اجرام مرموزی که مرزهای فیزیک را جابه‌جا می‌کنند

سیاهچاله‌ها اجرام شگفت‌انگیزی هستند. از نظر فنی سیاهچاله مقدار زیادی جرم را درون حجمی صفر جای می‌دهد، بنابراین درک ما از مرکز سیاهچاله کامل نیست؛ نشانه‌ای برای فیزیک‌دانان که نشان می‌دهد فیزیکی که در دست داریم، کامل نیست. «آندره‌آ گز»، فیزیک‌دان برنده جایزه نوبل سال 2020
سیاهچاله از معدود واژگان علمی است که همه مردم آن را شنیده‌اند و چه‌بسا در گفت‌وگوهای روزمره‌شان هم به کار برده‌اند. اما به راستی این اجرام ناشناخته گیتی چه هستند؟ بیش از يك ‌قرن است که پژوهش‌های نظری درباره سیاهچاله‌ها با جدیت ادامه دارد و 50سالی می‌شود که رصدگران هم به این کاروان پیوسته‌اند. حتی یکی از نامورترین دانشمندان معاصر جهان، «استیون هاوکینگ» هم که چند سال پیش درگذشت، برای عموم مردم با سیاهچاله شناخته می‌شد. در کمتر از پنج سال گذشته سیاهچاله‌ها چندین بار در صدر اخبار علمی نشستند که دو مورد آن بیش از همه مطرح بود. برای نخستین‌بار یک گروه از دانشمندان موفق شدند نخستین تصویر از سیاهچاله‌ها را با استفاده از پیشرفته‌ترین تکنیک‌های رصدی و کامپیوتری به دنیا نشان دهند. تصویری که خیلی زود جای خود را روی جلد کتاب‌های علمی و مقالات باز کرد. سال 2020 م. هم جایزه نوبل فیزیک به پژوهشگران سیاهچاله رسید؛ دو رصدگر و یک نظریه‌پرداز برجسته که بخش زیادی از عمر پربارش را در کنار سیاهچاله‌ها قدم زده است. حال که آخرین سال سده خورشیدی را پیش‌رو داریم، بر آن شدیم تا برای خوانندگان سالنامه «شرق» گزارشی دقیق و کامل از سیاهچاله‌ها آماده کنیم؛ اجرام مرموزی که شاید قرن بعد مرزهای فیزیک را هم جابه‌جا کنند. در یک روز سرد زمستانی قرار مصاحبه‌ای را با دکتر «محمدمهدی شیخ‌جباری»، استادتمام فیزیک نظری پژوهشگاه دانش‌های بنیادی گذاشتم تا درباره سیاهچاله‌ها با هم گفت‌وگو کنیم. این مصاحبه ماحصل گفت‌وگویی دوساعته با ایشان در دفتر کارشان است، جایی که چراغ سیاهچاله‌ها روشن است.

ابتدا از این سؤال شروع کنیم که تعریف دقیق سیاهچاله به زبان ساده چیست؟
سیاهچاله به معنای امروزین آن یکی از پدیده‌ها و مفاهیمی است که در چارچوب نسبیت عام اینشتین و جایی که اثر گرانشی مهم است، ظاهر می‌شود. برای درکی بنیادین از مفهوم گرانش نیازمند درک دقیق‌تر مفهوم فضا-زمان هستیم. فضا-زمان مفهومی است که در چارچوب نسبیت خاص اینشتین زاییده می‌شود. در شهود روزمره ما یک فضای سه‌بعدی داریم و زمان، ظرفی است که در آن حرکت و تحول صورت می‌گیرد. بر اساس نسبیت خاص اما زمان بعدی شبیه به سه بعد فضا است و همه‌چیز در «فضا-زمان» حرکت می‌کند. داخل فضا-زمان هر نقطه یا یک «رویداد» با چهار مختصه، سه مختصه مکانی و یک مختصه زمانی مشخص می‌شود. نقاط مختلف فضا-زمان تقدم و تأخر مشخص زمانی دارند و ترتیب زمانی بین رویدادهای مختلف به ناظر یا شخصی که این وقایع را ثبت و گزارش می کند، بستگی ندارد. علاوه بر ترتیب زمانی یکی از مفاهیم پایه‌ای نسبیت خاص، مفهوم «ارتباط علّی» است. دو نقطه‌ را در فضا-زمان در نظر بگیرید. می‌توانیم این سؤال را مطرح کنیم که آیا امکان ارسال پرتوی نور بین این دو نقطه هست یا نه. اگر این امکان وجود داشته باشد می‌گوییم آن دو نقطه در ارتباط علّی باهم هستند. در چارچوب نسبیت خاص تنها نقاط یا رویدادها که باهم در ارتباط علی باشند می‌توانند بر هم کنش‌هایی علّی وارد کنند و صرفا آن رویدادی که به لحاظ زمانی مقدم بر دیگری است، می‌تواند منشأ تأثیر روی اتفاق دیگر باشد. فضا-زمان با خاصیت ساختار علّی و تقدم و تأخر زمانی تعریف می شود. پس این سؤال پیش می آید که آیا تمام نقاط یک فضا-زمان الزاما در ارتباط علّی با یکدیگر هستند یا خیر. برای ارائه تعریف دقیقی از سیاهچاله نیازمند فهم درست از فضا-زمان و ساختار علّی آن هستیم که در ادامه درباره آن بحث می کنیم.
آیا می‌توانیم در این ساختار فضا-زمان تمام نقاطی را که با هم در ارتباط علّی هستند، از هم جدا کنیم؟
تمام نقاط در ارتباط علّی با هم نیستند. درواقع فضا-زمان دو ناحيه دارد؛ ناحيه‌اي که در ارتباط علّی با ما است و ناحيه‌اي که در ارتباط علّی با ما نیست. این نواحي می‌توانند در گذشته ما باشند یا در آینده ما؛ یعنی آنها می‌توانند در آینده ما اثر بگذارند یا ما روی آینده آنها تاثیر بگذاریم. بنابراین جایی وجود دارد که مرز بین دو ناحيه‌اي است که با یکدیگر در ارتباط علّی هستند که به آن «افق» می‌گوییم. افق ممکن است خاصیتی از فضا-زمان باشد یا خاصیتی مربوط به ناظر.
آیا فضا-زمان‌هایی وجود دارد که خاصیت افق به ناظر بستگی کمتری داشته باشد؟
اگر وجود افق خاصیتی مربوط به فضا-زمان یا مجموعه بزرگی از ناظرها باشد و منحصر به یک ناظر نباشد، این «فضا-زمان»ها را سیاهچاله می‌نامیم. به زبان دیگر «فضا-زمان»هایی را سیاهچاله می‌نامیم که خاصیت افق آنها برای مجموعه‌ای بزرگ از ناظرها وجود دارد. درواقع این فضا-زمان‌ها را می‌توان به دو ناحیه درون و بیرون افق تقسیم کرد که با هم در ارتباط علّی نیستند.
آیا قبل از «آلبرت اینشتین» کسانی بودند که بعد از فرمول‌بندی گرانش توسط «نیوتن» مفهوم سیاهچاله را بیان کرده باشند؟
بله؛ یکی از معروف‌ترین‌ها شخصی به نام «جان میچل» بود. جان کلامشان هم این بود که جایی هست که خاصیت گرانشی بسیار قوی دارد. به‌طوری‌که نمی‌توان از کمند گرانشی آن فرار کرد. قبل از «اینشتین» و نسبیت خاص هم در چارچوب گرانش کسانی بودند که از نقطه‌ای در فضا-زمان صحبت کرده بودند که گرانش بسیار شدید است، اما من تلاش کردم واژه گرانش را به کار نبرم و نشان دهم سیاهچاله خاصیتی از فضا-زمان و بیشتر مرتبط با ساختار علّی آن است. البته حلقه واصل این دو خاصیت سیاهچاله یعنی اثر گرانشی و ساختار علّی و افق، فرمول‌بندی نسبیت عام است که درباره آن صحبت خواهیم کرد.
واژه سیاهچاله به عنوان پدیده‌ای فیزیکی نخستین‌بار چه زماني و توسط چه کسی به ‌کار برده شد؟
در چارچوبی که سیاهچاله را به‌عنوان خاصیتی از فضا-زمان تعریف کردم، برای نخستین‌بار اوایل دهه 1960 م. «جان ویلر» از این واژه استفاده کرد. تا پیش از آن به‌جای واژه سیاهچاله جمله‌ای طولانی را که مبین برخی خواص آن بود به کار می‌بردند. این نام‌گذاری مقبول افتاد و فراگیر شد.
