قوت گرفتن احتمال دوبعدی بودن سیاه‌چاله

بدون تردید سیاه‌چاله می‌تواند عمق بی‌اطلاعی و ناآگاهی ما را در مورد جهان هستی به تصویر بکشد. ما نمی‌توانیم سیاه‌چاله را ببینیم چراکه حتی نور نیز در کمند جاذبه‌ی غیرقابل‌تصور آن اسیر می‌شود. ما هیچ اطلاعی در مورد ماهیت حقیقی اجزاء سازنده‌ی سیاه‌چاله نداریم و به‌هیچ‌عنوان نمی‌دانیم که بعد از نابودی سیاه‌چاله چه سرنوشتی در انتظار چیزهایی است که به درون آن کشیده شده‌اند.

حتی فیزیکدان‌ها به‌ طور قطع نمی‌دانند که سیاه‌چاله واقعا یک پدیده‌ی فوق‌العاده عظیم سه‌بعدی است یا فقط از یک سطح دوبعدی تشکیل شده که در قالب یک هولوگرام سه‌بعدی به محیط اطراف تابانده می‌شود.

ولی اخیرا نتیجه‌ی یک تحقیق با موضوع محاسبه‌ی آنتروپی (آشفتگی) یا بی‌نظمی داخل سیاه‌چاله نظریه‌ی هولوگرام بودن آن را قوت بخشیده است و به‌ نوعی نشان می‌دهد که این پدیده‌ی جذاب و اسرارآمیز طبیعی چیزی جز یک توهم دیداری نیست.

نظریه‌ی هولوگرام بودن سیاه‌چاله ابتدا در آخرین دهه‌ی قرن بیستم توسط فیزیکدانی به نام لئونارد ساسکیند(Leonard Susskind) مطرح شده است. در این نظریه با اتکا به استدلال ریاضی محض پیش‌بینی شد که طبیعت برای پیروی از قوانین فیزیک و برقراری جاذبه به شکل شناخته‌شده و قابل‌ درک تنها به دو بعد نیاز دارد. از دیدگاه ما همه‌چیز در کائنات در حقیقت تصاویر سه‌بعدی از فعل‌وانفعالات دوبعدی است که به افق بی‌انتهای کیهان تابانده می‌شود.

این نظریه شاید بسیار دیوانه‌وار و دور از ذهن به نظر برسد ولی به‌واقع توانسته است چندین تناقض بزرگ بین نظریه‌های نسبیت اینشتین و مکانیک کوانتومی را برطرف کند؛ ازجمله تناقض بین اینکه هیچ‌چیز نمی‌تواند از جاذبه‌ی سیاه‌چاله بگریزد (نسبیت) و ماده هیچ‌وقت به معنای واقعی از بین نمی‌رود (مکانیک کوانتومی) که به نامپارادوکس اطلاعات مشهور است.

به گفته‌ی فیونا مک‌دونالد (Fiona MacDonald)، فیزیکدانی که با استفاده از دو بعد مکانی به موفقیت‌های چشمگیری در ایجاد هماهنگی بین پدیده‌ی گرانش و رفتار کوانتومی ذرات دست یافته: از سال ۱۹۹۷ تقریبا ۱۰ هزار مقاله در حمایت از این نظریه منتشر شده است.

در این مقاله از بررسی تأثیر نظریه‌ی فوق در تمام جهان هستی صرف‌نظر می‌کنیم و فقط به سیاه‌چاله می‌پردازیم.

فیزیکدان‌ها معتقدند دلیل بی‌اطلاعی محض از سرنوشت چیزهایی که از افق رویداد سیاه‌چاله عبور می‌کنند و در درون آن ناپدید می‌شوند این است که در حقیقت سیاه‌چاله چیزی به نام فضای داخلی سه‌بعدی یا به تعبیری «درون» ندارد و در عوض همه‌ی آن‌ها در نوسانات گرانشی سطح دوبعدی آن گرفتار می‌شوند.

اخیرا گروهی فیزیک‌دان به سرپرستی دنیل پرانزتی (Daniele Pranzetti) از موسسه‌ی فیزیک تئوری مکس پلانک آلمان به برآورد جدیدی در مورد مقدار آنتروپی یک سیاه‌چاله دست‌یافته‌اند که به‌نوعی نظریه‌ی دوبعدی بودن آن را تائید می‌کند. پرانزتی می‌گوید:

ما توانستیم از مدلی کامل‌تر و حاوی اطلاعات بیشتر نسبت به نمونه‌های قبلی استفاده کنیم … و به نتایجی بسیار واقع‌گرایانه‌تر و چشمگیرتر دست بیابیم. این مزیت به ما اجازه داد که ابهامات متعدد محاسبات قبلی را حل کنیم.

فعالیت این گروه بر روی آنتروپی متمرکز شده بود. آنتروپی یک خصوصیت فیزیکی است که نظم یا بی‌نظمی یک پدیده را نشان می‌دهد. درگذشته استیون هاوکینگ پیشنهاد کرده بود آنتروپی سیاه‌چاله باید به نسبت سطح آن محاسبه شود و تناسبی با حجم آن ندارد. این ایده اولین گمانه‌زنی‌ها در مورد امکان هولوگرام بودن سیاه‌چاله را پایه‌گذاری کرد.

