات بنیادی گرفت، و از اوایل دهه 2000 به برنامه‌سازی علمی برای شبکه‌های تلویزیونی از جمله BBC پرداخت. از مهمترین برنامه‌های او می‌توان به شگفتی‌های منظومه شمسی (Wonders of the Solar System)، شگفتی‌های جهان (Wonders of the Universe)، و شوی تلویزیونی (Stargazing Live) اشاره کرد. سبک او در ارائه برنامه‌هایش، حالتی شاعرانه دارد، که شاید بدلیل موسیقی‌دان بودن او باشد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image002.png$ جفری فورشا (JEFFREY FORSHAW) متولد 1346 شمسی، فیزیکدان انگلیسی است. او دوست و همکار برایان کاکس بوده و علاوه بر کتاب حاضر، در نوشتن چند کتاب دیگر نیز با کاکس همکاری کرده، از جمله چرا E=mc² است؟ و جهان کوانتومی.

02/10/1402

فصل 1

تاریخچه مختصر سیاه‌چاله‌ها

”آگاهی از وجود چیزی که نمی‌توانیم آن را درک کنیم، از تجلیات اساسی‌ترین دانش‌ها و چشمگیر‌ترین زیبایی‌ها است - خودِ این آگاهی و احساس است که نگرش واقعی دینی را تشکیل می‌دهد. از این لحاظ، و تنها به این لحاظ، من عمیقاً انسانی مذهبی هستم.“

آلبرت اینشتین

در مرکز کهکشان راه شیری، ‌در بافتارِ جهان خمیدگیِ[1] بزرگی وجود دارد که ناشی از جرمی‌ معادل 4 میلیون برابر خورشید ماست. در مجاورت این جسم، فضا و زمان چنان خمیده‌ است که اگر پرتوهای نور به فاصله‌‌ای کمتر از 12 میلیون کیلومتری آن برسند، به دام خواهند افتاد. این منطقه بدون بازگشت، در یک افق رویداد [2] محصور شده، طوری که خارج از این افق، جهان برای همیشه از هر چیزی که در داخل آن اتفاق می‌افتد جدا شده. این یک ابَرسیاه‌چاله [3] بسیار پرجرم است که نام آن کماندار A [4] است.

سیاه‌چاله‌ها در مکان‌هایی قرار دارند که پرجرم‌ترین ستارگان در آنجا می‌درخشیدند، یعنی در مرکز کهکشان‌ها. آنها در فرای درک فعلی ما قرار دارند. سیاه‌چاله‌ها اجسامی ‌هستند که به طور طبیعی وجود دارند، یعنی اگر ماده در فضایی که به‌اندازه کافی کوچک باشد، بیش از حد فرو بریزد، گرانشِ موجود بطور اجتناب ناپذیری یک سیاه‌چاله را خواهد ساخت. ولی هرچند قوانین ما وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی می‌کند، ولی همین قوانین در توصیفِ کامل آنها ناکام هستند. فیزیکدانان همیشه به دنبال حل مسائل هستد. آنها برای کشف هر چیزی که با قوانین شناخته شده قابل توضیح نباشد، آزمایش‌هایی را انجام می‌دهند. چیز شگفت انگیزی که در مورد تعدادِ روزافزونِ سیاه‌چاله‌هایی که ما در سراسر آسمان کشف کرده‌ایم این است که هر کدام از آنها مانند آزمایشاتی هستند که توسط خود طبیعت انجام می‌شود، ولی ما قادر به توضیح آن نیستیم. این بدان معنا است که ما چیز مهمی را از قلم انداخته‌ایم.

مطالعه نوین سیاه‌چاله‌ها با نظریه نسبیت عام شروع شد، که اینشتین در سال 1915 آن را منتشر کرد. این نظریه که به گرانش مربوط است، و بیش از یک قرن قدمت دارد، به دو پیش‌بینی شگفت انگیز منجر می‌شود:

”اول اینکه سرنوشت ستارگان سنگین این است که در پشت یک افق رویداد دچار فروپاشی شوند و سیاه‌چاله‌ای را تشکیل دهند که حاوی یک تَکینگی[5] است. و ثانیاً، در گذشته‌های دور یک تکینگی وجود داشته، که به نوعی، شروع جهان از آنجا بوده.“

آنچه نقل شد در صفحه اول کتابِ درسی مهم نسبیت عام، نوشته استیون‌ هاوکینگ و جورج الیس، به نام ”ساختارِ کلانِ فضا-زمان“[6] آمده. این کتاب برای اولین بار اصطلاحات مهمی را معرفی کرد، چیزهایی مثل: سیاه‌چاله، تکینگی، و افق رویداد، که بعداً به بخشی از فرهنگ عامه بدل شدند. این کتاب همچنین می‌گوید که ستارگانِ سنگین‌تر در پایان عمرشان در اثر گرانش مجبور به فروپاشی می‌شوند. ستاره ناپدید می‌شود و در تار و پود جهان اثری از خودش باقی می‌گذارد که افق نام دارد. اما در پشتِ این افق، چیزی قرار دارد که تَکینگی (singularity) نام دارد. تکینگی به جای اینکه یک مکان باشد، لحظه‌ای از (زمان) است. این همان لحظه‌ای است که دانش ما از قوانین طبیعت در هم‌می‌شکند. بر اساس نظریه نسبیت عام، در پایان زمان نیز یک تکینگی قرار دارد. همچنین در گذشته نیز یک تکینگی وجود داشته که نشانگر آغاز زمان است و همان چیزی است که به انفجار بزرگ (Big Bang) معروف است. از ما خواسته می‌شود قبول کنیم که توصیفِ علمی‌ ما از گرانش، یعنی همان نیروی آشنای حاکم بر رفتار گلوله‌های توپ و اجرام آسمانی، نهایتاً به ماهیت فضا و زمان مربوط می‌شود.

اینکه چرا گرانش باید با فضا و زمان مرتبط باشد، زیاد روشن نیست، چه رسد به اینکه تلاش برای توصیف آن در یک نظریه علمی ‌بتواند به آغاز و پایان زمان بی‌انجامد. در مسیر کاوش برای این رابطه عمیق، سیاه‌چاله‌ها نقش اصلی را ایفا می‌کنند، زیرا آنها غیرعادی‌ترین مخلوقاتِ مشهودِ گرانش هستند. از لحاظ عقلی، آنها به قدری دردسرسازند که بسیاری از فیزیکدانان در دهه 1960 حس می‌کردند که گرچه سیاه‌چاله‌ها یکی از نتایج ریاضیاتِ نسبیتِ عام هستند، ولی مطمئنا جهان راهی را برای جلوگیری از بوجود آمدن آنها پیدا خواهد کرد. خود اینشتین در سال 1939 مقاله‌ای نوشت و در آن به این نتیجه رسید که " سیاه‌چاله‌ها در واقعیتِ فیزیکی، وجود ندارند". آرتور ادینگتون، ستاره‌شناس برجسته که معاصر اینشتین بود، این پدیده را با عبارات نسبتاً پرمعنا‌تری بیان می‌کند: ”باید در جهان قانونی وجود داشته باشد تا از رفتار یک ستاره به این شیوه پوچ جلوگیری کند."

ولی چنین قانونی وجود ندارد، و رفتار سیاه‌چاله‌ها نیز همین طور است.

حالا ما می‌دانیم ستارگانی که جرم آنها چند برابر خورشید است، تبدیل شدن به یک سیاه‌چاله، یک مرحله طبیعی و اجتناب‌ناپذیر از زندگی آنها است، و از آنجایی که در کهکشان ما تعداد چنین ستاره‌هایی به میلیون‌ها می‌رسد، فقط در کهکشان ما نیز میلیون‌ها سیاه‌چاله وجود دارد. ستارگان توده‌های بزرگی از ماده هستند که در حال نبرد با فروپاشی گرانشی هستند. آنها در مراحل اولیه زندگی خودشان با تبدیل هیدروژن به هلیوم در هسته، در برابر کششِ گرانشی به سمت داخل مقاومت می‌کنند. این فرآیند که به همجوشی هسته‌ای (nuclear fusion) شناخته می‌شود، انرژی آزاد می‌کند و فشاری ایجاد می‌کند که فروپاشی را متوقف می‌کند. در حال حاضر، خورشید ما در همین مرحله قرار دارد و در هر ثانیه 600 میلیون تن هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کند. در نجوم به راحتی می‌توان از اعداد بسیار بزرگ حرف زد، اما ما باید مکث کنیم و از تفاوتِ عظیمی که بین اندازه ستارگان و اشیائی که در زندگی روزمره بشر می‌بینیم شگفت زده شویم. جرم یک کوه کوچک حدود 600 میلیون تن است، و خورشید ما از زمانِ تشکیل زمین، در هر ثانیه به طور پیوسته به‌اندازه یک کوه هیدروژن می‌سوزاند. این نباید برای شما نگرانی ایجاد کند، زیرا خورشید برای ادامه کشمکش خودش با گرانش، حداقل برای 5 میلیارد سال دیگر هیدروژن کافی دارد. خورشید می‌تواند این کار را انجام دهد زیرا بزرگ است. در داخل خورشید، به راحتی یک میلیون کره زمین جا می‌شود. قطر آن 1.4 میلیون کیلومتر است، و یک هواپیمای مسافربری برای دور زدن آن باید شش ماه پرواز کند. ولی با این همه، خورشید یک ستاره کوچک محسوب می‌شود. بزرگترین ستاره‌های شناخته شده هزارن بار از خورشید بزرگترند و قطر آنها در حدود یک میلیارد کیلومتر است. اگر چنین ستارگانی در مرکز منظومه شمسی ما قرار بگیرند، اندازه آنها تا مدار مشتری هم می‌رسد. زندگی چنین هیولاهایی، طی یک فروپاشی گرانشی بطور فاجعه‌باری به پایان خواهند رسید.

گرانش نیرویی ضعیف، ولی رام نشدنی است. گرانش فقط جذب می‌کند و در غیاب نیروهای دفع کننده قوی‌تر، اینکار را بدون محدودیت انجام می‌دهد. گرانش سعی می‌کند شما را از سطح زمین به سمت مرکز آن بکشد و سطحِ زمین را هم در همان جهت می‌کشد. دلیل اینکه همه چیز به یک نقطه مرکزی فرو نمی‌ریزد این است که ماده حالتی صُلب دارد، و از ذراتی ساخته شده که از قوانین فیزیک کوانتوم ‌پیروی می‌کنند، و هنگامی که این ذرات خیلی به هم نزدیک ‌شوند، یکدیگر را دفع می‌کنند. اما صُلب بودن ماده چیزِ گول زننده‌ای است. ما قادر نیستیم ببینیم که بیشترِ زمینِ زیرِ پای ما اساساً از فضای خالی تشکیل شده. ابرهای الکترونی رقصانی که هسته اتم‌ها ‌را احاطه کرده‌اند، در درون یک فضای خالی، اتم‌ها را از هم دور نگه می‌دارند و این تصور را به ما می‌دهند که اجسام جامد به‌طور متراکمی به هم چسبیده‌اند. واقعیت این است که هسته یک اتم تنها بخش کوچکی از حجم آن را اشغال می‌کند و متراکم بودن زمینِ زیرِ پای ما، تنها یک توهم است. نیروهای دافعهِ درونِ ماده خیلی قوی‌ترند و می‌توانند شما را از سقوط به سمت مرکز زمین باز دارند، و همین موجب ثُبات ستارگانِ در حالِ مرگ می‌شود که جرم آنها در حد 2 برابر خورشید است. اما برای این ثُبات محدودیتی وجود دارد، که توسط ستار‌گان نوترونی (neutron stars) شکسته می‌شود.