برای عموم مردم نام «اینشتین» با سیاهچاله گره خورده است. نسبیت خاص و عام به زبان ساده، با توجه به آنچه پیش‌تر در تعریف سیاهچاله گفتید، چگونه شکل گرفت و جان کلام آن چه بود؟
نسبیت خاص و عام به ترتیب در سال‌های 1905 و 1915 میلادی ارائه شدند. درباره اینکه «اینشتین» چگونه به ایده نسبیت رسید حرف‌های زیادی گفته‌شده و بخشی از آن واقعا رویدادهای تاریخی نیستند و صرفا حول شخصیت «اینشتین» شکل گرفته، اما واقعیت آن است که نسبیت به‌یک‌باره با «اینشتین» شروع نمی‌شود. شاید برای خوانندگان جالب باشد که بدانند علوم این‌گونه پیش نرفته‌اند که یک نفر نابغه ناگهان پیدا شود و کنج خانه‌اش بنشیند و دنیای علم را متحول کند. کسانی که با صورت‌بندی نسبیت خاص آشنایی دارند، می‌دانند که فرمول‌های اصلی به نام دانشمندانی همچون «پوآنکاره» و «لورنتس» است، اما نکته‌ای که «اینشتین» به‌درستی بدان توجه کرد تفاوتی مهم در ساختار مکانیک نیوتنی و معادلات ماکسول بود. «لورنتس» پی برده بود که معادلات دینامیک نیوتنی با معادلات ماکسول تفاوت بنیادی دارد. تفاوت هم در این است که به لحاظ ساختاری معادلات ماکسول تحت تبدیلاتی تغییر نمی‌کرد (اصطلاحا ناوردا بود) که اساسا با معادلات دینامیک نیوتنی متفاوت بود. معادلات ماکسول یک ویژگی مهم دارد: توصیف‌گر موج الکترومغناطیسی است و اهمیت آن در این است که درباره چیزی به‌‌جز ذرات جرم‌دار می‌‌پردازد که با سرعت نور حرکت می‌کند. آنچه توجه «اینشتین» را جلب کرد ویژه بودن سرعت نور است و تعمیم آن به ‌جاهای دیگر فیزیک. البته «پوآنکاره» قبلا این کار را انجام داده بود، اما کار مهم «اینشتین» ارتقا آن به‌عنوان یک اصل موضوع و بسط آن به بقیه فیزیک بود. «اینشتین» آن را به چارچوبی ارتقا داد تا همه‌چیز را از منظر آن مشاهده و درک کند. کار مهم دیگری که انجام داد ارائه مفهوم فضا-زمان در همین چارچوب بود. سیاهچاله مفهومی است که از دل نسبیت عام بیرون آمد و در سال 1905 م. «اینشتین» هیچ ایده‌ای درباره سیاهچاله‌ها نداشت. برای فهمیدن نسبیت عام باید بدانیم نسبیت خاص از چه سخن می‌گوید. به زبانی ساده می‌توان گفت نسبیت خاص، خاصیتی را که معادلات ماکسول دارند برای بقیه فیزیک هم درخواست می‌کند. بر پایه نسبیت خاص ناظرهای مختلفی که نسبت به هم با سرعت ثابت حرکت می‌کنند، ناظرهای لَخت، باید فیزیک را یک‌جور توصیف کنند. مفهوم مهم دیگری که در نسبیت خاص وارد و در نسبیت عام گسترش و تعمیم داده می‌شود، این است: رویدادهایی که در عالم پیرامون رخ می‌دهد، ربطی به اینکه منِ ناظر در حال نظاره هستم، ندارد. این دیدگاه، دیدگاهی رئالیستی است و مستقل از اینکه ناظر آن را ببیند یا نبیند. به زبان ساده نسبیت خاص توصیف ناظرهای خاص (ناظرهای لخت) از یک پدیده است. نسبیت عام قید لَخت بودن را حذف می‌کند و اصل نسبیت را به تمامی ناظرها تعمیم می دهد. این هم از نگرشی فرافیزیکی شکل می‌گیرد که رویدادهای جهان ما از جنس علّی هستند و موضعی، یعنی کنش از دور نداریم. با این دیدگاه که فیزیک باید علّی و موضعی باشد، «اینشتین» فرض لَخت بودن را حذف کرد. در بازه 10 ساله بین نسبیت خاص و نسبیت عام ذهن «اینشتین» با این سؤالات مشغول بود و چندین مقاله نوشت تا به فرمول‌بندی نسبیت عام رسید. اولین چیزی که توجهش را جلب کرد این بود که در گرانش نیوتنی نیروی وارده به یک جرم، متناسب با جرم خودش است. طبق معادلات قانون دوم نیوتن شتاب ضرب‌در جرم می‌شود نیرو. حال اگر نیروی گرانشی باشد، جرم از طرفین معادله حذف می‌شود که «اصل هم‌ارزی ضعیف» نام دارد. این مسئله نکته بسیار جالبی دارد که «اینشتین» به آن توجه خاصی داشت. معادله‌ای که یک‌طرف آن خاصیت فضا-زمان است و طرف دیگر خاصیت ذره است. خاصیت ذره هم شتاب آن است که اگر همراه با ذره حرکت کنیم دیگر اثرات شتاب را نخواهیم دید؛ بنابراین می‌توان اثر گرانش را به‌طور موضعی با رفتن به دستگاه شتاب‌دار حذف کرد. «اینشتین» سپس این مشاهده را به تمامی فیزیک تسری داد: همیشه باید بتوان با رفتن به دستگاه ناظر مناسب، موضعا اثر گرانش را حذف کرد. یادمان باشد که آن زمان فقط دو نیروی بنیادی را می‌شناختند؛ نیروی گرانش و نیروی الکترومغناطیسی. سال‌های بعد که نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف هم شناخته شدند این اصل را تعمیم دادند. نیروی گرانش به‌طور موضعی حذف می‌شد، اما سه نیروی دیگر حذف نمی‌شد. سال 1907 م. «اینشتین» مقاله‌ای می‌نویسد که اصل هم‌ارزی را توصیف كرده و گرانش را حذف می‌کند. چند سال بعد می‌فهمد که نور هم باید تحت تأثیر گرانش باشد. سپس دریافت به ریاضیات جدیدی نیاز دارد؛ بنابراین بین سال‌های 1914 تا 1915 از ریاضی‌دان نامور، «دیوید هیلبرت» ریاضیات مربوط را فراگرفت که درنهایت فرمول‌بندی نسبیت عام به کار گرفته شد.
نقش «کارل شوارتس‌شیلد» در پیشبرد مفهوم سیاهچاله چه بود؟
كمتر از يك سال پس از فرمول‌بندی نسبیت عام، به سال 1915 دانشمندی به نام «کارل شوارتس‌شیلد» اولین جواب دقیق معادلات نسبیت عام را نوشت. «اینشتین» ابتدا از جواب خوشش می‌آید و مسئله انحراف نور را در میدان گرانشی با آن حل می‌کند، اما کمی بعد درمی‌یابد جواب «شوارتس‌شیلد» چیزی دارد که باب میل او نیست. جواب «شوارتس‌شیلد» راجع به بخش‌هایی از فضا-زمان صحبت می‌کند که به تکینگی برمی‌خورد. اساسا «اینشتین» با هرگونه تکینگی مشکل داشت چون می‌دانست تکینگی در هر تئوری آن را به حوزه‌ای می‌برد که ناکارآمد است. تا سال 1937 م؛ یعنی 20 سال تمام دانشمندان با جواب آقای «شوارتس‌شیلد» سروکله زدند تا اینکه مفهوم «تکینگی مختصاتی» و مفهوم ابتدایی افق بهتر درک شد و دریافتند که تکینگی مختصاتی این جواب همان جایی است که ارتباط علّی ناظرهای بیرون و درون افق، قطع می‌شود. ممکن است این سؤال پیش آید که آیا اساسا «اینشتین» باور داشت که تکینگی به معنای پدیده‌ای فیزیکی در ساختار فضا-زمان وجود دارد یا نه؟ پاسخ این است که باور نداشت. «اینشتین» کاملا و به‌درستی حق داشت که هر جا تکینگی دید شامه‌اش تیز شود. تکینگی چیزی واقعی نبود و با دنیای رئالیستی «اینشتین» جور درنمی‌آمد. در جهان «اینشتین» هیچ‌چیز تکینه نیست. همه‌چیز موضعی است و آنی اتفاق نمی‌افتد. «اینشتین» به معنای واقعی کلمه رئالیست بود. همان زمان در دهه 1920 م. صورت‌بندی کوانتوم هم در حال شکل‌گیری بود و کاملا با رئالیسم اینشتینی در تقابل بود. ممکن بود در نگاه رئالیستی‌اش تجدیدنظر کند، اما همواره رئالیست بود و بنابراین یا سربلند بیرون می‌آمد یا مخالف سرسخت می‌شد. تا سال‌های 1936-1937 دانشمندان دریافته بودند جواب «شوارتس‌شیلد» جایی به نام افق دارد. منظور دقیق‌تر از جواب «شوارتس‌شیلد» فضا-زمانی است که جواب معادلات نسبیت عام «اینشتین» است. حال تعریف قبلی از سیاهچاله را به یاد آورید. آنجا اشاره نکردیم که آن فضا-زمان و ساختار علّی از کجا می‌آید و آيا خود جواب يك نظريه فيزيكي است يا نه. بناست معادلات «اینشتین» بگویند خاستگاه آن چیست.