فیزیکدان‌ها بارها در مورد وجود آنتروپی در سیاه‌چاله به توافق رسیده‌اند و معتقد هستند که نبود آنتروپی در سیاه‌چاله، قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند، با این‌ حال، هیچ راه مشخص و مورد قبول عمومی جوامع علمی برای یافتن منبع آنتروپی یا چگونگی محاسبه حجم آن وجود ندارد.

پرانزتی و همکارانش برای حل این مشکل نگاه جدیدی دارند که در آن از نظریه‌ی گرانش کوانتومی حلقه برای توضیح مفهوم گرانش کوانتومی استفاده می‌شود. مبحث گرانش کوانتومی در فیزیک نظری به دنبال یافتن توضیحی برای نیروی گرانش بر اساس اصول مکانیک کوانتومی است. این مبحث پیش‌بینی می‌کند که بعد فضا-زمان گستره‌ای درهم‌تنیده متشکل از دانه‌های ریز به نام کوانتا است که به تعبیری می‌توان آن‌ها را اتم‌های فضازمان در نظر گرفت.

گروه پرانزتی متوجه شدند همان‌طور که در کوزه‌ای پر از آب با بررسی اتم‌های تشکیل‌دهنده‌ی یکی از مولکول‌های آب می‌توان خصوصیات فیزیکی همه‌ی مولکول‌های آب درون کوزه را شناسایی کرد؛ در سیاه‌چاله که از مجموعه‌های کوانتای هم چگال (condensates) ساخته شده است نیز می‌توان رویه‌ای مشابه در پیش گرفت. به‌این‌ترتیب که با مطالعه‌ی یک کوانتا در یک مجموعه کوانتای هم چگال در سیاه‌چاله می‌توان به خصوصیات فیزیکی، رفتار کوانتومی جمعی و تأثیرات متقابل گرانشی همه‌ی مجموعه‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن پی برد.

این گفته به آن معنی است که اگرچه هیچ راهی برای مطالعه‌ی ماورای افق رویداد سیاه‌چاله و به‌طور خاص آنتروپی وجود ندارد، ولی با توجه به اینکه بررسی همه‌ی «اتم‌ها»ی تشکیل‌دهنده‌ی آن با مطالعه‌ی یکی از اتم‌ها امکان‌پذیر است، پس در حقیقت مانعی برای مطالعه‌ی سیاه‌چاله وجود ندارد.

بر اساس گفته‌های گروه پرانزتی در یک اجلاس خبری:

همان‌طور که مایعات در مقیاس‌های کوچک و قابل‌درک و صرف‌نظر از تعداد بسیار زیاد اتم‌های تشکیل‌دهنده، موادی یکدست و یکپارچه به نظر می‌رسند؛ در گرانش کوانتومی نیز می‌توان اتم‌های تشکیل‌دهنده‌ی فضا را نوعی مایع در نظر گرفت که به‌صورت پیوسته و ممتد گستره‌ی فضازمان را تشکیل داده است. این گستره با هندسه‌ای همگن و پیوسته (مشابه آنچه در یک سیاهچاله‌ی کروی متقارن انتظار داریم) می‌تواند به‌عنوان یک کمیت هم‌چگال توصیف شود.

حال باید دید که این تلاش‌ها چه نقشی در اثبات تئوری هولوگرام بودن سیاه‌چاله دارد. ابتدا سیاه‌چاله را به شکل یک سبد بسکتبال سه‌بعدی در نظر بگیرید که حلقه‌ی فلزی افق رویداد است و تور فضای داخلی یا چاله‌ای که همه‌چیز به درون آن کشیده می‌شود. حال تور را به داخل حلقه‌ی فلزی بکشانید تا سبد به یک دایره‌ی دوبعدی تبدیل شود و بعد تجسم کنید که کل سبد به‌جای نخ و فلز از آب تشکیل شده است. اکنون می‌توانید هر محاسبه‌ای را که در مورد حلقه انجام داده‌اید به تور و محتویات آن تعمیم بدهید.

با این پیش‌فرض پرانتزی و گروهش یک مدل قابل‌اطمینان و مستدل دارند که می‌توانند به‌وسیله‌ی آن نشان دهند که طبیعت سه‌بعدی سیاه‌چاله چیزی به‌جز توهم نیست. به‌صورت تئوری در این مدل بدون نیاز به یک فضای سه‌بعدی یا «چاله» همه‌ی اطلاعات داخل سیاه‌چاله می‌توانند در یک سطح دوبعدی انباشته شوند. این مسئله به معنای تائید ارتباط آنتروپی با سطح، به‌ جای حجم است.

مدل گروه پرانزتی با وجود قانع‌کننده بودن باز هم به معنای اثبات قطعی دوبعدی بودن سیاه‌چاله نیست، ولی به‌هرحال فیزیکدان‌های نظری تلاش بیشتری برای اثبات این تئوری خواهند داشت. این تحقیقات احتمالا می‌تواند زمینه‌ساز گام بلند بعدی در راه نزدیک شدن به اثبات یکی دیگر از نظریه‌های جسورانه‌ی فیزیکدان‌ها باشد و چه‌ بسا در آینده‌ی دور به‌عنوان اقدامی ماندگار در تاریخ مدرن ثبت شود.