عبور از سیاهچاله: مروری بر حیات علمی هاوکینگ

درگذشت استیون هاوکینگ، فیزیکدان سرشناس بریتانیایی، پس از افزون بر نیم‌قرن تحمل بیماری مهلک ALS، با واکنش‌های گسترده‌ای در مجامع و خبرگزاری‌های علمی جهان همراه شد. سه فرزند او ضمن تأیید این خبر، از هاوکینگ به عنوان "دانشمندی بزرگ و انسانی فوق‌العاده" یاد کردند که "اقدامات و میراثش تا سالیان سال باقی خواهد ماند. شجاعت و استقامت او، در کنار استعداد و شوخ‌طبعی‌اش، الهام‌بخش جهانیان بود".

اگرچه هاوکینگ، در مقام دانشمند، اغلب به عنوان نویسنده آثار پرفروشی همچون «تاریخچه مختصر زمان» و «جهان در پوست گردو» شناخته، و نامش در کنار دانشمندانی همچون ریچارد داوکینز و لارنس کراوس، اغلب با اظهار نظرهای حاشیه‌ای و جنجالی به خاطر آورده می‌شود، دستاوردهای کیهان‌شناختی او کماکان محل ارجاع و دستمایه‌ای برای تأمل در پرسش‌های سرگشاده علمی است. در این یادداشت می‌کوشیم با صرفنظر از جنبه ترویجی اقدامات هاوکینگ، نگاهی اجمالی به دستاوردهای نظری شاخص او از دهه ۱۹۶۰ به این سو بیاندازیم؛ دستاوردهایی که جملگی با یک کلیدواژه آشنا به خاطر آورده می‌شوند: سیاهچاله.

در چارچوب نظریه نسبیت عام، نام «سیاهچاله‌« به محدوده‌ای از پیوستار فضا-زمان اطلاق می‌شود که در آن انحنای فضا (و در نتیجه شدت نیروی جاذبه) رو به بی‌نهایت می‌گذارد، به‌طوریکه حتی نور نیز امکان فرار از این میدان جاذبه را پیدا نخواهد کرد. اینشتین، خود امکان تحقق این وضعیت نظری را در جهان واقع رد می‌کرد و بر این باور بود که سیاهچاله را صرفاً می‌توان مابه‌ازایی فیزیکی برای مفهوم ریاضی «بی‌نهایت» در نظر گرفت، و به همین پشتوانه از سعی در به تصور درآوردن امکان‌های فیزیکی توأم با وجود یک سیاهچاله در جهان صرفنظر کرد.

اما همچنانکه اتخاذ همین رویکرد در خصوص توصیفات ریاضی نظریه کوانتوم از رفتار اتم‌ها و ذرات زیراتمی به توفیقی نیانجامید (و مشخص شد که جهان زیراتمی، جهانی به همان غرابت توصیفات ریاضیاتی از آن است)، ایده سیاهچاله نیز به مجرد درک بهتر ساز و کار مرگ ستارگان سنگین‌وزن، رفته‌رفته تصویری واقعی‌تر به خود گرفت. مشخص شد که چنانچه ستاره‌ای به جرم ۵ الی ۲۰ برابر جرم خورشید به پایان عمر خود برسد، از خود سیاهچاله‌ای به جرم تقریبی ۳ برابر جرم خورشید به جا خواهد گذاشت.

نخستین شواهد تجربی مبنی بر وجود سیاهچاله‌ها در اوایل دهه ۱۹7۰ از یک منبع پرتو ایکس موسوم به «دجاجه ایکس-۱» به دست آمد؛ منبعی که افت و خیز شدید درخشندگی آن در پرتو ایکس، به وجود جرمی قابل توجه (معادل ۱۴ الی ۱۶ برابر جرم خورشید) در محدوده‌ای نسبتاً کوچک از فضا (با قطری معادل ده‌هزار کیلومتر) دلالت داشت. تحقق این شرایط خاص، هر امکانی جز سیاهچاله بودن منبع مزبور را منتفی می‌کرد. اما تا پیش از احراز شواهد کافی برای صدور چنین حکمی، سیاهچاله خواندن «دجاجه ایکس-۱» همچنان احتیاط‌آمیز تلقی می‌شد؛ به طوریکه حتی هاوکینگ نیز در همان سال‌ها ترجیح را بر آن دید تا طی یک شرط‌بندی علمی (با کیپ تورن)، مخالفتش را با سیاهچاله خواندن این منبع ابراز کند.

اما هاوکینگ در اولین شرط‌بندی علمی خود باخت، و به همین منوال، احتیاط‌ها در ایده‌پردازی راجع به فیزیک سیاهچاله‌ها نیز فروکش کرد. حال، هاوکینگ خود طلایه‌دار سلسله‌فرضیه‌هایی شده بود که راه درک سیاهچاله‌ها به مثابه اجرامی واقعی را هموارتر می‌کردند.