فیزیک کوانتومی چگونه وارد داستان سیاهچاله‌ها شد؟
این موضوع مدت‌ها بعد اتفاق افتاد. دانشمندان فکر می‌کردند اثرات نسبیت عام جاهایی درخور توجه هستند که اثرات گرانشی مهم است. گرانش هم در قیاس با دیگر نیروها اساسا ضعیف است. اثرات گرانشی وقتی ظاهر می‌شود که بقیه نیروها تأثیرشان ناچیز باشد مانند فواصل و ابعاد نجومی و کیهانی؛ بنابراین اثر گرانشی جایی غالب است که اثرات کوانتومی کوچک‌اند. با این حساب دانشمندان تا مدت‌ها گمان می‌کردند این دو حوزه ربطی به هم ندارد. درحقیقت نخستین جایی که دانشمندان فکر کردند این دو حوزه به هم ربط دارند، صرفا در سطح نظری و بی ارتباط با عالم واقع بود. سال‌های ۱۹۵۰ م. بود که نظریه کوانتومی را روی نظریه الکترومغناطیسی ماکسول اعمال کردند که محصول آن الکترودینامیک کوانتومی بود. این کار منجر به فرمول‌بندی شد که به نظریه میدان‌های کوانتومی معروف است. از یک منظر نظریه نسبیت عام را می‌توان یک نظریه میدان دید. با این دیدگاه کسانی که کارهای پژوهشی نظری می‌کردند، در پی آن بودند تا فرمول‌بندی الکترودینامیک کوانتومی را به نسبیت عام بسط دهند. افرادی مثل «عبدالسلام»، «دیراک» و «واینبرگ» شروع کردند به کوانتومی کردن نسبیت عام، اما با مشکل روبه‌رو شدند. بحث‌شان هم ربطی به عالم واقع نداشت و مساله گرانش کوانتمی بحثی در حوزه نظری بود و هنوز هم کمابیش هست. هم‌زمان برخی شروع کردند به مطالعه اصل هم‌ارزی در دو حوزه فیزیک که مفهوم کلیدی موضعیت در آنها چندان واضح نیست: ترمودینامیک که در آن با سیستم‌های بزرگ و پرذره سروکار داریم و مکانیک کوانتومی که مفهوم جایگزیدگی در آن محل پرسش است. دو گروه با علایق متفاوت اما به‌ جد و به‌موازات هم کار می‌کردند. گروه اول «جان ویلر»، همکاران و دانشجویانش بودند که در پرینستون مستقر بودند و در فصل مشترک نسبیت عام و ذرات بنیادی کار می‌کردند. گروه دوم مانند «استیون هاوکینگ» و «راجر پنروز» در کمبریجِ انگلستان که روی دینامیک معادلات نسبیت عام کار می‌کردند. چندین قضیه هم از کارهایشان استخراج شد. جنس سؤالات دو گروه متفاوت بود، اما جواب‌های به‌دست‌آمده هر دو گروه را به هم هم‌گرا کرد. سؤال این بود که فرض کنیم این جواب یعنی جوابِ شبیه جواب «شوارتس‌شیلد» را که حالا نامش سیاهچاله است، به‌عنوان واقعیت بپذیریم، در این صورت در بقیه قسمت‌های فیزیک چه تأثیری می‌گذارد.
به زبان ساده مشکل اصلی «اینشتین» با سیاهچاله چه بود؟
مشکلی که «اینشتین» تا زمان مرگش به سال 1955 م. با سیاهچاله داشت، نه ارتباط علّی بود و نه تعریف سیاهچاله به معنای خاصیتی از فضا-زمان. مشکل «اینشتین» تا پایان عمرش تکینگی بود. کنش از راه دور و فیزیک غیرموضعی. به زبان ساده «اینشتین» با تکینگی پشت افق مشکل داشت. سؤال بعدی که مطرح بود این است که آیا افق و تکینگی همیشه دست در دست هم می‌آیند یا مفاهیم مستقل از هم هستند. آیا می‌توان تکینگی بدون افق داشت و برعکس؟ سؤالاتی که هنوز هم مطرح است. «پنروز» به این سبک سؤالات بسیار علاقه داشت. زمان «اینشتین» جواب‌هایی که می‌شناختند بسیار اندک بود. افق و تکینگی با هم بودند. کسانی هم بودند مثل «بکنستین» که مدعی بودند وجود تکینگی خیلی هم جدی نیست.
دیدگاه «جان ویلر» درباره سیاهچاله‌ها چگونه بود؟
از دید «جان ویلر» و همکارانش سیاهچاله جایی در فضا-زمان است که افق مثل یک توپ از آن خارج شده و پشت آن چیزی است که نمی‌دانیم. در فضا-زمان سوراخی وجود دارد که نمی‌دانیم داخل آن چیست و ارتباط علّی هم با آن نداریم. حالا کار گروه «ویلر» این بود که از دید ناظرهاي بيرون افق فیزیک را فرمول‌بندی کنند؛ ازجمله ترمودینامیک. سوراخی را در فضا-زمان در نظر بگیرید که چیزها می‌توانند در آن بیفتند. حال برای اینکه یک سامانه ترمودینامیکی بسته داشته باشیم «ویلر» و «بکنستین» ترفندی به کار بستند: افزودن این «سوراخ»، یعنی سیاهچاله به سامانه ترمودینامیکی.
نقش «راجر پنروز» و «استیون هاوکینگ» در دنیای سیاهچاله‌ها و پژوهش‌ها چه بوده است؟
از سوی دیگر «پنروز» سؤالی را مطرح کرد. فرض کنید ماده‌ای داریم که صرفا تحت اثر گرانشی خود باشد. این می‌تواند مدلی ایدئال‌سازی‌شده از ستارگان باشد. مطابق معادلات نسبیت عام چنین ماده‌ای بر اثر رمبش گرانشی می‌تواند به سیاهچاله تبدیل شود. سؤالی که «پنروز» و «هاوکینگ» مطرح کردند این بود: آیا به‌وجود آمدن سیاهچاله (افق) الزاما منجر به پدید آمدن تکینگی هم می‌شود؟ پاسخ «پنروز» و «هاوکینگ» این بود که بله، رمبش گرانشی حتما به تکینگی می‌انجامد. به سال ۱۹۷۴ م. «هاوکینگ» تلاش کرد اثرات کوانتومی را به‌گونه‌ای دیگر اضافه کند، مثلا از منظر تئوری ماکسول. «بکنستین» هم در سال ۱۹۷۲ م. از منظر ترمودینامیکی به موضوع نگاه کرده بود. در سال ۱۹۷۵ م. «هاوکینگ» مقاله‌ای مهم منتشر کرد. با افزودن اثرات کوانتومی گویی سیاهچاله تابش رو به بیرون دارد. این تابش با تابش جسم سیاه که «ماکس پلانک» آن را در سال ۱۹۰۰ فرمول‌بندی کرده بود، تطابق داشت و با یک دما مشخص می‌شد. این دما با دمایی که «جان ویلر» و همکارانش به دست آورده بودند، همخوانی داشت. در پایان دهه ۱۹۷۰ م. سیاهچاله علاوه بر صرفا جوابی از معادلات نسبیت عام که افق و ساختار علّی خاص خود را دارد، توصیفی مکمل به عنوان یک سیستم ترمودینامیکی یافت که دما، آنتروپی و انرژی دارد. همچنین تابشی منطبق بر تابش جسم سیاه.
جمله معروف «سیاهچاله مو ندارد» نخستین‌بار کجا ظاهر شد و به زبان ساده معنای آن چیست؟
این جمله منتسب به «جان ویلر» است. بدان معناست که مطابق با نسبیت عام تعداد پارامترهای کمی یک سیاهچاله را توصیف می‌کنند، برخلاف سامانه‌های معمول ترمودینامیکی که ساختارهای ریزمقیاس و درونی مانند مولکول، اتم و هسته دارند، ساختار و درجات آزادی درونی ندارند.
سؤالی که خیلی‌ها دوست دارند بدانند این است که پشت افق رویداد، داخل سیاهچاله چه خبر است؟
سؤال خوبی است که پاسخ دقیقی برایش نداریم. ستاره‌ای وارد فاز رمبش گرانشی می‌شود، اما وقتی پشت افق می‌رود دیگر به آن دسترسی نداریم و نمی‌دانیم چه اتفاقی برای آن می‌افتد.