شعاع یک ستاره نوترونی معمولی تنها چند کیلومتر، و جرم آن حدود 1.5 برابر خورشید است. در این نوع ستارگان، در منطقه‌ای به وسعت یک شهر، یک میلیون "سیاره‌زمین" به هم فشرده شده‌اند. ستارگان نوترونی تمایل دارند تا بسیار سریع به دور خودشان بچرخند. به همین جهت، آنها پرتوهای درخشانی از امواج رادیویی را ساطع می‌کنند که جهان را مانند یک فانوس دریایی روشن می‌کند. اولین مشاهده از چنین ستاره‌های نوترونی، که به عنوان تَپ‌اختر یا پُلسار (pulsar) نیز شناخته می‌شود، در سال 1967 توسط جوسلین بل برنل (Jocelyn Bell Burnell) و آنتونی هِویش (Antony Hewish) انجام شد. ضربان تپش آنها چنان منظم است که هر 1.3373 ثانیه زمین را جارو می‌کنند، طوری که بل برنل و هِویش آنها را مردان سبز کوچک نامیدند [7]. سریعترین تپ اختر کشف شده، معروف به PSR J1748-2446ad، در هر ثانیه 716 بار می‌چرخد. ستارگان نوترونی اجرامِ آسمانی بسیار پرانرژی هستند. در 27 دسامبر 2004، انفجاری از انرژی به زمین برخورد کرد که موجب کور شدن ماهواره‌ها و گسترش یونوسفر (ionosphere) شد. این انرژی از آرایش مجدد میدان مغناطیسی اطراف یک ستاره نوترونی به نام SGR 1806-20 آزاد شد که در فاصله 50000 سال نوری از زمین، و در آن سوی کهکشان ما قرار دارد. در یک پنجم ثانیه، این ستاره چنان انرژی از خودش ساطع کرد که میزان آن از آنچه که خورشید ما در دویست و پنجاه هزار سال از خودش ساطع کرده بود نیز بیشتر بود.

کشش گرانشی در سطح یک ستاره نوترونی 100 میلیارد برابر زمین است. هر چیزی که روی سطح آنها می‌افتد، آناً صاف می‌شود و به یک سوپ نوکلئونی (nucleon) تبدیل می‌شود. اگر قرار بود روی سطح یک ستاره نوترونی بی‌افتید، ذراتی که زمانی بخشی از اتم‌های پرحجم شما بودند، همه به نوترون تبدیل می‌شدند و برای پرهیز از برخورد به یکدیگر، آنها با سرعت نزدیک به نور می‌لرزند. این لرزش می‌تواند یک ستاره نوترونی با جرمی حدود دو برابر جرم خورشیدی را تحمل کند، ولی نه بیشتر از این. فراتر از این جرم، گرانش غلبه خواهد کرد. اگر اندکی جرم ‌بیشتری روی سطح این ستاره نوترونی ریخته شود، این ستاره که وزن یک قطره آن به اندازه یک شهر است، فرو می‌ریزد و یک تکینگی فضازمان را تشکیل می‌دهد . ژُرژ لومتر (Georges Lemaître)، کشیش بلژیکی، و یکی از بنیانگذاران کیهان شناسی مدرن، تکینگی انفجاربزرگ در ابتدای جهان را بعنوان روزی توصیف کرده بود که دیروزی نداشت. در مقابل، یک تکینگی که در اثر فروپاشی گرانشی شکل می‌گیرد، لحظه‌ای است که فردایی ندارد. آنچه در بیرون باقی می‌ماند، اثری تاریک از چیزی است که زمانی می‌درخشید و سیاه‌چاله (Black hole) نام دارد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image003.png$

ژُرژ لومتر Georges Lemaître (1966-1894)، کشیش و کیهان‌شناس بلژیکی.

امروزه ما شواهد رصدی محکمی داریم که نشان می‌دهد جهان ما پر از سیاه‌چاله‌ است. تصاویری که در شکل 1.1 نشان داده شده، و توسط تلسکوپ Event Horizon به دست آمده‌اند، شبکه گسترده‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی هستند که در سراسر آمریکا، اروپا، اقیانوس آرام، گرینلند و قطب جنوب واقع شده‌اند. تصویر سمت چپ، سیاه‌چاله‌ای را نشان می‌دهد که در مرکز کهکشان M87 قرار دارد و 50 میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد.

جرم این سیاه‌چاله 6.5 میلیارد برابر خورشید ماست و در ناحیه تاریکِ مرکزی تصویر قرار دارد که سایه نامیده می‌شود. این منطقه به این دلیل تاریک است که گرانش آنقدر قوی است که نور نمی‌تواند از آنجا فرار کند، و به دلیل اینکه که هیچ چیز نمی‌تواند سریعتر از نور حرکت کند، از آنجا هیچ چیزی نمی‌تواند فرار کند. در داخل این سایه، افقِ رویداد سیاه‌چاله M87 قرار دارد، کره‌ای به قطر 240 برابر فاصله زمین تا خورشید. این افق رویداد، جهان بیرون را از تکینگی محافظت می‌کند. دیسکِ روشن اطراف سایه، عمدتاً از پرتوهای نورِ ساطع شده از گاز و غبار تشکیل می‌شود که از اطراف و داخل سیاه‌چاله دوناتی شکل ساطع می‌شوند.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image004.png$

شکل 1.1. سمت چپ: سیاه‌چاله بسیار پرجرمی که در مرکز کهکشان M87 قرار دارد. سمت راست: کماندار A*، سیاه‌چاله‌ای که در مرکز کهکشان خودمان قرار دارد.

تصویر سمت راست سیاه‌چاله بسیار پرجرمی است که در مرکز کهکشان خودمان قرار دارد، و کماندار A*[8] نامیده می‌شود. جرم آن 4.31 میلیون برابر خورشید است، و اگر بجای خورشید قرار گیرد، دیسک درخشان آن به راحتی تا مدار عطارد می‌رسد. حضور آن ابتدا به طور غیرمستقیم، و با مشاهده مدارِ ستارگانی که به دور آن می‌چرخند کشف شد. اینها به "ستارگان S" معروف هستند. به ویژه ستاره S2 که نزدیکِ سیاه‌چاله می‌چرخد و مدت زمان گردش آن فقط 16.0518 سال است. در اینجا دقت مهم است، زیرا قبل از اینکه از آن عکس‌برداری شود، رصدهای دقیق مدار S2، با پیش‌بینی‌های نسبیت عام مقایسه، و برای اثبات وجود سیاه‌چاله از آنها استفاده شد. بر طبق مشاهدات انجام گرفته، S2 نزدیکترین حرکت خود به سوی کماندار * A را در سال 2018 داشته است، یعنی زمانی که تنها از فاصله 120 واحد نجومی‌ از افق رویداد عبور کرد. S2 در نزدیکترین فاصله خودش، با 3 درصد سرعت نور حرکت می‌کرد. به پاس این مشاهدات دقیق که در طول سالیان متمادی انجام شده بود، راینهارد گنزل (Reinhard Genzel) و آندریا گز (Andrea Ghez) جایزه نوبل 2020 را دریافت کردند. به گفته کمیته جایزه نوبل، این مشاهدات مدرکی بود که نشان می‌داد «یک جرمِ فشردهِ فوق‌العاده سنگین در مرکز کهکشان ما» وجود دارد . آنها این جایزه را با ریاضیدان انگلیسی سر راجر پِن‌رُز (Sir Roger Penrose) شریک شدند. او نیز از طریق ریاضی نشان داده بود که "تشکیل سیاه‌چاله‌ها پیش‌بینی محکمِ نظریه نسبیت عام است".

ما همچنین با تشخیص تلاطم‌هایی (ripples) که هنگام برخورد اجرام بسیار سنگین با یکدیگر در فضازمان ایجاد می‌شود، توانسته‌ایم تعداد زیادی سیاه‌چاله کوچکتر را شناسایی کنیم. در سپتامبر 2015، آشکارسازِ امواج گرانشی LIGO، توانست تلاطمِ فضازمان ناشی از برخورد بین دو سیاه‌چاله، که در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از زمین رخ داده بود، را ثبت کند. این سیاه‌چاله‌ها 29 و 36 برابر جرم خورشید بودند و در کمتر از دو دهم ثانیه با هم برخورد کرده و درهم ادغام شدند. در طول این برخورد، اوج توان خروجی آنها، از خروجی تمام ستارگان موجود در جهان مریی 50 برابر بیشتر بود. زمانی که بیش از یک میلیارد سال بعد این امواج به ما رسیدند، آنها فاصله 4 کیلومتری طول LIGO را به‌اندازه یک هزارم قطر یک پروتون تغییر دادند، این همان الگویی است که دقیقاً با پیش بینی‌های نسبیت عام مطابقت دارد. از آن زمان به بعد، LIGO و ردیاب نظیرش Virgo، تعداد زیادی از ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای را شناسایی کرده‌اند. جایزه نوبل فیزیک 2017 به طور مشترک به راینر وایس (Rainer Weiss)، بری باریش (Barry Barish) و کیپ تورن (Kip Thorne) برای رهبری آنها در طراحی، ساخت، و راه‌اندازی LIGO اهدا شد. در شکل 1.2 آنچه به "قبرستان ستاره‌ای" معروف است، و شامل سیاه‌چاله‌های متشکل از اجرامِ ستاره‌ای و ستاره‌های نوترونی می‌باشد، نشان داده شده است.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image005.png$

کیپ تورن Kip Thorne (-1940)، فیزیکدان نظری آمریکایی و یکی از استادان برجسته سیاه‌چاله‌ها و نظریه گرانش کوانتومی.

بدون شک این مشاهدات، که با استفاده از تلسکوپ‌ها و تکنیک‌های مختلف انجام گرفته، وجود ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها را نشان می‌دهند. هنگامی که نظریه‌ها توسط مشاهدات تجربی تأیید شدند، آنچه قبلاً علمی-‌تخیلی بود، به علمِ واقعی تبدیل می‌شود، و از آنجایی که این سَفر خیالی که در این کتاب خواهیم داشت، ما را به مسیرهای عجیب‌ و به نواحی فکری پیچیده‌تری می‌برد، ما باید مدام به خودمان یادآوری کنیم که این چیزهای به ظاهرِ محال، حقیقتاً وجود دارند. آنها بخشی از جهانِ طبیعی هستند، و بنابراین ما باید سعی کنیم آنها را با استفاده از قوانین شناخته شده طبیعت درک کنیم. اگر موفق شویم، این شانس را خواهیم داشت که قوانینِ جدیدِ طبیعت را کشف کنیم، و مطمئناً این موضوع حتی از دیوانه‌وارترین رویاهای پیشگامان کیهانشناسی نیز فراتر است.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image006.png$

شکل 1.2. سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی معروف، که به ترتیبِ کوچک به بزرگ از پایین مرتب شده‌اند. دایره‌های کوچک ستاره‌های نوترونی هستند و پیکان‌ها نشان دهنده برخورد و ادغام مشاهده شده بین دو سیاه‌چاله یا ستاره نوترونی است. اعداد سمت چپ، که روی محور عمودی هستند، جرم را نسبت به جرم خورشید نشان می‌دهند.

تلاش برای اجتناب از بی‌معنایی

وجود سیاه‌چاله‌ها برای اولین بار در سال 1783 توسط دانشمند انگلیسی جان میشل (John Michell)، و به طور مستقل در سال 1798 توسط ریاضیدان فرانسوی پیر-سیمون لاپلاس (Pierre-Simon Laplace) مطرح شد. میشل و لاپلاس استدلال کردند ’درست همانطور که توپی که به سمت بالا پرتاب می‌شود، توسط گرانش زمین کُند شده و دوباره به سمت زمین کشیده می‌شود، می‌توان تصور کرد که اجرام آسمانی‌ وجود دارند که کشش گرانشی آنها چنان قوی باشد که بتوانند نور را به طرف خود بکشند و آن را به دام خوشان بیندازند‘.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image007.png$

ریاضیدان و منجم فرانسوی، پیر-سیمون لاپلاس Pierre-Simon Laplace (1827-1749). او از اولین کسانی بود که وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کرد.