سیاهچاله‌ها و هاوکینگ

نخستین اقدام شاخص هاوکینگ در رابطه با سیاهچاله‌ها، به رساله دکترای وی مربوط می‌شد که در آن او تبیین راجر پنروز از وضعیت فضا-زمان در قلب یک سیاهچاله (موسوم به نقطه «تکینگی»، singularity) را به وضعیت لحظه پیدایش گیتی در چارچوب نظریه مهبانگ تسری داد؛ لحظه‌ای که چنانچه پیکان زمان را به عقب بازگردانیم، در آن کل موجودی ماده در گیتی به یک «تکینگی اولیه» فروخواهد رُمبید. این تکینگی، نه نقطه‌ای «درون» فضا-زمان، بلکه نقطه‌ای است که کل فضا-زمان (آنچنانکه به توصیف نظریه نسبیت عام می‌آید) به هیأت یک تکینگی جلوه‌گر خواهد شد. بدین‌وسیله هاوکینگ به طریق بالقوه موفق شد آشتی‌پذیری دو انشعاب اصلی فیزیک جدید – یعنی نظریه نسبیت عام و نظریه کوانتوم – را با ترسیم هم‌ارزی دو وضعیت فیزیکی – یعنی قلب یک سیاهچاله، و وضعیت آغازین جهان – نشان بدهد.

اما برای درک بهتر این هم‌ارزی، لازم است همچنان‌که شناختی نسبتاً دقیق از طریقه پیدایش ماده در لحظات آغازین پیدایش وجود دارد، شناختی به همان ژرفا از سرنوشت ماده پس از سقوط در میدان جاذبه یک سیاهچاله هم حاصل کرد. اما در این میان، مانعی به چشم می‌خورد: قانون دوم ترمودینامیک. طبق این قانون، آنتروپی یک سیستم بسته، یا تراز بی‌نظمی آن، با گذشت زمان رو به افزایش می‌گذارد. این قانون، در واقع بیان فیزیکی همان امر مسلم است که چند قالب یخ، به مرور زمان به توده‌ای آب مایع تغییر وضعیت خواهند داد؛ حال‌آنکه عکس این رویه به طریق خودبخودی رخ نخواهد داد. به عبارت دیگر، آنتروپی چند قالب یخ به مرور زمان افزایش خواهد یافت.

هر ماده‌ای واجد مقدار مشخصی آنتروپی است؛ از جمله کلیه اجرامی که درون سیاهچاله‌ها سقوط می‌کنند. چنانچه به مجرد نابودی این اجرام در سیاهچاله، آنتروپی‌شان نیز از دست برود، آنگاه به مرور زمان، آنتروپی مجموع جهان رو به کاهش خواهد گذاشت. این در حالی است که چنانچه جهان را یک سیستم بسته به حساب آوریم، این روال کاهنده ناقض قانون دوم ترمودینامیک خواهد بود.

اگرچه هاوکینگ در مسیر کسب درکی بهتر از مکانیسم تحول یک سیاهچاله ابایی از طرد قانونی به استواری قانون دوم ترمودینامیک نداشت، در اوایل دهه ۱۹7۰، یاکوب بکنشتاین، از دانشجویان دانشگاه پرینستون، کوشید تا به استناد یافته‌ای از هاوکینگ نشان بدهد که سیاهچاله‌ها ناقض این قانون نخواهند بود. هر سیاهچاله در اساس از دو مؤلفه‌ اصلی تشکیل شده است: قلب سیاهچاله، یا تکینگی که در آن انحنای فضا-زمان میل به بی‌نهایت دارد؛ و «افق رویداد» که مرزی از پیرامون سیاهچاله را تعریف می‌کند که از آن پس هیچ چیزی – حتی نور – را یارای گریز از میدان جاذبه آن سیاهچاله نیست.

هاوکینگ پیش‌تر نشان داده بود که مساحت افق رویداد یک سیاهچاله، به مرور زمان کم نمی‌شود، بلکه به مجرد جذب مقادیر بیشتری ماده، بیشتر می‌شود. و بکنشتاین کوشید تا نشان بدهد اگر بنا به حفظ قانون دوم ترمودینامیک باشد، چه بسا بتوان مساحت افق رویداد یک سیاهچاله را شاخصی برای سنجش آنتروپی آن دانست. اما طرح چنین احتمالی برای هاوکینگ گران آمد؛ چراکه تن دادن به قانون دوم ترمودینامیک به منزله پذیرش این واقعیت بود که سیاهچاله‌ها به مرور زمان بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهند؛ و این در حالی بود که بنا به تعریف، هیچ چیزی قادر به فرار از میدان جاذبه یک سیاهچاله نیست. لذا هاوکینگ مصمم شد اشتباه بکنشتاین را به اثبات برساند. اما بر خلاف انتظار، او موفق به استخراج الگوی دقیق ارتباط مابین آنتروپی سیاهچاله و مساحت افق رویداد آن شد.