تبخیر سیاهچاله‌ها هم از موضوعاتی است که بسیار درباره‌اش گفته‌اند؛ از فیلم‌های علمی-تخیلی تا تبلیغات تلویزیونی. به زبان ساده تبخیر سیاهچاله‌ها چیست؟
بر پایه محاسبات «هاوکینگ» از سیاهچاله انرژی به بیرون نشت می کند و به واسطه آن نهایتا سیاهچاله می‌تواند کاملا «تبخیر» شود. اما مشکل آنجا بروز می‌کند که با تبخیر سیاهچاله هیچ اطلاعاتی از ماده اولیه که از آن به وجود آمده بود باقی نمی‌ماند؛ یعنی سیاهچاله اطلاعات اولیه را از بین می‌برد. این مسئله، مسئله اطلاعات، که «هاوکینگ» نخستين‌بار بدان پی برد، تا به امروز هم سؤالی جدی است. اگرچه این مشکل در مطالعه سیاهچاله‌ها رخ می‌نماید، مسئله فراتر از آن است. این بحرانی برای تئوری کوانتوم است که مطابق آن نظریه کوانتوم پیش‌بینی‌پذیری خود را از دست می‌دهد. برای حل مشکل هم سه دیدگاه یا مکتب وجود دارد. دسته اول معتقدند این ویژگی نظریه کوانتوم در حضور سیاهچاله‌هاست و باید با این ویژگی کنار آمد. دسته دوم گرانش کوانتومی را پیشنهاد می‌کنند و معتقدند باید گرانش (نسبیت عام) را طوری اصلاح کرد که به نظریه کوانتوم احترام بگذارد. دسته سوم هم بر این باورند که تئوری کوانتومی باید (به نفع نسبیت) اصلاح شود. برای فرمول‌بندی هریک از این سه مکتب و دیدگاه هم رهیافت‌های مختلفی ارائه و بعضا فرمول‌بندی شده‌اند. مثلا «راجر پنروز» بیشتر از خاستگاه رئالیستی و نسبیت عام به مسائل نگاه می‌کند. او حدس زد که تکینگی در صورت وجود همواره پشت افق مستور است و درواقع تکینگی برهنه نداریم. حدس «پنروز» را در نیم‌قرن گذشته به تفصیل بررسی کرده‌اند؛ گرچه هنوز اثبات نشده، مثال نقضی هم ندارد.
رصدگران چگونه وارد دنیای سیاهچاله‌ها شدند؟
در رصد ازآنچه قصد مشاهده آن را داریم باید چیزی به ما برسد. این چیز معمولا از جنس تابش الکترومغناطیسی است. رصدگران به ویژه در سه،چهار دهه اخیر سعی کرده‌اند از طیف الکترومغناطیسی در تمام طول‌موج‌ها به عنوان پیام‌رسان بهره بهینه ببرند؛ تکنیک‌هایی که اخترشناسان سال‌هاست روی آن کار می‌کنند و بخشی از جایزه نوبل سال ۲۰۲۰ فیزیک به بهبود این تکنیک‌ها اختصاص یافت. به‌علاوه در سال‌های اخیر به دنبال پیام‌رسان‌های دیگری هم بوده‌اند. این پیام‌رسان‌ها باید بتواند فواصل کیهانی را با سرعت نور طی کنند. درباره سیاهچاله‌ها اما بنا نیست چیزی به ما برسد مگر تابش هاوکینگ. دمای تابش هاوکینگ هم برای سیاهچاله‌های معمول اخترفیزیکی بسیار پایین است، حتی پایین‌تر از دمای ریزموج کیهانی. با فناوری فعلی هم امکان آشکارسازی آن وجود ندارد. بنابراین برای رصد سیاهچاله باید به پیام‌رسان‌های دیگر و یا مشاهده آثار سیاهچاله بیاندیشیم. دو پیام‌رسان وجود دارد که طی پنج سال اخیر خیلی موردتوجه قرار گرفته‌اند: امواج گرانشی که از اواسط دهه 1980 م. مشاهدات غیرمستقیم رصدی برایش بوده، ولی در پنج سال اخیر شاهد کشف مستقیم آن بوده‌ایم و پیام‌رسان بعدی نوترینوها هستند. جرم نوترینو تقریبا صفر است و در آینده از آن به‌عنوان پیام‌رسان و تکنیک رصدی استفاده خواهد شد. درباره سیاهچاله هم مستقیم‌ترین چیزی که می‌توانیم مشاهده کنیم،
در حال حاضر امواج گرانشی است یا آثار سیاهچاله بر مواد یا محیط اطراف.
سؤالی که ذهن همه خوانندگان را به خود مشغول كرده، چگونگی شکل‌گیری سیاهچاله‌هاست. از شکل‌گیری سیاهچاله‌ها چه می‌دانیم؟
می‌دانیم سیاهچاله‌ها توده‌‌‌های بسیار متراکم جرم هستند و از نظر تئوری می‌توانند جرمی در بازه میلی‌گرم (میکروسیاهچاله‌ها) تا چند ده میلیارد برابر جرم جورشید (سیاهچاله‌های ابرسنگین) داشته باشند. سبک‌ترین سیاهچاله که تاکنون مشاهده شده جرمی کمی بیش از جرم خورشید دارد. سیاهچاله‌های ابرسنگین که جرمی معادل صدهزار تا 10 میلیارد برابر جرم خورشید دارند، در مرکز کهکشان‌ها ازجمله کهکشان راه شیری هستند. جرم این سیاهچاله‌ها هم‌مرتبه با جرم تمام ستارگان موجود در همان کهکشان است و هرآنچه در اطراف آن توده پرجرم مرکزی است، دور آن می‌چرخد. اجرامی که خیلی نزدیک‌تر به مرکز هستند گاهی به سمت سیاهچاله کشیده می‌شوند و تابش‌های شدیدی در طیف ایکس و گاما منتشر می‌کنند و بدین ترتیب ردّپایی از سرنوشت غم‌انگیز خود بر جای می‌گذارند. با بررسی این فرآیند و تابش‌ها می‌توان به ویژگی‌های جرم مرکزی یعنی سیاهچاله پی برد. یکی از دستاوردهایی که جایزه نوبل امسال را به خود اختصاص داد همین داستان بود، اما کماکان چگونگی شکل‌گیری سیاهچاله‌های ابرسنگین پاسخ دقیقی ندارد. دسته‌ای دیگر از سیاهچاله‌ها هستند که جرم‌شان از مرتبه یک تا حدود صدبرابر جرم خورشید است و طی پنج سال گذشته با تکنیک‌های امواج گرانشی فهمیده‌ایم نمونه‌های متعددی از این سیاهچاله‌ها ثبت و رصد شده‌اند. اما نکته اینجاست که بین جرم حدود صد‌برابری تا صدهزار برابری جرم خورشید برای سیاهچاله‌های ابرسنگین شکافی وجود دارد که می‌توان نامش را «شکاف جرمی سیاهچاله» گذاشت. تاکنون در این شکاف جرمی چیزی رصد نکرده‌ایم. سیاهچاله‌ها در مقیاس جرمی یک تا صدبرابر خورشید احتمالا ناشی از رمبش گرانشی و یا فرآیند ادغام اجرام‌ یا سیاهچاله‌های سبک‌تر هستند. اما آیا اینکه هر یک از این دو فرآیند می‌توانند به سیاهچاله‌هایی ابرسنگین منجر شوند، هنوز بدون پاسخ است. علی‌الأصول می‌توان سیاهچاله‌هایی سبک‌تر، مثلا از مرتبه جرم زمین، داشت که به اندازه یک مشت هستند. ممکن است چنین سیاهچاله‌هایی به‌وفور وجود داشته باشند، اما هنوز نتوانسته‌ایم آشکارسازی کنیم. این رده از سیاهچاله‌ها نمی‌توانند از رمبش گرانشی حاصل شده باشند و احتمالا از عالم اولیه باقی‌مانده‌اند. در چند سال اخیر این رده از سیاهچاله‌ها به‌عنوان نامزد مادّه تاریک مطرح شده‌اند اما فعلا هیچ شاهد رصدی برای آن نداریم. یکی دیگر از سؤالات مطرح و باز تحقیقات اخیر بازه جرمی سیاهچاله‌های اولیه است.
برای سؤال آخر بفرمایید حوزه تحقیقات فیزیک سیاهچاله‌ها چه سمت و سویی خواهد داشت؟
حوزه تحقیقات فیزیک سیاهچاله‌ها چندین بخش را در بر می‌گیرد. سیاهچاله‌ها در حوزه رصد شامل امواج گرانشی و الکترومغناطیسی هستند. تصویربرداری از سیاهچاله که خیلی معروف شد نتیجه کار مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی بود و تکنیک‌های رصدی جدید. عدسی‌های گرانشی که می‌توان به سیاهچاله ربط داد یا مستقیم روی سیاهچاله کار می‌کنند یا حوزه‌ای که به سیاهچاله هم مربوط باشد. برخی روی امواج گرانشی کار می‌کنند و چند سالی است که گرانش عددی و شبیه‌سازی شاخه‌ای پژوهشی در این زمینه شده است. برخی جواب‌های نسبیت عام را که شامل سیاهچاله است با تئوری‌های مختلف و با مادّه‌های متفاوت در فضا-زمان بررسی می‌کنند. عده‌ای ازجمله خود من، روی جنبه‌های کوانتومی سیاهچاله‌ها و به‌ویژه یافتن زیر-سیستم آماری که سیاهچاله‌های نسبیت عام بتوانند حد ترمودینامکی آن باشند، کار می‌کنند و عده‌ای هم مشغول پژوهش در گرانش کوانتومی‌اند.