جسمی‌که از سطح زمین به سمت بالا پرتاب می‌شود، برای اینکه به اعماق فضا بگریزد، باید سرعتی بیش از 11 کیلومتر در ثانیه داشته باشد. این به عنوان سرعت گریز از زمین شناخته می‌شود. کشش گرانشی در سطح خورشید بسیار قوی‌تر است، و به همین ترتیب سرعت فرار از آن نیز زیادتر می‌باشد، و به 620 کیلومتر بر ثانیه می‌رسد. در سطح یک ستاره نوترونی، سرعت فرار می‌تواند به کسری قابل توجهی از سرعت نور نزدیک شود. لاپلاس محاسبه کرد جسمی‌ که چگالی آن در حد زمین، اما قطرش 250 برابر بزرگتر از خورشید باشد، کشش گرانشی آن به قدری زیاد است که سرعت گریز آن از سرعت نور فراتر می‌رود. در نتیجه، "بزرگترین اجرامِ کیهان ممکن است به دلیل بزرگ بودن‌شان نامرئی باشند!" این ایده جذابی بود که از زمان خودش خیلی جلوتر بود. پوسته یکی از این ستاره‌های تاریکِ غول پیکرِ لاپلاس را در نظر بگیرید که در فضا قرار دارد. سرعت فرار از پوسته این ستاره در حد سرعت نور خواهد بود. حالا ستاره را کمی ‌متراکم‌تر کنید. سطح ستاره به سمت داخل منقبض می‌شود، اما پوسته خیالی آن در جای خودش باقی می‌ماند و یک مرز را در فضا مشخص می‌کند. اگر روی پوسته، که حالا بالای سطح ستاره قرار دارد، معلق بمانید و چراغی را به بیرون بتابانید، نور آن به جایی نمی‌رسد. این نور برای همیشه بی‌حرکت می‌ماند و نمی‌تواند فرار کند. این مرز، افق رویداد نام دارد. در داخل پوسته، نور چراغ برگشته، و به سمت ستاره کشیده می‌شود. نور فقط می‌تواند در خارج از این پوسته فرار کند.

میشل و لاپلاس فکر می‌کردند که این ستارگانِ تاریک، اجسام بسیار بزرگی هستند. شاید هم دلیل آن این بود که غیر از این نمی‌توانستند چیز دیگری را تصور کنند. اما برای اینکه یک جسم در سطح خودش کشش گرانشی قوی داشته باشد، حتماً لازم نیست بزرگ باشد. چنین جسمی می‌تواند بسیار کوچک، ولی بسیار متراکم باشد. نمونه‌ای از این اجرام، ستارگان نوترونی هستند. برای یک جسم با هر جرمی، اگر به‌اندازه کافی فشرده شود، برای محاسبه شعاع ناحیه‌ای که در اطراف آن تشکیل می‌شود، و نمی‌توان از آن گریخت، می‌توان از فرمول نیوتن استفاده کرد:

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image008.png$

که در آن G ثابتِ گرانشی نیوتن است و نشان دهنده قدرت گرانش، و c سرعت نور است. اگر ما هر چیزی را که جرم آن M است بصورت توپی فشرده کنیم که شعاع آن کوچکتر از R باشد، ما یک سیاه‌چاله را ایجاد کرده‌ایم. با قرار دادن جرم خورشید در این معادله، می‌فهمیم که این شعاع تقریباً 3 کیلومتر است. این برای زمین، فقط کمتر از 1 سانتی متر است. تصور اینکه زمین به‌اندازه یک سنگ‌ریزه فشرده شود دشوار است، احتمالاً به همین دلیل است که میشل و لاپلاس این احتمال را در نظر نگرفتند. با این حال، هر چقدر هم که سیاه‌چاله‌ها عجیب باشند، به نظر می‌رسد که هیچ چیزِ مشکل‌ساز، یا بی‌معنی، در مورد آنها وجود ندارد. آنها نور را به دام می‌اندازند، و همانطور که لاپلاس اشاره کرد، دلیل اینکه ما نمی‌توانیم آنها را ببینیم، همین است.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image009.png$

ایزاک نیوتُن (1726-1642)، ریاضیدان و فیزیکدان بریتانیایی، واضع قوانین جاذبه.

این استدلال ساده نیوتنی درمورد سیاه‌چاله‌ها، این حس را به ما می‌دهد که گرانش می‌تواند آنقدر قوی شود که نور هم نتواند از آن فرار کند. اما زمانی که گرانش قوی باشد، قانون گرانش نیوتُن دیگر جواب نمی‌دهد و باید از نظریه نسبیت اینشتین استفاده کرد. نسبیت عام اجازه می‌دهد اجسامی داشته باشیم که کشش گرانشی آنها چنان قوی باشد که نور نتواند از آنها بگریزد، اما پیامدهای این نظریه بسیار متفاوت است، و قطعاً دردسرساز و بی‌معنی به نظر می‌رسد. مانند نظریه نیوتن، اگر جسمی به اندازه‌ کمتر از یک شعاعِ بحرانی معین فشرده شود، می‌تواند نور را به دام اندازد. این شعاع در نسبیت عام، به عنوان شعاع شوارتزشیلد (Schwarzschild radius) شناخته می‌شود، زیرا این شعاع اولین بار در سال 1915، مدت کوتاهی پس از انتشار نسبیت عام، توسط فیزیکدان آلمانی کارل شوارتزشیلد محاسبه شد. به طور تصادفی، عبارتِ شعاع شوارتزشیلد در نسبیت عام دقیقاً همان نتیجه نیوتنی بالا را می‌دهد. شعاع شوارتزشیلد، همان شعاع افق رویداد یک سیاه‌چاله است.

در فصل 4 درباره شعاع شوارتزشیلد بیشتر یاد خواهیم گرفت، اما هنگامی که ابزارهای نسبیت عام را در دست داشته باشیم، می‌توانیم بطوراجمالی به برخی از موارد عجیبی که ممکن است بعداً با آنها مواجه شویم نگاهی بیاندازیم. ما بعداً خواهیم دید که سیاه‌چاله‌ها در مجاورت خودشان، بر جریان زمان تأثیر می‌گذارند. همانطور که یک فضانورد در یک سیاه‌چاله سقوط می‌کند، زمانی که بر او سپری می‌شود نسبت به ساعت‌هایی که در فضاهای دورتر قرار دارند، با سرعت کمتری می‌گذرد. این عجیب است، اما بی‌معنی نیست. آنچه در اینجا بی‌معنی بنظر می‌رسد این است: مطابق با ساعت‌های دور دست، زمان در افق رویداد متوقف می‌شود. آنطور که از بیرون مشاهده می‌شود، هیچ وقت دیده نمی‌شود که چیزی در سیاه‌چاله بیافتد. این یعنی فضانوردی که به سمت سیاه‌چاله سقوط می‌کند تا ابد در افق رویداد آن بدون حرکت باقی می‌ماند. این همچنین در مورد سطح ستاره‌ای که از افق رویداد به سمت داخل فرو می‌ریزد، و یک سیاه‌چاله را تشکیل می‌دهد، نیز صدق می‌کند. در نگاه اول، به نظر می‌رسد نظریه نسبیت عام یک چیز بی‌معنی را پیش بینی می‌کند . اگر سطح یک ستاره هرگز از افق رویداد آن عبور نکرده باشد، چگونه از این سمت فرو می‌ریزد و یک سیاه‌چاله را تشکیل می‌دهد؟ مشاهداتی از این دست، اینشتین و پیشگامان اولیه کیهان‌شناسی را دچار مشکل کرد و این تنها یکی از پارادوکس‌های آشکاری است که شما در نسبیت عام با آنها روبرو می‌شوید.

در مقابل چنین نگرانی‌هایی، تا دهه 1960 اینشتین و اکثر فیزیکدانان به این نتیجه رسیده بودند که خودِ جهان راهی برای خروج از این بن‌بست پیدا خواهد کرد، و تحقیقاتی که در مورد سیاه‌چاله‌ها صورت می‌گرفت، در درجه اول برای این بود که ثابت کند آنها نمی‌توانند وجود داشته باشند. مثلاً، شاید فشرده شدنِ نامحدود یک ستاره، و در نتیجه ایجاد یک افق رویداد ممکن نباشد. با توجه به اینکه یک توده مکعبی شکل از مواد یک ستاره نوترونی، که به‌اندازه یک دانه شکر است، حداقل 100 میلیون تن وزن دارد، چنین امری منطقی به نظر نمی‌رسد . شاید ما به طور کامل درک نکرده باشیم که ماده در چنین چگالی‌ها و فشارهای شدیدی چگونه رفتار می‌کند.

ستارگان توده‌های بزرگی از ماده هستند که در حال مبارزه با فروپاشی گرانشی خودشان می‌باشند، و وقتی سوخت هسته‌ای آنها تمام شود، سرنوشتشان به جرم آنها بستگی دارد. در سال 1926، آر.اچ فاولر، همکار ادینگتون در کمبریج، مقاله‌ای با عنوان «درباره ماده متراکم» منتشر کرد و در آن نشان داد نظریه کوانتوم، که به ‌تازگی کشف شده بود، از طریق اثری به نام «فشار تباهی الکترونی [9]»، راهی را برای یک ستاره قدیمی ‌در حال فروپاشی فراهم می‌کند تا از تشکیل افق رویداد جلوگیری کند. این از اولین نشانه‌های «لرزش کوانتومی» بود که قبلاً در زمینه ستارگان نوترونی به آن اشاره کردیم. به نظر می‌رسد نتیجه گیری فاولر نتیجه اجتناب ناپذیر دو اصل از اصول نظریه کوانتوم بود: یکی اصل طرد پائولی و دیگری اصل عدم قطعیت ورنر‌هایزنبرگ.

اصل طرد (Exclusion Principle) می‌گوید ذراتی مانند الکترون‌ نمی‌توانند ناحیه یکسانی از فضا را اشغال کنند. اگر تعداد زیادی الکترون‌ در اثر فروپاشی گرانشی داخل ستاره به هم کوبیده شوند، برای اینکه از یکدیگر دور بمانند آنها در حجم‌های کوچکی خودشان را از هم جدا می‌کنند. اینجاست که اصل عدم قطعیت‌ هایزنبرگ (Heisenberg’s Uncertainty Principle) وارد عمل می‌شود، و می‌گوید وقتی یک ذره در حجم کوچکتری محصور ‌شود، تکانه (momentum) آن بزرگتر می‌شود. به عبارت دیگر، اگر یک الکترون را محدود کنید، در اطراف خودش می‌لرزد، و هر چه بیشتر سعی کنید آن را محدود کنید، بیشتر می‌لرزد می‌خورد. این فشار به همان شکلی ایجاد می‌شود که در اوایل زندگی ستاره، گرمای حاصل از واکنش‌های همجوشی هسته‌ای باعث می‌شود اتم‌های آن تکان بخورند و از فروپاشی آن جلوگیری کنند. با این حال، بر خلاف فشار ناشی از واکنش‌های همجوشی، فشار تباهی الکترونی برای تامین انرژی، نیازی به آزاد شدن انرژی ندارد. به نظر می‌رسید یک ستاره می‌تواند به طور نامحدود در برابر کشش گرانشی درونی خودش مقاومت کند.