حال، احتیاج به تجدید نظری دیگر بود تا بتوان امکان تابش انرژی از سیاهچاله را نیز در مطابقت با قانون دوم ترمودینامیک تبیین کرد. اگرچه چنین امکانی از دید نسبیت عام منتفی شمرده می‌شود، اما دستاورد دیگر هاوکینگ این بود که با توسل به نظریه کوانتوم، به چنین امکانی میدان داد. طبق این نظریه، پیوستار فضا مملوء از ذرات مزدوجی (شامل ذرات و پادذرات) است که پیوسته از خلأ زاده شده، و با برخورد به یکدیگر، به انرژی مبدل می‌شوند؛ ذراتی موسوم به «جفت‌های مجازی» (virtual pairs).

ایده هاوکینگ این بود که در نزدیکی افق رویداد یک سیاهچاله، کاملاً ممکن است که یک جفت مجازی پس از تشکیل، از برخورد به یکدیگر بازبمانند و یکی از آن دو جذب سیاهچاله شود. در اینصورت، ذره دیگر به هیأت بخشی از تابشی متشکل از همین ذرات سیاهچاله را ترک می‌گوید؛ تابشی موسوم به «تابش هاوکینگ». این تنها فرضیه هاوکینگ است که می‌توان آن را به محک آزمون گذاشت؛ گرچه آزمونی بسیار دشوار، چراکه هرچه سیاهچاله پرجرم‌تر باشد، دمای تابش هاوکینگ آن پایین‌تر خواهد بود؛ به‌طوریکه برای سیاهچاله‌های ابرپرجرم (که شرایط رصدی ساده‌تری را در اختیار اخترشناسان می‌گذارند)، این تابش عملاً غیرقابل‌محاسبه خواهد بود.

معادله آنتروپی یک سیاهچاله، با میزبانی از ثوابتی متنوع که در کمترتوصیفی هم‌ردیف هم قرار می‌گیرند، تصویری از یک فیزیک آرمانی عرضه می‌کند: ثابت جهانی گرانش به نمایندگی از نیروی گرانش، ثابت پلانک به نمایندگی از نظریه کوانتوم، سرعت نور به نمایندگی از نسبیت عام، و ثابت بولتزمان، به نمایندگی از قلمرو ترمودینامیک. همین هم‌نشینی، مهر تأییدی است بر اطمینان عمیقی که هاوکینگ به نقش پررنگ سیاهچاله‌ها در ایجاد هر تحول بنیادینی در آینده فیزیک داشت.

در عین حال، حل معضل آنتروپی یک سیاهچاله، به خلق معضلی دیگر انجامید: اگر سیاهچاله‌ها قادر به تابش باشند، در اینصورت در آینده‌ای دور عملاً تبخیر خواهند شد و دیگر نشانی از آن‌ها در جهان باقی نخواهد ماند. در اینصورت چه بر سر اطلاعاتی خواهد آمد که روزگاری درون سیاهچاله محبوس بوده‌ است؟ آیا کل این اطلاعات از میان خواهد رفت (که در اینصورت رکنی از نظریه کوانتوم نقض خواهد شد)؟ یا کل اطلاعات از سیاهچاله خارج می‌شود (که در اینصورت رکنی از نسبیت عام نقض خواهد شد)؟ در این «پارادوکس اطلاعات»، هاوکینگ ابتدا بر این باور بود که هیچ اطلاعاتی از درون سیاهچاله درز نخواهد کرد؛ اما بصیرت‌هایی از جانب نظریه ریسمان مشخص ساخت که امکان درز اطلاعات از درون سیاهچاله‌ها هم وجود دارد.

پارادوکس اطلاعات (و همچنین مباحث مربوط به آن، از جمله «پارادوکس هاوکینگ» که در آن سرنوشت اطلاعات مربوط به «درهم‌تنیدگی» جفت‌های مجازی نیز مدنظر قرار می‌گیرد) از جمله وجوه سرگشاده کارنامه هاوکینگ است که بحث‌ها پیرامون آن همچنان جریان دارد و می‌تواند آبستن بصیرت‌هایی بدیع باشد.

در مجموع، اگرچه دستاوردهای نظری هاوکینگ همچنان در حد فرضیه‌اند و به اثبات تجربی نرسیده‌اند، راه پیشرفت فیزیک هیچ‌گاه از مسیری جز این فرضیه‌ها نگذشته است و در آینده نیز نخواهد گذشت. به یمن همین فرضیه‌هاست که عبور از مانعی به سرسختی حتی «سیاهچاله» نیز به قصد دستیابی به افق‌های نوین فیزیک امکان‌پذیر می‌نماید؛ ولو عابر این راه، شخصی به رنجوری هاوکینگ بوده باشد.