سیاهچاله‌ها اجرام شگفت‌انگیزی هستند. از نظر فنی سیاهچاله مقدار زیادی جرم را درون حجمی صفر جای می‌دهد، بنابراین درک ما از مرکز سیاهچاله کامل نیست؛ نشانه‌ای برای فیزیک‌دانان که نشان می‌دهد فیزیکی که در دست داریم، کامل نیست. «آندره‌آ گز»، فیزیک‌دان برنده جایزه نوبل سال 2020
سیاهچاله از معدود واژگان علمی است که همه مردم آن را شنیده‌اند و چه‌بسا در گفت‌وگوهای روزمره‌شان هم به کار برده‌اند. اما به راستی این اجرام ناشناخته گیتی چه هستند؟ بیش از يك ‌قرن است که پژوهش‌های نظری درباره سیاهچاله‌ها با جدیت ادامه دارد و 50سالی می‌شود که رصدگران هم به این کاروان پیوسته‌اند. حتی یکی از نامورترین دانشمندان معاصر جهان، «استیون هاوکینگ» هم که چند سال پیش درگذشت، برای عموم مردم با سیاهچاله شناخته می‌شد. در کمتر از پنج سال گذشته سیاهچاله‌ها چندین بار در صدر اخبار علمی نشستند که دو مورد آن بیش از همه مطرح بود. برای نخستین‌بار یک گروه از دانشمندان موفق شدند نخستین تصویر از سیاهچاله‌ها را با استفاده از پیشرفته‌ترین تکنیک‌های رصدی و کامپیوتری به دنیا نشان دهند. تصویری که خیلی زود جای خود را روی جلد کتاب‌های علمی و مقالات باز کرد. سال 2020 م. هم جایزه نوبل فیزیک به پژوهشگران سیاهچاله رسید؛ دو رصدگر و یک نظریه‌پرداز برجسته که بخش زیادی از عمر پربارش را در کنار سیاهچاله‌ها قدم زده است. حال که آخرین سال سده خورشیدی را پیش‌رو داریم، بر آن شدیم تا برای خوانندگان سالنامه «شرق» گزارشی دقیق و کامل از سیاهچاله‌ها آماده کنیم؛ اجرام مرموزی که شاید قرن بعد مرزهای فیزیک را هم جابه‌جا کنند. در یک روز سرد زمستانی قرار مصاحبه‌ای را با دکتر «محمدمهدی شیخ‌جباری»، استادتمام فیزیک نظری پژوهشگاه دانش‌های بنیادی گذاشتم تا درباره سیاهچاله‌ها با هم گفت‌وگو کنیم. این مصاحبه ماحصل گفت‌وگویی دوساعته با ایشان در دفتر کارشان است، جایی که چراغ سیاهچاله‌ها روشن است.

ابتدا از این سؤال شروع کنیم که تعریف دقیق سیاهچاله به زبان ساده چیست؟
سیاهچاله به معنای امروزین آن یکی از پدیده‌ها و مفاهیمی است که در چارچوب نسبیت عام اینشتین و جایی که اثر گرانشی مهم است، ظاهر می‌شود. برای درکی بنیادین از مفهوم گرانش نیازمند درک دقیق‌تر مفهوم فضا-زمان هستیم. فضا-زمان مفهومی است که در چارچوب نسبیت خاص اینشتین زاییده می‌شود. در شهود روزمره ما یک فضای سه‌بعدی داریم و زمان، ظرفی است که در آن حرکت و تحول صورت می‌گیرد. بر اساس نسبیت خاص اما زمان بعدی شبیه به سه بعد فضا است و همه‌چیز در «فضا-زمان» حرکت می‌کند. داخل فضا-زمان هر نقطه یا یک «رویداد» با چهار مختصه، سه مختصه مکانی و یک مختصه زمانی مشخص می‌شود. نقاط مختلف فضا-زمان تقدم و تأخر مشخص زمانی دارند و ترتیب زمانی بین رویدادهای مختلف به ناظر یا شخصی که این وقایع را ثبت و گزارش می کند، بستگی ندارد. علاوه بر ترتیب زمانی یکی از مفاهیم پایه‌ای نسبیت خاص، مفهوم «ارتباط علّی» است. دو نقطه‌ را در فضا-زمان در نظر بگیرید. می‌توانیم این سؤال را مطرح کنیم که آیا امکان ارسال پرتوی نور بین این دو نقطه هست یا نه. اگر این امکان وجود داشته باشد می‌گوییم آن دو نقطه در ارتباط علّی باهم هستند. در چارچوب نسبیت خاص تنها نقاط یا رویدادها که باهم در ارتباط علی باشند می‌توانند بر هم کنش‌هایی علّی وارد کنند و صرفا آن رویدادی که به لحاظ زمانی مقدم بر دیگری است، می‌تواند منشأ تأثیر روی اتفاق دیگر باشد. فضا-زمان با خاصیت ساختار علّی و تقدم و تأخر زمانی تعریف می شود. پس این سؤال پیش می آید که آیا تمام نقاط یک فضا-زمان الزاما در ارتباط علّی با یکدیگر هستند یا خیر. برای ارائه تعریف دقیقی از سیاهچاله نیازمند فهم درست از فضا-زمان و ساختار علّی آن هستیم که در ادامه درباره آن بحث می کنیم.
آیا می‌توانیم در این ساختار فضا-زمان تمام نقاطی را که با هم در ارتباط علّی هستند، از هم جدا کنیم؟
تمام نقاط در ارتباط علّی با هم نیستند. درواقع فضا-زمان دو ناحيه دارد؛ ناحيه‌اي که در ارتباط علّی با ما است و ناحيه‌اي که در ارتباط علّی با ما نیست. این نواحي می‌توانند در گذشته ما باشند یا در آینده ما؛ یعنی آنها می‌توانند در آینده ما اثر بگذارند یا ما روی آینده آنها تاثیر بگذاریم. بنابراین جایی وجود دارد که مرز بین دو ناحيه‌اي است که با یکدیگر در ارتباط علّی هستند که به آن «افق» می‌گوییم. افق ممکن است خاصیتی از فضا-زمان باشد یا خاصیتی مربوط به ناظر.
آیا فضا-زمان‌هایی وجود دارد که خاصیت افق به ناظر بستگی کمتری داشته باشد؟
اگر وجود افق خاصیتی مربوط به فضا-زمان یا مجموعه بزرگی از ناظرها باشد و منحصر به یک ناظر نباشد، این «فضا-زمان»ها را سیاهچاله می‌نامیم. به زبان دیگر «فضا-زمان»هایی را سیاهچاله می‌نامیم که خاصیت افق آنها برای مجموعه‌ای بزرگ از ناظرها وجود دارد. درواقع این فضا-زمان‌ها را می‌توان به دو ناحیه درون و بیرون افق تقسیم کرد که با هم در ارتباط علّی نیستند.
آیا قبل از «آلبرت اینشتین» کسانی بودند که بعد از فرمول‌بندی گرانش توسط «نیوتن» مفهوم سیاهچاله را بیان کرده باشند؟
بله؛ یکی از معروف‌ترین‌ها شخصی به نام «جان میچل» بود. جان کلامشان هم این بود که جایی هست که خاصیت گرانشی بسیار قوی دارد. به‌طوری‌که نمی‌توان از کمند گرانشی آن فرار کرد. قبل از «اینشتین» و نسبیت خاص هم در چارچوب گرانش کسانی بودند که از نقطه‌ای در فضا-زمان صحبت کرده بودند که گرانش بسیار شدید است، اما من تلاش کردم واژه گرانش را به کار نبرم و نشان دهم سیاهچاله خاصیتی از فضا-زمان و بیشتر مرتبط با ساختار علّی آن است. البته حلقه واصل این دو خاصیت سیاهچاله یعنی اثر گرانشی و ساختار علّی و افق، فرمول‌بندی نسبیت عام است که درباره آن صحبت خواهیم کرد.
واژه سیاهچاله به عنوان پدیده‌ای فیزیکی نخستین‌بار چه زماني و توسط چه کسی به ‌کار برده شد؟
در چارچوبی که سیاهچاله را به‌عنوان خاصیتی از فضا-زمان تعریف کردم، برای نخستین‌بار اوایل دهه 1960 م. «جان ویلر» از این واژه استفاده کرد. تا پیش از آن به‌جای واژه سیاهچاله جمله‌ای طولانی را که مبین برخی خواص آن بود به کار می‌بردند. این نام‌گذاری مقبول افتاد و فراگیر شد.