ستاره شناسان چنین ستاره‌‌هایی را می‌شناختند، و نام کوتوله سفید (white dwarf) را به آنها داده بودند. شعرای يمانی B [10]، همدمِ کم نورِ پرنورترین ستاره آسمان، یعنی شعرای يمانی A، است. شعرای يمانی B جرمی‌نزدیک به خورشید ما دارد، اما شعاع آن در حد زمین است. با استفاده از اندازه‌گیری‌های انجام شده در آن زمان، چگالی آن حدود 100 کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب تخمین زده شد بود. ادینگتون در کتاب خود با نام «ترکیبِ درونی ستارگان» می‌گوید: ”فکر می‌کنم باید این نتیجه را مهمل تلقی کنیم.“ اندازه گیری‌های جدید چگالی این ستاره را ده برابر بیشتر برآورد می‌کنند. با این حال، هر چقدر هم که این ایده مهمل بود، فاولر مکانیسمی ‌را کشف کرده بود که توضیح می‌داد چرا این ستاره عجیب، که ‌اندازه آن در حد یک سیاره بود، چه‌طور می‌تواند در برابر گرانش مقاومت کند. به نظر می‌رسد که این امر به فیزیکدانان آن روز کمک زیادی کرده بود، زیرا از چنین اتفاق غیرقابل تصوری جلوگیری می‌کرد. به لطف فاولر، به نظر می‌رسید که ستاره‌ها در پایان زندگی خودشان به کوتوله‌های سفید تبدیل می‌شوند. آنها نتیجه گیری کرده بودند که به دلیل لرزش کوانتومیِ ‌الکترون‌ها، ستارگان در داخل شعاع شوارتزشیلد خودشان فرو نمی‌ریزند و افق رویداد تشکیل نمی‌شود.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image010.png$

آرتور ادینگتون Arthur Eddington(1944-1882)، ستاره‌شناس و فیزیکدان بریتانیایی.

ولی این احساس آرامش زیاد دوام نیاورد. در سال 1930، یک فیزیکدان هندی 19 ساله به نام سوبرامانیان چاندراسخار (Subrahmanyan Chandrasekhar)، طی یک سفر 18 روزه که برای کار با ادینگتون و فاولر در کمبریج شروع کرده بود، تصمیم گرفت محاسبه کند که فشار تباهی الکترونی چقدر می‌تواند قوی باشد. فاولر برای جرم ستاره، یک حدِ بالایی را تعیین نکرده بود، و به نظر می‌رسید که اکثر فیزیکدانان تصور می‌کردند که چنین حدی نباید وجود داشته باشد. اما چاندراسخار متوجه شد که فشار تباهی الکترونی محدودیت‌هایی دارد. نظریه نسبیت اینشتین می‌گوید که بدون توجه به اینکه یک الکترون چقدر محصور شده باشد، سرعت لرزش‌های آن نمی‌تواند از سرعت نور بیشتر شود. چاندراسخار محاسبه کرد که حد مجاز سرعت هنگامی خواهد رسید، که یک کوتوله سفید با جرمی حدود 90 درصد جرم خورشید داشته باشیم. یک محاسبه دقیق تر نشان می‌دهد که حدِ چاندراسخار، که حالا هم به این نام شناخته می‌شود، 1.4 برابر جرم خورشید است. اگر یک ستاره در حال فروپاشی از این جرم فراتر رود، الکترون‌ها دیگر فشار کافی برای مقاومت در برابر کشش گرانش به سمت داخل را ایجاد نمی‌کنند، زیرا با حداکثر سرعتِ ممکن حرکت می‌کنند، و فروپاشی گرانشی باید ادامه یابد. ادینگتون این حرف را خیلی قبول نداشت. او احساس می‌کرد که چاندراسخار نسبیت را به طور غلط با حوزه مکانیک کوانتوم،‌که در آن زمان جدیداً کشف شده بود، خلط کرده است، و اگر محاسبات به درستی انجام شوند، نشان خواهند داد که ستاره‌های کوتوله سفید می‌توانند هر جرمِ بزرگی داشته باشند. در آن زمان چاندراسخار جوان بود و ادینگتون مقام والایی داشت، و مشاجرات بعدی که بین این دو صورت گرفت عمیقاً بر چاندراسخار تأثیر گذاشت. چند دهه پس از مرگ ادینگتون در سال 1944، چاندراسخار آن را اینطور توصیف می‌کند: ”اینکه کار من توسط جامعه منجمین کاملاً بی‌اعتبار شد ... تجربه بسیار دلسرد کننده‌ای بود.“ در نهایت درستی استدلال چاندراسخار ثابت شد و در سال 1983 برای کارهایش در مورد ساختار ستارگان جایزه نوبل را دریافت کرد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image011.png$

سوبرامانیان چاندراسخار Subrahmanyan Chandrasekhar (1995-1910)، فیزیکدان هندی-آمریکایی.

نتایج کار چاندراسخار، که در سال 1931 منتشر شد، به عنوان شواهد قطعی مبنی بر اینکه سیاه‌چاله‌ها باید تشکیل شوند در نظر گرفته نشد. در سال 1939 اینشتین هنوز نگران انجماد ظاهری زمان در افق رویداد بود. او امیدوار بود که شاید فرآیند دیگری وجود داشته باشد که وقتی فشار تباهی الکترونی شکست می‌خورد، بتواند از فروپاشی بیشتر یک کوتوله سفید جلوگیری کند. در اواخر دهه 1930، فیزیکدان آمریکایی، فریتز تسوئیکی (Fritz Zwicky) و فیزیکدان روسی، لو لانداو (Lev Landau)، به درستی پیشنهاد کردند که ممکن است ستارگانی وجود داشته باشند که حتی از کوتوله‌های سفید هم چگال‌تر باشند، و فشار تباهی الکترونی از فروپاشی آنها جلوگیری نکند، بلکه در آنها فشار تباهی نوترونی حاکم باشد. تحت شرایط شدیدی که در فروپاشی گرانشی وجود دارد، الکترون‌ها می‌توانند مجبور شوند با پروتون‌ها ترکیب شوند تا نوترون‌ها، و ذرات سبک‌وزن دیگری به نام نوترینو (neutrinos)، را تشکیل دهند که از ستاره فرار می‌کنند. درست مانند الکترون‌ها، وقتی نوترون‌ها به هم فشرده می‌شوند، به اطراف خودشان می‌لرزند، اما از آنجایی که جرم آنها از الکترون بیشتر است، می‌توانند تحمل بیشتری را داشته باشند. این اجرام همان ستاره‌های نوترونی (neutron stars) هستند.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image012.png$

فیزیکدان روسی، لو لانداو Lev Landau (1968-1908)

بی دلیل نیست تعجب کنیم که آیا سرنوشت همه ستارگان سنگین همین باشد. ولی تجربه کوتوله‌های سفید نشان می‌دهد که فشار تباهی نوترونی نیز باید محدودیت‌هایی داشته باشد. شاید ستارگان بسیار سنگین، در حین فروپاشی خودشان مواد را به فضا پرتاب کنند، یا شاید با رسیدن به چگالی ستاره‌های نوترونی، جهش کرده و منفجر شوند. در آن زمان، این احتمالات خیلی نادیده گرفته نمی‌شدند - فیزیک هسته‌ای رشته بسیار جدیدی بود، و تنها چند سال از کشف خود نوترون می‌گذشت (1932).

پیش از سال 1939، رابرت اوپنهایمر (Robert Oppenheimer) و شاگردش جورج ولکوف (George Volkov)، بر اساس کارهای ریچارد تولمن (Richard Tolman)، چیزی را مطرح کردند که امروزه حد تولمن– اوپنهایمر– ولکوف نامیده می‌شود، و برای جرم یک ستاره نوترونی، که کمتر از 3 برابر جرم خورشید است، یک حدِ بالایی تعیین می‌کند. متعاقباً اوپنهایمر و یکی دیگر از شاگردانش،‌هارتلند اسنایدر، نشان دادند که در شرایط خاصی، ستارگان سنگین‌تر باید در پشت افق رویداد خودشان فرو بریزند تا یک سیاه‌چاله را تشکیل دهند. این مقاله برجسته اینطور شروع می‌شود: ”وقتی همه منابع انرژی گرماهسته‌ای تمام شوند، ستاره‌ای که به‌اندازه کافی سنگین باشد فرو خواهد ریخت. این فروریختگی به طور نامحدود ادامه خواهد داشت، مگر اینکه شکافت ناشی از چرخش، تابشِ جرم، یا دمیدن جرم توسط تابش، جرم ستاره را به‌اندازه جرم خورشید کاهش دهد.“ خطوط پایانی مقدمه این مقاله، پیامدهای گذرِ زمان در افق، که شدیداً موجب نگرانی اینشتین بود، را به تفصیل شرح می‌دهد: «برای ناظری که با ماده ستاره‌ای در حال حرکت است، کلِ زمانِ فروپاشی متناهی است، و برای این حالت ایده‌آلی و ستارگان معمولی، یک ناظر خارجی ستاره را به طور مجانبی در حال کوچک شدن تا شعاع گرانشی خودش می‌بیند. به عبارت دیگر، از نقطه نظر کسی که روی سطح ستاره در حال فروپاشی است، تقریباً یک روز طول می‌کشد تا یک ستاره نه چندان بزرگتر از خورشید از بین برود. اما برای هر کسی که خارج از آن باشد، حالتی جاودانه خواهد داشت. این رفتار گیج کننده زمان است که قبلاً به آن اشاره کردیم. اوپنهایمر و اسنایدر این نتیجه مهمِ نسبیت عام را پذیرفتند و نشان دادند که به هیچ تناقضی منجر نمی‌شود. ما در فصل‌های بعدی این نتایجِ جذاب را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image013.png$ در آن زمان، آتش جنگ جهانی دوم برافروخته شد و تلاش فیزیکدانانِ جهان به سمت حمایت از جنگ متمایل گشت. تخصص دانشمندان فیزیک هسته‌ای، که با مطالعه ستارگان در این حوزه کارکشته شده بودند، در ایالات متحده خصوصاً با توسعه بمب اتم ارتباط داشت، و اوپنهایمر به رهبری ‌پروژه منهتن گماشته شد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image014.png$

رابرت اوپنهایمر Robert Oppenheimer(1967-1904)، فیزیکدان آمریکایی و سرپرست علمی تیم منهتن برای تولید اولین بمب اتمی.

وقتی جنگ به پایان رسید و فیزیکدانان به کارهای علمی خودشان بازگشتند، نسل جدیدی آماده شد تا کار را به دست بگیرد. این نسل در ایالات متحده توسط جان آرچیبالد ویلر (John Archibald Wheeler) پرورش یافتند. این ویلر بود که برای اولین بار در 29 دسامبر 1967، طی یک سخنرانی اصطلاح سیاه‌چاله را ابداع کرد. ویلر در زندگی‌نامه خود، درگیری فکری‌اش در طول دهه 1950 با سیاه‌چاله‌ها را توصیف می‌کند. ”برای چند سال من درگیر ایده فروپاشی ستارگان و تشکیل سیاه‌چاله‌ها بودم. ولی آن را دوست نداشتم. من تمام تلاشم را کردم تا راهی پیدا کنم تا از فروپاشی درونی اجباری توده‌های بزرگِ ماده اجتناب کنم.” او بازگو می‌کند که سرانجام چگونه متقاعد شد که «هیچ چیز نمی‌تواند مانع از فروپاشی قطعه‌ای از ماده، که به‌اندازه کافی بزرگ باشد، به ابعادی کوچکتر از شعاع شوارتزشیلد شود».

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image015.png$

جان آرچیبالد ویلر John Archibald Wheeler (2008-1911)، فیزیکدان نظری آمریکایی و از پیشگامان نظریه سیاه‌چاله‌ها.