برای عموم مردم نام «اینشتین» با سیاهچاله گره خورده است. نسبیت خاص و عام به زبان ساده، با توجه به آنچه پیش‌تر در تعریف سیاهچاله گفتید، چگونه شکل گرفت و جان کلام آن چه بود؟
نسبیت خاص و عام به ترتیب در سال‌های 1905 و 1915 میلادی ارائه شدند. درباره اینکه «اینشتین» چگونه به ایده نسبیت رسید حرف‌های زیادی گفته‌شده و بخشی از آن واقعا رویدادهای تاریخی نیستند و صرفا حول شخصیت «اینشتین» شکل گرفته، اما واقعیت آن است که نسبیت به‌یک‌باره با «اینشتین» شروع نمی‌شود. شاید برای خوانندگان جالب باشد که بدانند علوم این‌گونه پیش نرفته‌اند که یک نفر نابغه ناگهان پیدا شود و کنج خانه‌اش بنشیند و دنیای علم را متحول کند. کسانی که با صورت‌بندی نسبیت خاص آشنایی دارند، می‌دانند که فرمول‌های اصلی به نام دانشمندانی همچون «پوآنکاره» و «لورنتس» است، اما نکته‌ای که «اینشتین» به‌درستی بدان توجه کرد تفاوتی مهم در ساختار مکانیک نیوتنی و معادلات ماکسول بود. «لورنتس» پی برده بود که معادلات دینامیک نیوتنی با معادلات ماکسول تفاوت بنیادی دارد. تفاوت هم در این است که به لحاظ ساختاری معادلات ماکسول تحت تبدیلاتی تغییر نمی‌کرد (اصطلاحا ناوردا بود) که اساسا با معادلات دینامیک نیوتنی متفاوت بود. معادلات ماکسول یک ویژگی مهم دارد: توصیف‌گر موج الکترومغناطیسی است و اهمیت آن در این است که درباره چیزی به‌‌جز ذرات جرم‌دار می‌‌پردازد که با سرعت نور حرکت می‌کند. آنچه توجه «اینشتین» را جلب کرد ویژه بودن سرعت نور است و تعمیم آن به ‌جاهای دیگر فیزیک. البته «پوآنکاره» قبلا این کار را انجام داده بود، اما کار مهم «اینشتین» ارتقا آن به‌عنوان یک اصل موضوع و بسط آن به بقیه فیزیک بود. «اینشتین» آن را به چارچوبی ارتقا داد تا همه‌چیز را از منظر آن مشاهده و درک کند. کار مهم دیگری که انجام داد ارائه مفهوم فضا-زمان در همین چارچوب بود. سیاهچاله مفهومی است که از دل نسبیت عام بیرون آمد و در سال 1905 م. «اینشتین» هیچ ایده‌ای درباره سیاهچاله‌ها نداشت. برای فهمیدن نسبیت عام باید بدانیم نسبیت خاص از چه سخن می‌گوید. به زبانی ساده می‌توان گفت نسبیت خاص، خاصیتی را که معادلات ماکسول دارند برای بقیه فیزیک هم درخواست می‌کند. بر پایه نسبیت خاص ناظرهای مختلفی که نسبت به هم با سرعت ثابت حرکت می‌کنند، ناظرهای لَخت، باید فیزیک را یک‌جور توصیف کنند. مفهوم مهم دیگری که در نسبیت خاص وارد و در نسبیت عام گسترش و تعمیم داده می‌شود، این است: رویدادهایی که در عالم پیرامون رخ می‌دهد، ربطی به اینکه منِ ناظر در حال نظاره هستم، ندارد. این دیدگاه، دیدگاهی رئالیستی است و مستقل از اینکه ناظر آن را ببیند یا نبیند. به زبان ساده نسبیت خاص توصیف ناظرهای خاص (ناظرهای لخت) از یک پدیده است. نسبیت عام قید لَخت بودن را حذف می‌کند و اصل نسبیت را به تمامی ناظرها تعمیم می دهد. این هم از نگرشی فرافیزیکی شکل می‌گیرد که رویدادهای جهان ما از جنس علّی هستند و موضعی، یعنی کنش از دور نداریم. با این دیدگاه که فیزیک باید علّی و موضعی باشد، «اینشتین» فرض لَخت بودن را حذف کرد. در بازه 10 ساله بین نسبیت خاص و نسبیت عام ذهن «اینشتین» با این سؤالات مشغول بود و چندین مقاله نوشت تا به فرمول‌بندی نسبیت عام رسید. اولین چیزی که توجهش را جلب کرد این بود که در گرانش نیوتنی نیروی وارده به یک جرم، متناسب با جرم خودش است. طبق معادلات قانون دوم نیوتن شتاب ضرب‌در جرم می‌شود نیرو. حال اگر نیروی گرانشی باشد، جرم از طرفین معادله حذف می‌شود که «اصل هم‌ارزی ضعیف» نام دارد. این مسئله نکته بسیار جالبی دارد که «اینشتین» به آن توجه خاصی داشت. معادله‌ای که یک‌طرف آن خاصیت فضا-زمان است و طرف دیگر خاصیت ذره است. خاصیت ذره هم شتاب آن است که اگر همراه با ذره حرکت کنیم دیگر اثرات شتاب را نخواهیم دید؛ بنابراین می‌توان اثر گرانش را به‌طور موضعی با رفتن به دستگاه شتاب‌دار حذف کرد. «اینشتین» سپس این مشاهده را به تمامی فیزیک تسری داد: همیشه باید بتوان با رفتن به دستگاه ناظر مناسب، موضعا اثر گرانش را حذف کرد. یادمان باشد که آن زمان فقط دو نیروی بنیادی را می‌شناختند؛ نیروی گرانش و نیروی الکترومغناطیسی. سال‌های بعد که نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف هم شناخته شدند این اصل را تعمیم دادند. نیروی گرانش به‌طور موضعی حذف می‌شد، اما سه نیروی دیگر حذف نمی‌شد. سال 1907 م. «اینشتین» مقاله‌ای می‌نویسد که اصل هم‌ارزی را توصیف كرده و گرانش را حذف می‌کند. چند سال بعد می‌فهمد که نور هم باید تحت تأثیر گرانش باشد. سپس دریافت به ریاضیات جدیدی نیاز دارد؛ بنابراین بین سال‌های 1914 تا 1915 از ریاضی‌دان نامور، «دیوید هیلبرت» ریاضیات مربوط را فراگرفت که درنهایت فرمول‌بندی نسبیت عام به کار گرفته شد.
نقش «کارل شوارتس‌شیلد» در پیشبرد مفهوم سیاهچاله چه بود؟
كمتر از يك سال پس از فرمول‌بندی نسبیت عام، به سال 1915 دانشمندی به نام «کارل شوارتس‌شیلد» اولین جواب دقیق معادلات نسبیت عام را نوشت. «اینشتین» ابتدا از جواب خوشش می‌آید و مسئله انحراف نور را در میدان گرانشی با آن حل می‌کند، اما کمی بعد درمی‌یابد جواب «شوارتس‌شیلد» چیزی دارد که باب میل او نیست. جواب «شوارتس‌شیلد» راجع به بخش‌هایی از فضا-زمان صحبت می‌کند که به تکینگی برمی‌خورد. اساسا «اینشتین» با هرگونه تکینگی مشکل داشت چون می‌دانست تکینگی در هر تئوری آن را به حوزه‌ای می‌برد که ناکارآمد است. تا سال 1937 م؛ یعنی 20 سال تمام دانشمندان با جواب آقای «شوارتس‌شیلد» سروکله زدند تا اینکه مفهوم «تکینگی مختصاتی» و مفهوم ابتدایی افق بهتر درک شد و دریافتند که تکینگی مختصاتی این جواب همان جایی است که ارتباط علّی ناظرهای بیرون و درون افق، قطع می‌شود. ممکن است این سؤال پیش آید که آیا اساسا «اینشتین» باور داشت که تکینگی به معنای پدیده‌ای فیزیکی در ساختار فضا-زمان وجود دارد یا نه؟ پاسخ این است که باور نداشت. «اینشتین» کاملا و به‌درستی حق داشت که هر جا تکینگی دید شامه‌اش تیز شود. تکینگی چیزی واقعی نبود و با دنیای رئالیستی «اینشتین» جور درنمی‌آمد. در جهان «اینشتین» هیچ‌چیز تکینه نیست. همه‌چیز موضعی است و آنی اتفاق نمی‌افتد. «اینشتین» به معنای واقعی کلمه رئالیست بود. همان زمان در دهه 1920 م. صورت‌بندی کوانتوم هم در حال شکل‌گیری بود و کاملا با رئالیسم اینشتینی در تقابل بود. ممکن بود در نگاه رئالیستی‌اش تجدیدنظر کند، اما همواره رئالیست بود و بنابراین یا سربلند بیرون می‌آمد یا مخالف سرسخت می‌شد. تا سال‌های 1936-1937 دانشمندان دریافته بودند جواب «شوارتس‌شیلد» جایی به نام افق دارد. منظور دقیق‌تر از جواب «شوارتس‌شیلد» فضا-زمانی است که جواب معادلات نسبیت عام «اینشتین» است. حال تعریف قبلی از سیاهچاله را به یاد آورید. آنجا اشاره نکردیم که آن فضا-زمان و ساختار علّی از کجا می‌آید و آيا خود جواب يك نظريه فيزيكي است يا نه. بناست معادلات «اینشتین» بگویند خاستگاه آن چیست.
فیزیک کوانتومی چگونه وارد داستان سیاهچاله‌ها شد؟
این موضوع مدت‌ها بعد اتفاق افتاد. دانشمندان فکر می‌کردند اثرات نسبیت عام جاهایی درخور توجه هستند که اثرات گرانشی مهم است. گرانش هم در قیاس با دیگر نیروها اساسا ضعیف است. اثرات گرانشی وقتی ظاهر می‌شود که بقیه نیروها تأثیرشان ناچیز باشد مانند فواصل و ابعاد نجومی و کیهانی؛ بنابراین اثر گرانشی جایی غالب است که اثرات کوانتومی کوچک‌اند. با این حساب دانشمندان تا مدت‌ها گمان می‌کردند این دو حوزه ربطی به هم ندارد. درحقیقت نخستین جایی که دانشمندان فکر کردند این دو حوزه به هم ربط دارند، صرفا در سطح نظری و بی ارتباط با عالم واقع بود. سال‌های ۱۹۵۰ م. بود که نظریه کوانتومی را روی نظریه الکترومغناطیسی ماکسول اعمال کردند که محصول آن الکترودینامیک کوانتومی بود. این کار منجر به فرمول‌بندی شد که به نظریه میدان‌های کوانتومی معروف است. از یک منظر نظریه نسبیت عام را می‌توان یک نظریه میدان دید. با این دیدگاه کسانی که کارهای پژوهشی نظری می‌کردند، در پی آن بودند تا فرمول‌بندی الکترودینامیک کوانتومی را به نسبیت عام بسط دهند. افرادی مثل «عبدالسلام»، «دیراک» و «واینبرگ» شروع کردند به کوانتومی کردن نسبیت عام، اما با مشکل روبه‌رو شدند. بحث‌شان هم ربطی به عالم واقع نداشت و مساله گرانش کوانتمی بحثی در حوزه نظری بود و هنوز هم کمابیش هست. هم‌زمان برخی شروع کردند به مطالعه اصل هم‌ارزی در دو حوزه فیزیک که مفهوم کلیدی موضعیت در آنها چندان واضح نیست: ترمودینامیک که در آن با سیستم‌های بزرگ و پرذره سروکار داریم و مکانیک کوانتومی که مفهوم جایگزیدگی در آن محل پرسش است. دو گروه با علایق متفاوت اما به‌ جد و به‌موازات هم کار می‌کردند. گروه اول «جان ویلر»، همکاران و دانشجویانش بودند که در پرینستون مستقر بودند و در فصل مشترک نسبیت عام و ذرات بنیادی کار می‌کردند. گروه دوم مانند «استیون هاوکینگ» و «راجر پنروز» در کمبریجِ انگلستان که روی دینامیک معادلات نسبیت عام کار می‌کردند. چندین قضیه هم از کارهایشان استخراج شد. جنس سؤالات دو گروه متفاوت بود، اما جواب‌های به‌دست‌آمده هر دو گروه را به هم هم‌گرا کرد. سؤال این بود که فرض کنیم این جواب یعنی جوابِ شبیه جواب «شوارتس‌شیلد» را که حالا نامش سیاهچاله است، به‌عنوان واقعیت بپذیریم، در این صورت در بقیه قسمت‌های فیزیک چه تأثیری می‌گذارد.
به زبان ساده مشکل اصلی «اینشتین» با سیاهچاله چه بود؟
مشکلی که «اینشتین» تا زمان مرگش به سال 1955 م. با سیاهچاله داشت، نه ارتباط علّی بود و نه تعریف سیاهچاله به معنای خاصیتی از فضا-زمان. مشکل «اینشتین» تا پایان عمرش تکینگی بود. کنش از راه دور و فیزیک غیرموضعی. به زبان ساده «اینشتین» با تکینگی پشت افق مشکل داشت. سؤال بعدی که مطرح بود این است که آیا افق و تکینگی همیشه دست در دست هم می‌آیند یا مفاهیم مستقل از هم هستند. آیا می‌توان تکینگی بدون افق داشت و برعکس؟ سؤالاتی که هنوز هم مطرح است. «پنروز» به این سبک سؤالات بسیار علاقه داشت. زمان «اینشتین» جواب‌هایی که می‌شناختند بسیار اندک بود. افق و تکینگی با هم بودند. کسانی هم بودند مثل «بکنستین» که مدعی بودند وجود تکینگی خیلی هم جدی نیست.
دیدگاه «جان ویلر» درباره سیاهچاله‌ها چگونه بود؟
از دید «جان ویلر» و همکارانش سیاهچاله جایی در فضا-زمان است که افق مثل یک توپ از آن خارج شده و پشت آن چیزی است که نمی‌دانیم. در فضا-زمان سوراخی وجود دارد که نمی‌دانیم داخل آن چیست و ارتباط علّی هم با آن نداریم. حالا کار گروه «ویلر» این بود که از دید ناظرهاي بيرون افق فیزیک را فرمول‌بندی کنند؛ ازجمله ترمودینامیک. سوراخی را در فضا-زمان در نظر بگیرید که چیزها می‌توانند در آن بیفتند. حال برای اینکه یک سامانه ترمودینامیکی بسته داشته باشیم «ویلر» و «بکنستین» ترفندی به کار بستند: افزودن این «سوراخ»، یعنی سیاهچاله به سامانه ترمودینامیکی.
نقش «راجر پنروز» و «استیون هاوکینگ» در دنیای سیاهچاله‌ها و پژوهش‌ها چه بوده است؟
از سوی دیگر «پنروز» سؤالی را مطرح کرد. فرض کنید ماده‌ای داریم که صرفا تحت اثر گرانشی خود باشد. این می‌تواند مدلی ایدئال‌سازی‌شده از ستارگان باشد. مطابق معادلات نسبیت عام چنین ماده‌ای بر اثر رمبش گرانشی می‌تواند به سیاهچاله تبدیل شود. سؤالی که «پنروز» و «هاوکینگ» مطرح کردند این بود: آیا به‌وجود آمدن سیاهچاله (افق) الزاما منجر به پدید آمدن تکینگی هم می‌شود؟ پاسخ «پنروز» و «هاوکینگ» این بود که بله، رمبش گرانشی حتما به تکینگی می‌انجامد. به سال ۱۹۷۴ م. «هاوکینگ» تلاش کرد اثرات کوانتومی را به‌گونه‌ای دیگر اضافه کند، مثلا از منظر تئوری ماکسول. «بکنستین» هم در سال ۱۹۷۲ م. از منظر ترمودینامیکی به موضوع نگاه کرده بود. در سال ۱۹۷۵ م. «هاوکینگ» مقاله‌ای مهم منتشر کرد. با افزودن اثرات کوانتومی گویی سیاهچاله تابش رو به بیرون دارد. این تابش با تابش جسم سیاه که «ماکس پلانک» آن را در سال ۱۹۰۰ فرمول‌بندی کرده بود، تطابق داشت و با یک دما مشخص می‌شد. این دما با دمایی که «جان ویلر» و همکارانش به دست آورده بودند، همخوانی داشت. در پایان دهه ۱۹۷۰ م. سیاهچاله علاوه بر صرفا جوابی از معادلات نسبیت عام که افق و ساختار علّی خاص خود را دارد، توصیفی مکمل به عنوان یک سیستم ترمودینامیکی یافت که دما، آنتروپی و انرژی دارد. همچنین تابشی منطبق بر تابش جسم سیاه.
جمله معروف «سیاهچاله مو ندارد» نخستین‌بار کجا ظاهر شد و به زبان ساده معنای آن چیست؟
این جمله منتسب به «جان ویلر» است. بدان معناست که مطابق با نسبیت عام تعداد پارامترهای کمی یک سیاهچاله را توصیف می‌کنند، برخلاف سامانه‌های معمول ترمودینامیکی که ساختارهای ریزمقیاس و درونی مانند مولکول، اتم و هسته دارند، ساختار و درجات آزادی درونی ندارند.
سؤالی که خیلی‌ها دوست دارند بدانند این است که پشت افق رویداد، داخل سیاهچاله چه خبر است؟
سؤال خوبی است که پاسخ دقیقی برایش نداریم. ستاره‌ای وارد فاز رمبش گرانشی می‌شود، اما وقتی پشت افق می‌رود دیگر به آن دسترسی نداریم و نمی‌دانیم چه اتفاقی برای آن می‌افتد.