انعکاس ایده‌های ویلر در مقاله‌ای که در سال 1962 با شاگردش رابرت فولر نوشت به اوج رسید. در این مقاله آنها به این نتیجه رسیدند که " نقاطی در فضازمان وجود دارد که هر چقدر هم که منتظر بمانیم، از آنجا هرگز نمی‌توان سیگنال‌های نوری را دریافت کرد." این نقاط در داخل افق رویداد قرار دارند و برای همیشه از جهان خارج جدا شده‌اند. به نظر می‌رسید سیاه‌چاله‌ها اجتناب ناپذیر هستند. در سال 1965در مقاله سر راجر پِن‌رُز (Sir Roger Penrose) با عنوان "فروپاشی گرانشی و تکینگی‌های فضا-زمان"، هر گونه نگرانیِ نظری که درمورد سیاه‌چاله‌ها باقی مانده بود برطرف شد. در آنجا او می‌گوید ”هر توصیفی که هر کس از ماده داشته باشد، در مرکز یک سیاه‌چاله باید یک تکینگی وجود داشته باشد.“

ظهور یک استعداد برجسته

بررسی ما از تاریخچه سیاه‌چاله‌ها، ما را به سال 1974 و مقاله استیون‌ هاوکینگ (Stephen Hawking) می‌رساند، که به یک سوال ظاهراً ساده منجر شد، و از آن به بعد، حدود نیم قرن تحقیقات مربوط به سیاه‌چاله‌ها را تحت‌الشعاع خودش قرار داد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image016.png$

استیون‌ هاوکینگ Stephen Hawking (2018-1942)، فیزیکدان نظری بریتانیایی و یکی از برجسته‌ترین دانشمندان حوزه سیاه‌چاله‌ها.

هرچند تا دهه 1970 هنوز سیاه‌چاله‌ها توسط ستاره شناسان مشاهده نشده بودند، ولی وجود آنها به طور گسترده توسط نظریه پردازان پذیرفته شده بود، و توجه گروه کوچکی که هنوز به آنها علاقه‌مند بودند به چالش‌های مفهومی‌ آنها منعطف شد. مقاله ‌هاوکینگ با عنوان "انفجارات سیاه‌چاله‌ای"، در مجله نیچر منتشر شد. ‌هاوکینگ نشان داد که وجود یک افق رویداد تأثیر شگرفی بر فضای خلاء مجاور آن دارد. نظریه کوانتوم به ما می‌گوید که فضای خلاء واقعاً خالی نیست. این فضا پر از میدان‌هایی است که دائماً در حال نوسان هستند، و این نوسانات خودشان را به عنوان عامل بالقوه‌ای برای ایجاد ذرات (فوتون‌ها، الکترون‌ها، کوارک‌ها، و بقیه ذرات) نشان می‌دهند. خلاء دارای یک ساختار است. در فضای خالی معمولی، این نوسانات می‌آیند و می‌روند. می‌توان تصور کرد که ذرات مجازی دائماً به وجود می‌آیند و از از بین می‌روند، اما نتیجه خالص این است که هیچ ذره واقعی به طور معجزه آسایی از نیستی بوجود نمی‌آید. ولی وجود افق رویداد این تعادل را به هم می‌زند، و در نتیجه ذرات مجازی زودگذر می‌توانند به ذرات واقعی بدل شوند. این ذرات که به عنوان تابشِ ‌هاوکینگ (Hawking radiation) شناخته می‌شوند، به کیهان سرازیر می‌شوند و بخش کوچکی از انرژی سیاه‌چاله را با خودشان حمل می‌کنند. در مقیاس‌های زمانی غیرقابل تصور، که خیلی از سن کنونی جهان طولانی‌تر است، یک سیاه‌چاله معمولی می‌تواند تبخیر، و نهایتاً منفجر شود. به قول هاوکینگ، سیاه‌چاله‌ها آنقدر هم سیاه نیستند. آنها مانند زغال‌های سیاه بی‌فروغ، به آرامی‌ در آسمان سرد می‌درخشند. دمای یک سیاه‌چاله با جرمی برابر خورشید ما ، 0.00000006 درجه سانتیگراد از صفر مطلق بالاتر است، که از دمای امروزِ جهان بسیار سردتر است. کماندار A* حتی از این هم سردتر است: اگر بخواهیم دقیق باشیم، 4.31 میلیون بار سردتر. ولی آنچه بسیار اهمیت دارد این است که دمای یک سیاه‌چاله صفر نیست. همانطور که خواهیم دید، این یعنی سیاه‌چاله‌ها از قوانین ترمودینامیک پیروی می‌کنند، همان قوانینی که بر زغال‌سنگ‌های درخشان، موتورهای بخار، و ستارگان معمولی حاکم است، و این یعنی آنها جاودانه نیستند. روزی در آینده‌ای بسیار دور، همه آنها از بین خواهند رفت.

به واسطه این درخشش ضعیف، یک سوال اساسی مطرح می‌شود. وقتی سیاه‌چاله از بین رفت، برای چیزهایی که قبلاً در داخل آن سقوط کرده بودند، چه اتفاقی خواهد ‌افتاد؟ به دلیل مکانیسم منحصر به فرد تولید تابشِ ‌هاوکینگ، که از خلاءِ مجاورِ افق رویداد ناشی می‌شود، به نظر می‌رسد این تابش هیچ ارتباطی با آنچه در طولِ عمر سیاه‌چاله افتاده نداشته باشد. بنابراین بسیار دشوار است که ببینیم اطلاعاتِ مربوط به چیزهایی که در آن سقوط کرده‌اند، یا در واقع ستاره‌ای که در وهله اول سقوط کرده و سیاه‌چاله را تشکیل داده، چگونه به نحوی می‌تواند در اثر تابش حفظ شود. محاسبات اولیه ‌هاوکینگ در این مورد بسیار واضح به نظر می‌رسید. این تابش هیچ اطلاعاتی را در خود نگه نمی‌دارد.

لئونارد ساسکیند (Leonard Susskind)، که یکی از پیشگامان تحقیقات مدرنِ سیاه‌چاله‌ها است، داستان ملاقاتی را تعریف می‌کند که او در سال 1983 با هاوکینگ در یک اتاق زیر شیروانی کوچک در سانفرانسیسکو داشت، و هاوکینگ برای اولین بار این سوال را مطرح کرد، و خودش پاسخ نادرستی به آن داد. شرح دست اول ساسکیند از مواجهه فکری او درباره این پرسشِ هاوکینگ، در کتابی به نام ’جنگ سیاه‌چاله‌: نبرد من با استیون‌هاوکینگ برای ایمن کردن جهانِ مکانیک کوانتومی‘ آمده است. ساسکیند در انتخاب عناوین جنجالی ماهر است. او یک بار مقاله‌ای با عنوان «هجوم گراویتون‌های غول‌پیکر از فضای پاد-دوسیتر [11]» را نوشته بود. او در کتابش می‌نویسد: ”هاوکینگ ادعا می‌کند که در تبخیر سیاه‌چاله‌ها، اطلاعات از بین می‌روند، و بدتر از آن، به نظر می‌رسید که او با محاسباتش این را ثابت کرده. اگر چنین چیزی درست بود، پس پایه‌های فیزیک ویران می‌شود.“

ساسکیند به یکی از پایه‌های فیزیکِ مدرن اشاره می‌کرد، که جبرگرایی (determinism) نام دارد. این ایده به ما می‌گوید که اگر همه چیز را درباره یک سیستم بدانیم، خواه این سیستم یک جعبه ساده پر از گاز باشد، یا کُل جهان، آنگاه ما می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که در گذشته چگونه بوده، و در آینده چگونه تحول می‌یابد. البته باید گفت «اصولاً» چنین است، ولی « در عمل» نمی‌توان در مورد گذشته و آینده همه چیز را دانست، زیرا اطلاعات ما در مورد هر سیستمِ فیزیکی واقعی همیشه ناقص است. اما برخلاف سیاست، اصول در علم اهمیت دارند! اگر حق با‌ هاوکینگ بود، سیاه‌چاله‌ها باعث می‌شدند تا جهان اساساً غیرقابل پیش‌بینی شود، و پایه‌های علم فیزیک فرو می‌ریخت.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image013.png$ $Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image013.png$ $Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image013.png$ $Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image013.png$ $Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image013.png$ همانطور که خودِ ‌هاوکینگ از روی خوشحالی، و نه پشیمانی، اشتباه خودش را پذیرفت، حالا ما می‌دانیم که او اشتباه می‌کرد، یعنی اطلاعات از بین نمی‌روند و پایه‌های‌ علم فیزیک نیز ایمن هستند.

هاوکینگ در آخرین ویرایش کتاب «تاریخچه مختصر زمان» اعتراف می‌کند که سرانجام در سال 2004 نظر خود را تغییر داد، و باختِ شرطی را که با جان پرسکیل (John Preskill) بسته بود، پذیرفت.‌ ما بعداً با کارهای پرسکیل آشنا خواهیم شد. هاوکینگ خاطرنشان می‌کند که در زمان نگارش این مقاله، هیچ کس نمی‌دانست که چگونه اطلاعات از سیاه‌چاله خارج می‌شود. با این حال، آنچه واضح بود این است که رمزگشایی اطلاعاتِ خارج شده بسیار سخت خواهد بود. او می‌نویسد: ”این مثل سوزاندن یک کتاب است. اگر کسی خاکستر و دود این کتاب را نگه دارد، از لحاظ فنی، اطلاعات کتاب از بین نرفته“

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image017.png$

جان پرسکیل John Preskill (-1953) فیزیکدان نظری آمریکایی و از شاگردان هاوکینگ که با او بر سر تابش هاوکینگ و تاثیر آن روی حفظ اطلاعات شرط‌بندی کرده بود.

فراسوی افق

فرض کنید ساعتی را پیدا کرده‌اید که روی زمین افتاده. همان طور که دقیق‌تر آن را بررسی می‌کنید، خواه و ناخواه از ظرافت و پیچیدگی آن شگفت‌زده می‌شوید. مطمئناً کسی چنین دستگاهی را طراحی کرده؛ باید کسی آن را ساخته باشد. واژه «ساعت» را با «جهان» جابه‌جا کنید، در اینصورت، شما به همان استدلالی می‌رسید که یک روحانی مسیحی به نام ویلیام پِیلی (William Paley) در سال 1802 برای اثبات وجود خدا ارائه کرد. حالا ما می‌دانیم که این استدلال توسط شواهد گسترده‌ای که در حمایت از نظریه تکاملِ داروین و انتخاب طبیعی مطرح شده، به‌طور جدی تضعیف شده است. ساعت‌ساز ما، خودِ جهان است، و چشمانش نابیناست. چنانکه داروین می‌گوید ” با توانایی‌های گوناگونش، که در اصل در یک یا چند شکل دمیده شده بود، و در حالی که این سیاره طبق قانون ثابتِ جاذبه به چرخش خود ادامه داده، از چنین آغاز ساده‌ای، اشکال بی‌پایانِ زیبا و شگفت‌انگیزی تکامل یافته‌اند یا در حال تکامل هستند.“

ولی ما درباره‌ی این قانون ثابت جاذبه، یعنی همان چیزی که پیش‌نیاز وجود سیاراتی است که اشکالِ بی‌شمار حیات از آنجا تکامل یافتند، چه‌ چیزی می‌دانیم؟ درمورد قوانین الکتریسیته و مغناطیس، که این جانوران را در کنار هم نگه می‌دارند چه می‌دانیم؟ یا درمورد باغ‌وحش در هم و برهمِ ذراتِ زیراتمی که ما از آنها ساخته شده‌ایم چه می‌دانیم؟ چه کسی یا چه چیزی این قوانین را وضع کرد، چه کسی این چارچوب را درست کرده که همه چیز در آن می‌چرخد؟

به نوعی، داستان فیزیک نوین تقلیل‌گرایانه بوده. ما برای درک عملکرد درونی جهان به یک دایره المعارف بزرگ نیاز نداریم. در عوض، تقریباً می‌توانیم طیفِ نامحدودی از پدیده‌های طبیعی، از ساختار درونی یک پروتون گرفته، تا بوجود آمدن کهکشان‌ها، را با استفاده از زبان ریاضیات توصیف کنیم. به قول فیزیکدانِ نظری مجارستانی، یوجین ویگنر (Eugene Wigner)، ”معجزه تناسبِ زبانِ ریاضیات برای تدوین قوانین فیزیک، موهبتِ شگفت انگیزی است که ما نه آن را درک می‌کنیم و نه سزاوار آن هستیم، و تنها باید قدردان چنین معجزه‌ای باشیم.“ ریاضیات قرن بیستم، جهانی را توصیف می‌کند که با تعداد محدودی از انواع ذرات بنیادی مختلف پر شده، و آنها بر اساس مجموعه‌ای از قوانین، که می‌توان آنها را در پشت یک پاکتِ نامه نوشت، در عرصه‌ای به نام فضازمان با یکدیگر تعامل دارند. به نظر می‌رسد اگر جهان حاصل یک طراحی باشد، طراح آن باید یک ریاضیدان باشد.

به نظر می‌رسد که مطالعه سیاه‌چاله‌ها ما را به سوی جدیدی سوق می‌دهد، به سمتِ زبانی که دانشمندانِ کامپیوترهای کوانتومی از آن بیشتر ‌استفاده می‌کنند. این زبانِ اطلاعات است. ممکن است فضا و زمان موجودات نوظهوری باشند که در عمیق‌ترین ویژگی‌های جهان وجود نداشته باشند. در عوض، آنها از بیت‌های کوانتومی ‌درهم‌تنیده‌ای از اطلاعات، طوری ساخته می‌شوند که شبیه یک برنامه کامپیوتری هستند که بطور هوشمندانه ساخته شده. در اینصورت به نظر می‌رسد اگر جهان طراحی شده باشد، طراح آن باید یک برنامه نویس باشد.

اما همانطور که پیش از این ویلیام پِیلی افراط کرده بود، ما نیز در معرض چنین خطری قرار داریم و باید احتیاط کنیم. نقش علمِ اطلاعات در توصیف سیاه‌چاله‌ها، ممکن است ما را به سوی توصیفِ جدیدی از جهان سوق دهد، اما این بدان معنا نیست که یک برنامه‌ریزی در کار بوده. بلکه ممکن است به این نتیجه برسیم که استفاده از زبانِ کامپیوتر برای توصیفِ الگوریتم‌ جهان مناسب است. به عبارت دیگر، در اینجا برای تدوین قوانین فیزیک، هیچ چیز بهتری از زبانِ ریاضیات وجود ندارد. پردازش اطلاعات، یا همان تغییر بیت‌های ورودی و تبدیل آنها به بیت‌های خروجی، ساخته و پرداخته علمِ کامپیوتر نیست، بلکه یکی از ویژگی‌های جهان ماست. ما به جای اینکه فضازمان را ’به عنوانِ برنامه یک کامپیوترِ کوانتومی‘ در نظر بگیریم، که حاکی از وجود یک برنامه‌نویس است، می‌توانیم این دیدگاه را داشته باشیم که برنامه‌نویسانِ روی زمین، ترفندهایی را کشف کرده‌اند که قبلاً جهان از آنها بهره برداری کرده. از این طریق، سیاه‌چاله‌ها کلیدِ اکتشافاتی هستند که به ما امکان می‌دهند مشاهدات خود را به زبان جدیدی ترجمه کنیم، زبانی که به ما یک درکِ اجمالی از عمیق‌ترین دلایل و درخشان‌ترین زیبایی‌ها را می‌دهد.

...........................................

محتویات کامل این کتاب در 15 فصل و 300 صفحه منتشر شده، برای ادامه مطالعه این کتاب می‌توانید نسخه کامل PDF آن را تهیه کنید.

فصل 2

11/10/1402

متحدسازی فضا و زمان

کلمه «فاصله» به تنهایی، به کتابی در مورد نسبیت عام تعلق ندارد. کلمه "زمان" نیز به تنهایی به کتابی در مورد نسبیت عام تعلق ندارد.

ادوین اف. تیلور، جان آرچیبالد ویلر، و ادموند برتشینگر [12]

دلیل اینکه سیاه‌چاله‌ها برای یادگیری فیزیک عالی هستند این است که مطالعه آنها تقریباً به کُل فیزیک نیاز دارد. دان پیج (Don Page) که یکی از شاگردان هاوکینگ بود، مقاله «بررسی جامع تابش‌هاوکینگ» را با این جمله آغاز می‌کند: ”شاید سیاه‌چاله‌ها کامل‌ترین اجرام حرارتی در جهان باشند، با این حال، خواص حرارتی آنها به طور کامل شناخته نشده.“ ترمودینامیک یکی از پایه‌های علم فیزیک است که با مفاهیم آشنایی مانند دما، انرژی، و مفهومی‌که احتمالا کمتر با آن آشنا هستید، و آنتروپی (Entropy) نام دارد، مربوط است. بنابراین، ما باید ترمودینامیک را یاد بگیریم. مقاله مهم استیون ‌هاوکینگ، با عنوان "ایجاد ذرات توسط سیاه‌چاله‌ها" اینگونه آغاز می‌شود: ” در نظریه‌های کلاسیک، سیاه‌چاله‌ها فقط می‌توانند ذرات را جذب کنند و چیزی از خودشان ساطع نمی‌کنند. ولی نشان داده شده که اثراتِ کوانتومی ‌باعث می‌شود تا سیاه‌چاله‌ها نیز مانند اجسام داغ ذراتی را ایجاد کرده و از خودشان ساطع کنند...“ بنابراین لازم است ما کمی مکانیک کوانتوم، و البته نظریه نسبیت عام اینشتین، یاد بگیریم. همانطور که میزنر (Misner )، تورن (Thorne)، و ویلر (Wheeler) در کتاب درسی عالی خودشان بنام گرانش (که هم از نظر کیفیت و هم از نظر اندازه عالیست) می‌نویسند: ”. . . ما خواننده را به سرزمین سیاه‌چاله‌ها می‌بریم، که در آن با محدودیت‌های ایستا، ارگوسفرها، و افق‌ها مواجه می‌شود. اینها چیزهای هستند که در پشت همه آنها تکینگی‌ها و شکاف‌های شدیدی پنهان است. این همان سرزمینی است که ما ابتدا آن را کاوش خواهیم کرد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image018.png$

دان پِیج Don Page، (-1948) فیزیکدان آمریکایی و از شاگردان هاوکینگ.

...........................................

محتویات کامل این کتاب در 15 فصل و 300 صفحه منتشر شده، برای ادامه مطالعه این کتاب می‌توانید نسخه کامل PDF آن را تهیه کنید.

فصل 3

18/10/1402

وارد کردن بی‌نهایت به یک مکان محدود

معمولاً فیزیکدانان نسبیت عام را به شکلِ شاعرانه‌ای توصیف می‌کنند. نسبیتِ عام نظریه‌ای است که غالباً صفت "زیبا" را به آن اطلاق می‌کنند. «زیبا» به معنای ظرافت و اختصار است. در ریاضیات، که به غامض بودن معروف است، چنین چیزی به راحتی قابل مشاهده نیست. حکایت معروفی در مورد آرتور ادینگتون وجود دارد که وقتی به او گفته شد که در جهان تنها سه نفر هستند که نظریه اینشتین را درک کرده‌اند، و او یکی از آنها است، وی لحظه‌ای مکث کرد و پاسخ داد: ”خیلی دلم می‌خواهم بدانم غیر از خودم و اینشتین، این نفر سوم کیست!“ صفت زیبا بیشتر به ظرافت و اختصاری اشاره دارد که زیربنای این نظریه هستند و همچنین ایده زیبایی که می‌گوید گرانش همان هندسه فضازمان است. جان آرچیبالد ویلر (John Archibald Wheeler) عقیده اصلی خودش در مورد نسبیت عام را در یک جمله بیان می‌کند: ”فضازمان به ماده می‌گوید که چگونه حرکت کند. ماده به فضازمان می‌گوید که چگونه خَم شود.“ آن بخشی از نسبیت عام که دشوار شمرده می‌شود، محاسبه انحنای فضازمان است، و به غیر از حالت‌هایی که ماده و انرژی نظم بسیار ساده‌ای داشته باشند، یافتن جواب‌های دقیق معادلات اینشتین کار آسانی نیست. یکی از معدود مواردی که در جهان می‌توانیم هندسه فضازمان را در آنها بطور دقیق محاسبه کنیم، سیاه‌چاله‌ها هستند، و وقتی تکلیف هندسه آنها مشخص شد، می‌توانیم آن را به صورت تصویری نشان دهیم. چالش اصلی این است که برای ترسیم فضازمان در اطراف یک سیاه‌چاله روی یک صفحه کاغذ صاف، بهترین روش را پیدا کنیم. یک صفحه کاغذِ صاف، 2-بعدی است و فضازمانِ ما 4-بعدی، که (حداقل) رسم آن دشوار است. اگر فضازمان منحنی باشد، یک دردسر اضافی نیز خواهیم داشت، و وارد کردن خمیدگی اجتناب ناپذیر است. ترفند این است که آن تعداد از ابعاد را که حداقل برای کار ما لازم هستند ترسیم کنیم، و همانطور که در فصل قبل دیدیم، این اغلب شامل یک 1-بُعد فضایی به اضافه 1-بعد زمانی است، و نمایش خمیدگی باید به گونه‌ای باشد که ویژگی‌های جالب را طوری نمایش دهد که درک ما از آنها بهتر شود.

...........................................

فصل 4

02/11/1402

فضازمانِ خمیده

هنگامی که کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild) در ارتش آلمان خدمت می‌کرد و در جبهه شرقی مشغول محاسبه مسیر گلوله‌های توپخانه بود، کمتر از پنج ماه قبل از مرگش در سال 1916، این اخترفیزیکدان برجسته اولین راه حل دقیق معادلات نسبیت عام اینشتین را کشف کرد. تنها چند هفته پس از انتشار نظریه نسبیت عام، شوارتزشیلد جواب را بدست آورد و آن را برای اینشتین فرستاد، و از این لحاظ، دستاورد شوارتزشیلد کمتر از کار خودِ اینشتین نبود. اینشتین تحت تأثیر قرار گرفت و در جواب او نوشت: ”مقاله شما را با نهایت علاقه خواندم. من انتظار نداشتم که به این سادگی بتوان راه حل دقیق مسئله را بیان کرد.“ شوارتزشیلد معادله‌ای را یافته بود که هندسه فضازمان در اطراف یک ستاره را با دقت بسیار بالا توصیف می‌کرد. سخت جان ویلر را به یاد بیاورید که گفته بود: ”فضازمان به ماده می‌گوید که چگونه حرکت کند. ماده نیز به فضازمان می‌گوید که چگونه خم شود“. جوابِ شوارتزشیلد خمیدگی فضازمان را توصیف می‌کند، و پس از آن، بررسی نحوه حرکت اشیا بر روی این فضا کار نسبتاً ساده‌ای بود. امروزه معادلات شوارتزشیلد یکی از اولین چیزهایی است که در دوره کارشناسی در مورد نسبیت عام تدریس می‌شود و در بیشتر مواقع برای مدارهای سیارات، با پیش‌بینی‌های ساده‌تر نیوتنی مطابقت دارد، البته با کمی بهبود. راه حل‌های نیوتُنی در همه مواقع جواب نمی‌دهند. در سال 1916 راه حل شوارتزشیلد، که پی‌آمدهای آن برای خودش، و حتی اینشتین هم ناشناخته بود، می‌توانست سیاه‌چاله‌ها را نیز توصیف ‌کند.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image019.png$

کارل شوارتزشیلد Karl Schwarzschild (1916-1873)، اخترفیزیکدان آلمانی، کسی که برای اولین بار جواب معادلات اینشتین را پیدا کرد.

...........................................

فصل 5

09/11/1402

داخل سیاه‌چاله

در فیلم میان ستاره‌ای، بازیگر فیلم متیو مک‌کانهی به داخل سیاه‌چاله‌ای به نام گارگانتوآ می‌رود و بعداً در قفسه کتابِ چند-بُعدی دخترش ظاهر می‌شود. این چیزی نیست که در جهان واقعی اتفاق بی‌افتد [13]. ولی فضانوردی که تصمیم می‌گیرد سفری به آنسوی افق رویداد یک سیاه‌چاله داشته باشد، واقعاً سرنوشت او چه می‌شود؟ بر اساس نسبیت عام، حالا ما این توان را داریم که پاسخ این سوال را برای سیاه‌چاله‌هایی که نمی‌چرخند، بدهیم. ما بعداً در فصل 6 چرخش را نیز به سیاه‌چاله‌ها اضافه می‌کنیم و درون سیاه‌چاله‌هایی را بررسی می‌کنیم که به عنوان سیاه‌چاله‌های کِر (Kerr) شناخته می‌شوند. این به ما امکان می‌دهد تا سفرهای شگفت‌انگیزتری را در سرزمین عجایب کرم‌چاله‌ها و جهان‌های دیگر آغاز کنیم. ولی همه چیز به نوبت.

ما برای اکتشاف سیاه‌چاله ابرپرجرم در M87، می‌خواهیم سه فضانورد دیگر را برای پیوستن به سرخ و آبی استخدام کنیم. سفر آنها در فضازمان، در شکل 5.1 نشان داده شده است. ما با استفاده از نقاط رنگی موقعیت آنها را با زیاد شدن زمان مشخص کرده‌ایم.

...........................................

فصل 6

19/11/1402

سفیدچاله‌ها و کرم‌چاله‌ها

کاری که نمودارهای پِن‌رُز می‌کنند این است که بی‌نهایت را به یک مکان متناهی در صفحه می‌آورند، و ما در فصل 3 توضیح دادیم که انواع مختلفِ بی‌نهایت در لبه‌ها و نقاطِ لوزی‌شکلِ فضازمانِ تخت، چگونه به تصویر کشیده می‌شوند. جهت یادآوری، ما دوباره نمودار فضازمانِ تخت را در سمت چپ شکل 6.1 رسم کرده‌ایم. رئوس بالا و پایین لوزی، نشان دهنده گذشته دور و آینده دور برای هر چیز، یا هر کسی است که در امتداد خطوط‌ِجهانی زمانی‌شکل سفر می‌کند. ما این گذشته و آینده را، بی‌نهایتِ زمانی‌شکل (timelike infinity) می‌نامیم. دنیای جاودانه‌ها از آنجا شروع شده و همانجا به پایان می‌رسد. پرتوهای نورِ جاودانه سفر خود را از یکی از لبه‌های پایینی شروع کرده و در لبه بالایی روبرو به پایان می‌رسانند. اینها بی‌نهایتِ نوری‌شکل (lightlike infinity) گذشته و آینده هستند. تمام برش‌های فضای بی‌نهایتِ «حالا»، از راسِ چپ تا راسِ راست لوزی کشیده شده‌اند. اینها بی‌نهایتِ فضایی‌شکل (spacelike infinity) هستند. هر یک از رئوس و لبه‌های نمودارِ پِن‌رُز ، به شکلی بی‌نهایت را نشان می‌دهد.

...........................................

فصل 7

30/11/1402

سرزمینِ شگفت‌انگیز کِر

در سال 1963 ریاضیدان نیوزلندی، روی کِر (Roy Kerr )، موفق به یافتن جوابِ منحصر به فردِ معادلات اینشتین برای سیاه‌چاله‌های چرخنده شد. شاید انتظار داشته باشید که افزودن چرخش به جواب شوارتزشیلد در سال 1916 خیلی مشکل‌ساز نباشد، اما این واقعیت که دستیابی به آن تقریباً نیم قرن طول کشید، گواهی بر پیچیدگی‌هایی است که کِر از آن پرده برداشت. مانند راه‌حل شوارتزشیلد، راه‌حل کر نیز به یک سیاه‌چاله جاودانه مربوط است: یک خمیدگی جاودانه در فضای خالی. اما برخلاف شوارتزشیلد، این سیاه‌چاله‌ها دیگر متقارنِ کروی نیستند. مانند بسیاری از اجرام در حال چرخش، از جمله خورشید و زمین، سیاه‌چاله‌های کِر در استوای خودشان برآمدگی دارند و فقط حول محورِ چرخش خودشان متقارن هستند. این عدم تقارن عواقب مهمی دارد.

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image020.png$

روی کِر Roy Kerr(-1934) ریاضیدان و فیزیکدان نظری نیوزلندی، کسی که برای اولین بار جواب معادلات اینشتین برای سیاه‌چاله‌های چرخنده را پیدا کرد.

...........................................

فصل 8

09/12/1402

سیاه‌چاله‌های واقعی که از ستارگان در حال فروپاشی شکل می‌گیرند

تکان دهنده‌ترین تجربه در تمام زندگی علمی ‌من، که بیش از چهل و پنج سال طول کشیده، این بود که متوجه شدم حلِ دقیقِ معادلات نسبیت عام اینشتین که توسط ریاضیدان نیوزلندی، روی کر کشف شد، بازنمایی کاملاً دقیق از تعداد بی‌شماری از سیاهچاله‌های عظیم است که در سراسر جهان وجود دارند. این کُرنش در برابر زیبایی، این واقعیت باورنکردنی که کشفی برآمده از جستجوی زیبایی در ریاضیات، باید نمود دقیقی در جهان پیدا کند، مرا متقاعد می‌کند که بگویم زیبایی همان چیزی است که ذهن بشر در عمیق‌ترین و پرمعنا‌ترین سطح خود به آن پاسخ می‌دهد.'

سوبرامانیان چاندراسخار

سیاه‌چاله‌هایی که تاکنون کاوش کردیم، در چشم انداز ریاضی نسبیت عام قرار داشتند. در بخش بزرگی از قرن بیستم، این جهان‌های شگفت‌انگیز برای خیلی از فیزیکدانان، از جمله اینشتین، شناخته شده بودند. ولی آنها معتقد بودند اگر یک نظریه فیزیکی اجازه وجود چیزی را می‌دهد، حتماً اینطور نیست که نتیجه بگیریم که آنها وجود دارد، و بر همین اساس، به طور کلی وجود سیاه‌چاله‌ها را رد می‌کردند. اگر قرار باشد سیاه‌چاله‌ها به جای جهانِ ریاضی در جهان واقعی وجود داشته باشند، جهان باید آنها را تولید کند. سیاه‌چاله‌های واقعی که از فروپاشی ستارگان تشکیل می‌شوند، محور این فصل هستند. ما خواهیم آموخت که جواب‌های معادلات نسبیت عام اینشتین، که توسط شوارتزشیلد و کِر کشف شدند، در جهان واقعی اهمیت فوق العاده‌ای دارند، زیرا آنها در منطقه خارج از هر سیاه‌چاله، تنها جواب‌های ممکن برای فضازمان هستند. ظاهراً در هیچ جای دیگری در فیزیک نیست که چیزی به این پیچیدگی (یعنی یک ستاره در حال فروپاشی)، به چیزی در این حد ساده و بی‌خاصیت (سیاه‌چاله) بدل شود. جواب شوارتزشیلد فقط به یک عدد (یعنی جرم ستاره) بستگی دارد و جواب کِر عدد دومی را اضافه می‌کند (میزان چرخش ستاره). فقط با دانستن این دو عدد ما می‌توانیم در منطقه خارج از سیاه‌چاله‌های واقعی، دورنمای گرانشی را بطور دقیق محاسبه کنیم. این ادعایی حیرت‌انگیزی است، زیرا مهم نیست ستاره فروریخته قبلاً از چه چیزی تشکیل شده باشد تا یک سیاه‌چاله را تشکیل دهد، و حتی به چگونگی فروریختگی آن نیز بستگی ندارد. تنها چیزی که خارج از افق باقی می‌ماند، یک فضازمانِ کاملاً ساده است. این همان چیزی است که چاندراسخار را واداشت تا سخنِ قدرتمندی را بیان کند. او می‌گوید:”سیاه‌چاله‌های طبیعی کامل‌ترین اجرام ماکروسکوپی موجود در جهان هستند ... و از آنجایی که نظریه نسبیت عام برای توصیف آنها تنها یک خانواده منحصر به فرد از جواب‌ها را ارائه می‌دهد، آنها ساده‌ترین اشیا نیز هستند.“

...........................................

فصل 9

13/12/1402

ترمودینامیکِ سیاه‌چاله‌ها

"سیاه‌چاله‌ها چندان هم سیاه نیستند"

استیون‌هاوکینگ

تا اینجا ما سیاه‌چاله‌ها را به عنوان اجسامی‌ در نظر گرفته‌ایم که کلاً روش خودشان را دارند. سیاه‌چاله‌ها می‌توانند به داخل خودشان فروبریزند و باعث رشد آن شوند، اما چیزی که از افق عبور کند، دیگر نمی‌تواند از آن بیرون بیاید. به نظر می‌رسد آثار هر چیزی که در سیاه‌چاله می‌افتد برای همیشه از جهان پاک می‌شود. این توصیف یک سیاه‌چاله بر اساس نسبیت عام است. در سال 1972، جان ویلر و یکی از دانشجویان فارغ التحصیلش به نام یاکوب بکنشتاین (Jacob Bekenstein) متوجه شدند که چگونه چنین برداشتی یک سوال عمیق را ایجاد می‌کند. ویلر روایت می‌کند که چگونه به ‌شوخی به بکنشتاین گفت که وقتی او یک فنجان چای داغ را در کنار یک لیوان چای سرد قرار می‌دهد، و می‌گذارد این دو به دمای یکسانی برسند، همیشه احساس یک جنایتکار را دارد. انرژی جهان تغییر نمی‌کند، اما بی‌نظمی آن افزایش می‌یابد، و آن جنایت "تا آخر زمان طنین انداز می‌شود". اشاره ویلر به قانون دوم ترمودینامیک بود که می‌گوید وقتی هر تغییری در جهان رخ دهد، جهان در نتیجه آن تغییر بی‌نظم‌تر می‌شود. بکنشتاین این اظهارات را جدی گرفت. او می‌گفت ”اما اجازه دهید یک سیاه‌چاله داشته باشیم و لیوان‌های چای داغ و سرد را داخل آن بریزم. آیا تمام شواهد این جنایت ]از نظر ویلر[ برای همیشه پاک شده‌اند؟“

$Description: G:\My Books\20_Black holes_brian cox\sum_files\image021.png$

جان ویلر John Wheeler (2008-1911)، فیزیکدان نظری آمریکایی و یکی از بزرگترین متخصصین سیاه‌چاله‌ها در قرن بیستم.

...........................................

محتویات کامل این کتاب در 15 فصل و 300 صفحه منتشر شده، برای ادامه مطالعه این کتاب می‌توانید نسخه کامل PDF آن را تهیه کنید.

فصل 10

22/12/1402

تابش ‌هاوکینگ

باردین [14]، کارتر [15] و من معتقد بودیم که شباهت ترمودینامیکی فقط یک مقایسه است. ولی به نظر می‌رسد نتیجه فعلی حاکی از این باشد که چیزی بیش از این وجود دارد.

استیون‌هاوکینگ

مقاله استیون ‌هاوکینگ باعث ایجاد انقلابی در فیزیک نظری شد، که هنوز هم ادامه دارد. او کشف کرد که نظریه کوانتوم ‌پیش‌بینی می‌کند یک سیاه‌چاله به گونه‌ای از خودش تابشی را ساطع می‌کند که گویی یک جسم معمولی است که درجه حرارت دارد. راه حل مستقیم این است که قانون گرانش باید به عنوان یک قانون آماری در نظر گرفته شود و اثرات کوانتومی نیز به یک تصادفی بودن بنیادی در هندسه فضا منجر شود. امروز ما نمی‌دانیم که این تصادفی بودن به چه چیزی مربوط است. فعلاً این بعنوان سئوال مهمی در فیزیک نظری باقی مانده. ولی ما از سال 1974 راه درازی را پیموده‌ایم. باقی این کتاب در مورد تلاش برای درک ریشه‌های عمیقِ ترمودینامیکِ سیاه‌چاله‌ها است. جستجویی که ما را بیش از پیش به نظریه‌های جدید فضا و زمان نزدیکتر می‌کند.

...........................................

فصل 11

26/12/1402

اسپاگتی شدن و تبخیر شدن

”از این لحاظ که سیاه‌چاله‌ها توسط خلاء تحریک شده و تشعشعاتی را از خودشان ساطع می‌کنند، کمی‌شبیه به اتم‌ها هستند»، اما تفاوت عمده‌ای بین گسیل نور از اجسام داغِ معمولی و انتشار تشعشعات ‌هاوکینگ وجود دارد. این تفاوت را می‌توان در این واقعیت جستجو کرد که اثرات گرانشی موجب نوسانات خلاء می‌شوند. این مکانیسم تولید منحصربفرد تابش ‌هاوکینگ ، باعث ایجاد سه خاصیت برای آن می‌شود که در مجموع گیج‌کننده بنظر می‌رسند.

1. کسی که در نزدیکی افق یک سیاه‌چاله بطور آزاد سقوط کند، با هیچ تابشی مواجه نخواهد شد.

2. کسی که شتاب می‌گیرد، طوری که درست بالای افق یک سیاه‌چاله بزرگ شناور است، توسط شارِ تابشِ بسیار داغ بخار می‌شود.

3. فردی که دورتر از سیاه‌چاله قرار دارد، شارِ تابش سردی را تجربه خواهد کرد، که به نظر می‌رسد توسط جسم درخشانی در دمای ‌هاوکینگ ساطع شده است.

...........................................

محتویات کامل این کتاب در 15 فصل و 300 صفحه منتشر شده، برای ادامه مطالعه این کتاب می‌توانید نسخه کامل PDF آن را تهیه کنید.

فصل 12

صدای کف زدن با یک دست

18/01/1403

« برای جهان امروز، درهم‌تنیدگی مانند آهن برای عصر برنز در جهان قدیم است».

مایکل نیلسن و آیزاک چوانگ [16]

فیزیکدانان عاشق پارادوکس‌ هستند، و شاید به طور غیرعادی زندگی حرفه‌ای خودشان را صرف جستجوی مواردی ‌کنند که باعث ویرانی جهان‌بینی آنها شود، زیرا بعداً از زیر همان ویرانه‌ها، درک عمیق‌تری می‌تواند بیرون آید. بسیاری از دانشمندان نمی‌خواهند باورهایشان از طریق تحقیق اثبات شود. آنها خواهان تحقیق برای ایجاد عقاید جدید هستند. ارزش فکری پارادوکسِ اطلاعات سیاه‌چاله، و دیگر مواردی که مقایر با عقل سلیم هستند، و ایده مکمل سیاه چاله از آنها بیرون آمده، این است که فیزیکدانان را به مخمصه می‌کشاند. برای اینکه جبرگرایی حفظ شود، باید در محاسبه‌ هاوکینگ خطایی وجود داشته باشد، و اگر خطایی نباشد، جبرگرایی باید قربانی شود. در هر مسیر بینش‌های جدیدی نهفته است. ولی محاسبات ‌هاوکینگ بر پایه‌های کاملاً بدیهیِ نظریه کوانتوم ‌و نسبیت عام استوار است.

...........................................

فصل 13

جهان هولوگرامی

هیچ کس اصلاً نمی‌داند چه اتفاقی درحال افتادن است.

جوزف پِلچینسکی

آنتروپی یک سیاه‌چاله متناسب با مساحت افق آن است، که نشان می‌دهد تمام اطلاعاتِ مربوط به موادی که در سیاه‌چاله افتاده‌اند، در قطعات کوچکی که در سطح افق پخش شده‌ نهفته است. با گذشت زمان، آن بیت‌ها آزاد می‌شوند و به ذرات ‌هاوکینگ همبسته تبدیل می‌شوند. این همبستگی‌ها (یا به عبارتی همان درهم‌تنیدگی کوانتومی ‌در تابش هاوکینگ) اطلاعات مربوط به موادی را که به داخل سقوط کرده‌اند رمزگذاری می‌کنند. علاوه‌بر‌این، سرنوشت آنها این است که (از دیدگاه خودشان) در تکینگی اسپاگتی شوند و هم (از دیدگاه یک خارجی) در افق سوخته شوند. اما این برای قوانین طبیعت مشکلی نیست، زیرا هیچ ناظری نمی‌تواند در هر دو رویداد حضور داشته باشد. این ماهیت ایده مکمل سیاه‌چاله و پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله است. آیا چنین چیزی بی‌معنی نیست؟

...........................................

فصل 14

04/02/1403

جزایر

با کشف تناظر AdS/CFT، مالداسِنا قطعاً به این سوال پاسخ داد که آیا اطلاعات می‌توانند از یک سیاه‌چاله بیرون بیاید یا خیر. می‌تواند. ولی . . . ما همچنین باید بفهمیم که محاسبات ‌هاوکینگ چه اشکالی دارند.

جفری پنینگتون [17]

چه چیزی باعث می‌شود که یک نظریه کوانتومی‌ در فضا‌زمانِ کرانه‌ای بتواند پدیده‌ها را در داخل رمزگذاری کند؟ هولوگرافی چگونه کار می‌کند؟ همانطور که در این فصل خواهیم دید، ظاهراً فضای داخلی توسط درهم‌تنیدگی کوانتومی ‌بر روی کرانه ساخته شده است. به عبارت دیگر، به نظر می‌رسد تحقیقات کنونی در حال برخورد با این ایده است که فضا یک چیز بنیادی نیست، بلکه چیزی است که از نظریه کوانتوم ‌بیرون می‌آید: معمای گرانشِ کوانتومی ‌ممکن است به نفع مکانیک کوانتوم ‌حل شود و گرانش از آن بیرون بیاید.

ما در فصل 6 با فضازمانِ حداکثر گسترش یافته شوارتزشیلد آشنا شدیم، که می‌توان آن را به عنوان دو جهان به هم پیوسته توسط یک کرم‌چاله تفسیر کرد. متأسفانه ما فهمیدیم که کرم‌چاله‌های بزرگی که بتوان از میان آنها عبور کرد، و نویسندگان داستان‌های علمی‌تخیلی به آنها علاقه دارند، در داخل سیاه‌چاله‌های واقعی قرار نمی‌گیرند، زیرا داخل آنها حاوی موادِ ستاره در حال فروپاشی هستند. با این حال، گفتیم که «کرم‌چاله‌های میکروسکوپی می‌توانند بخشی از ساختار فضازمان باشند». اکنون زمان آن است که آن موضوع را دنبال کنیم.

...........................................

فصل 15

06/02/1403

برنامهکُد بی‌نقص

”. . . (در اکثر موارد) هر یک موضوعاتِ جهانِ فیزیک در عمق‌ترین لایه‌های خودشان یک منشاء و توضیح غیرمادی دارند. در تحلیل نهایی، آنچه ما واقعیت می‌نامیم از طرح سؤالات بله یا خیر، و ثبت پاسخ‌های ناشی از دانش پدید می‌آید. به طور خلاصه، همه چیزهای فیزیکی منشأ اطلاعاتی دارند و این یک جهان مشارکتی است.“

جان آرچیبالد ویلر

”. . . تمام این نمایش به هم پیوسته است. . .“

جان آرچیبالد ویلر

” . . زمان و مکان شیء نیستند، بلکه ترتیبِ قرار گرفتن اشیاء هستند. . .“

گوتفرید ویلهلم لایب نیتس

حالا چند دهه است که درهم‌تنیدگی کوانتومی‌ به یک بازیگر مهم بدل شده. تا اینجا، ما این موضوع را بررسی کردیم که چگونگی اطلاعات از یک سیاه‌چاله بیرون می‌آید. ما دیدیم که به نظر می‌رسد درهم‌تنیدگی مسئول ایجاد چیزی است که ما به عنوان فضا تجربه می‌کنیم. چیزی که حالا خواهیم آموخت این است که به نظر می‌رسد نقش درهم‌تنیدگی در ایجاد فضا بسیار قوی است. این برای ما نیز خوب است، زیرا نمی‌خواهیم در فضایی زندگی کنیم که ممکن است در معرض فروپاشی قرار بگیرد.

همچنین، برای کسانی که سعی دارند کامپیوترهای کوانتومی بسازند، درهم‌تنیدگی کوانتومی‌ وسیله مهمی است. در نگاه اول، ساخت ابزار‌های محاسباتی ممکن است اصلاً ربطی به مفهوم فضا نداشته باشد. درهم‌تنیدگی در یک کامپیوتر کوانتومی، اصول اولیه فرایندی است که توسط آن اطلاعات به روشی قوی و مقاوم در برابر عواملِ مخربِ محیطی رمزگذاری می‌شود. این مبحث که به عنوان تصحیح خطای کوانتومی‌شناخته[18] می‌شود، برای ساخت کامپیوتر‌هایی که براساس فیزیک کوانتوم ‌کار می‌کنند، بسیار‌ حیاتی است. در اینجا تشابهاتی نیز بین فضا و کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد: به نظر می‌رسد فضا ‌نیز به شیوه‌ مشابه‌ای که مهندسانِ کوانتوم ‌کیوبیت‌ها را برای ساختن رایانه‌های کوانتومی ‌به هم می‌پیوندند، به وجود آمده است. بنظر می‌رسد که میان محاسبات کوانتومی ‌و ساختارِ واقعیت ارتباطی وجود دارد. در این فصل قصد داریم این ارتباط را بررسی کنیم.

...........................................

[1] - distortion.

[2] - event horizon.

[3] - supermassive black hole.

[4] - Sagittarius A.

[5] - singularity.

[6] - The Large Scale Structure of Space-Time.

[7] - کنایه از وجود موجودات فضایی هوشمند، که در آن زمان در فیلم‌های تخیلی بیشتر به شکل موجودات سبز رنگ نشان داده می‌شدند (مترجم).

[8] - Sagittarius A*.

[9] - electron degeneracy pressure.

[10] - Sirius B.

[11] - Invasion of the Giant Gravitons from Anti de Sitter Space.

[12] - Edwin F. Taylor, John Archibald Wheeler and Edmund Bertschinger.

[13] - یکی از دانشجویان دکترای من به نام راس جنکینسون، برداشت متفاوتی از این صحنه دارد: «من فکر می‌کنم که موجودات 5 بعدی او را از یک جعبه 5 بعدی برداشتند و او را از سیاهچاله نجات دادند و او را از یک بُعد ناپیدا عبور دادند، و با اینکار نشان دادند که او می‌تواند در زمان به گونه‌ای سفر کند که گویی در یک بعد فضایی سفر می‌کند. این شبیه برداشتن یک موجود تختستانی است که از میان یک سیاهچاله سه بعدی سقوط می‌کند.» ولی چنین چیزی نیز در جهان اتفاق نمی‌افتد.

[14] - Bardeen.

[15] - Carter.

[16] - Michael Nielsen and Isaac Chuang.

[17] - Geoffrey Penington.

[18] - quantum error correction.

Like: ,

ترجمه‌های کامران بزرگزاد

show_banner(0);

فهرست مندرجات

درباره این کتاب‌

این کتاب مورد استفاده چه کسانی است؟

درباره نویسندگان

02/10/1402

تاریخچه مختصر سیاه‌چاله‌ها

11/10/1402

متحدسازی فضا و زمان

18/10/1402

وارد کردن بی‌نهایت به یک مکان محدود

02/11/1402

09/11/1402

داخل سیاه‌چاله

فصل 6

19/11/1402

سفیدچاله‌ها و کرم‌چاله‌ها

فصل 7

30/11/1402

سرزمینِ شگفت‌انگیز کِر

فصل 8

09/12/1402

فصل 9

13/12/1402

ترمودینامیکِ سیاه‌چاله‌ها

فصل 10

22/12/1402

فصل 11

26/12/1402

فصل 12

صدای کف زدن با یک دست

18/01/1403

فصل 13

جهان هولوگرامی

فصل 14

04/02/1403

فصل 15

06/02/1403

برنامهکُد بی‌نقص