تبخیر سیاهچاله‌ها هم از موضوعاتی است که بسیار درباره‌اش گفته‌اند؛ از فیلم‌های علمی-تخیلی تا تبلیغات تلویزیونی. به زبان ساده تبخیر سیاهچاله‌ها چیست؟
بر پایه محاسبات «هاوکینگ» از سیاهچاله انرژی به بیرون نشت می کند و به واسطه آن نهایتا سیاهچاله می‌تواند کاملا «تبخیر» شود. اما مشکل آنجا بروز می‌کند که با تبخیر سیاهچاله هیچ اطلاعاتی از ماده اولیه که از آن به وجود آمده بود باقی نمی‌ماند؛ یعنی سیاهچاله اطلاعات اولیه را از بین می‌برد. این مسئله، مسئله اطلاعات، که «هاوکینگ» نخستين‌بار بدان پی برد، تا به امروز هم سؤالی جدی است. اگرچه این مشکل در مطالعه سیاهچاله‌ها رخ می‌نماید، مسئله فراتر از آن است. این بحرانی برای تئوری کوانتوم است که مطابق آن نظریه کوانتوم پیش‌بینی‌پذیری خود را از دست می‌دهد. برای حل مشکل هم سه دیدگاه یا مکتب وجود دارد. دسته اول معتقدند این ویژگی نظریه کوانتوم در حضور سیاهچاله‌هاست و باید با این ویژگی کنار آمد. دسته دوم گرانش کوانتومی را پیشنهاد می‌کنند و معتقدند باید گرانش (نسبیت عام) را طوری اصلاح کرد که به نظریه کوانتوم احترام بگذارد. دسته سوم هم بر این باورند که تئوری کوانتومی باید (به نفع نسبیت) اصلاح شود. برای فرمول‌بندی هریک از این سه مکتب و دیدگاه هم رهیافت‌های مختلفی ارائه و بعضا فرمول‌بندی شده‌اند. مثلا «راجر پنروز» بیشتر از خاستگاه رئالیستی و نسبیت عام به مسائل نگاه می‌کند. او حدس زد که تکینگی در صورت وجود همواره پشت افق مستور است و درواقع تکینگی برهنه نداریم. حدس «پنروز» را در نیم‌قرن گذشته به تفصیل بررسی کرده‌اند؛ گرچه هنوز اثبات نشده، مثال نقضی هم ندارد.
رصدگران چگونه وارد دنیای سیاهچاله‌ها شدند؟
در رصد ازآنچه قصد مشاهده آن را داریم باید چیزی به ما برسد. این چیز معمولا از جنس تابش الکترومغناطیسی است. رصدگران به ویژه در سه،چهار دهه اخیر سعی کرده‌اند از طیف الکترومغناطیسی در تمام طول‌موج‌ها به عنوان پیام‌رسان بهره بهینه ببرند؛ تکنیک‌هایی که اخترشناسان سال‌هاست روی آن کار می‌کنند و بخشی از جایزه نوبل سال ۲۰۲۰ فیزیک به بهبود این تکنیک‌ها اختصاص یافت. به‌علاوه در سال‌های اخیر به دنبال پیام‌رسان‌های دیگری هم بوده‌اند. این پیام‌رسان‌ها باید بتواند فواصل کیهانی را با سرعت نور طی کنند. درباره سیاهچاله‌ها اما بنا نیست چیزی به ما برسد مگر تابش هاوکینگ. دمای تابش هاوکینگ هم برای سیاهچاله‌های معمول اخترفیزیکی بسیار پایین است، حتی پایین‌تر از دمای ریزموج کیهانی. با فناوری فعلی هم امکان آشکارسازی آن وجود ندارد. بنابراین برای رصد سیاهچاله باید به پیام‌رسان‌های دیگر و یا مشاهده آثار سیاهچاله بیاندیشیم. دو پیام‌رسان وجود دارد که طی پنج سال اخیر خیلی موردتوجه قرار گرفته‌اند: امواج گرانشی که از اواسط دهه 1980 م. مشاهدات غیرمستقیم رصدی برایش بوده، ولی در پنج سال اخیر شاهد کشف مستقیم آن بوده‌ایم و پیام‌رسان بعدی نوترینوها هستند. جرم نوترینو تقریبا صفر است و در آینده از آن به‌عنوان پیام‌رسان و تکنیک رصدی استفاده خواهد شد. درباره سیاهچاله هم مستقیم‌ترین چیزی که می‌توانیم مشاهده کنیم،
در حال حاضر امواج گرانشی است یا آثار سیاهچاله بر مواد یا محیط اطراف.
سؤالی که ذهن همه خوانندگان را به خود مشغول كرده، چگونگی شکل‌گیری سیاهچاله‌هاست. از شکل‌گیری سیاهچاله‌ها چه می‌دانیم؟
می‌دانیم سیاهچاله‌ها توده‌‌‌های بسیار متراکم جرم هستند و از نظر تئوری می‌توانند جرمی در بازه میلی‌گرم (میکروسیاهچاله‌ها) تا چند ده میلیارد برابر جرم جورشید (سیاهچاله‌های ابرسنگین) داشته باشند. سبک‌ترین سیاهچاله که تاکنون مشاهده شده جرمی کمی بیش از جرم خورشید دارد. سیاهچاله‌های ابرسنگین که جرمی معادل صدهزار تا 10 میلیارد برابر جرم خورشید دارند، در مرکز کهکشان‌ها ازجمله کهکشان راه شیری هستند. جرم این سیاهچاله‌ها هم‌مرتبه با جرم تمام ستارگان موجود در همان کهکشان است و هرآنچه در اطراف آن توده پرجرم مرکزی است، دور آن می‌چرخد. اجرامی که خیلی نزدیک‌تر به مرکز هستند گاهی به سمت سیاهچاله کشیده می‌شوند و تابش‌های شدیدی در طیف ایکس و گاما منتشر می‌کنند و بدین ترتیب ردّپایی از سرنوشت غم‌انگیز خود بر جای می‌گذارند. با بررسی این فرآیند و تابش‌ها می‌توان به ویژگی‌های جرم مرکزی یعنی سیاهچاله پی برد. یکی از دستاوردهایی که جایزه نوبل امسال را به خود اختصاص داد همین داستان بود، اما کماکان چگونگی شکل‌گیری سیاهچاله‌های ابرسنگین پاسخ دقیقی ندارد. دسته‌ای دیگر از سیاهچاله‌ها هستند که جرم‌شان از مرتبه یک تا حدود صدبرابر جرم خورشید است و طی پنج سال گذشته با تکنیک‌های امواج گرانشی فهمیده‌ایم نمونه‌های متعددی از این سیاهچاله‌ها ثبت و رصد شده‌اند. اما نکته اینجاست که بین جرم حدود صد‌برابری تا صدهزار برابری جرم خورشید برای سیاهچاله‌های ابرسنگین شکافی وجود دارد که می‌توان نامش را «شکاف جرمی سیاهچاله» گذاشت. تاکنون در این شکاف جرمی چیزی رصد نکرده‌ایم. سیاهچاله‌ها در مقیاس جرمی یک تا صدبرابر خورشید احتمالا ناشی از رمبش گرانشی و یا فرآیند ادغام اجرام‌ یا سیاهچاله‌های سبک‌تر هستند. اما آیا اینکه هر یک از این دو فرآیند می‌توانند به سیاهچاله‌هایی ابرسنگین منجر شوند، هنوز بدون پاسخ است. علی‌الأصول می‌توان سیاهچاله‌هایی سبک‌تر، مثلا از مرتبه جرم زمین، داشت که به اندازه یک مشت هستند. ممکن است چنین سیاهچاله‌هایی به‌وفور وجود داشته باشند، اما هنوز نتوانسته‌ایم آشکارسازی کنیم. این رده از سیاهچاله‌ها نمی‌توانند از رمبش گرانشی حاصل شده باشند و احتمالا از عالم اولیه باقی‌مانده‌اند. در چند سال اخیر این رده از سیاهچاله‌ها به‌عنوان نامزد مادّه تاریک مطرح شده‌اند اما فعلا هیچ شاهد رصدی برای آن نداریم. یکی دیگر از سؤالات مطرح و باز تحقیقات اخیر بازه جرمی سیاهچاله‌های اولیه است.
برای سؤال آخر بفرمایید حوزه تحقیقات فیزیک سیاهچاله‌ها چه سمت و سویی خواهد داشت؟
حوزه تحقیقات فیزیک سیاهچاله‌ها چندین بخش را در بر می‌گیرد. سیاهچاله‌ها در حوزه رصد شامل امواج گرانشی و الکترومغناطیسی هستند. تصویربرداری از سیاهچاله که خیلی معروف شد نتیجه کار مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی بود و تکنیک‌های رصدی جدید. عدسی‌های گرانشی که می‌توان به سیاهچاله ربط داد یا مستقیم روی سیاهچاله کار می‌کنند یا حوزه‌ای که به سیاهچاله هم مربوط باشد. برخی روی امواج گرانشی کار می‌کنند و چند سالی است که گرانش عددی و شبیه‌سازی شاخه‌ای پژوهشی در این زمینه شده است. برخی جواب‌های نسبیت عام را که شامل سیاهچاله است با تئوری‌های مختلف و با مادّه‌های متفاوت در فضا-زمان بررسی می‌کنند. عده‌ای ازجمله خود من، روی جنبه‌های کوانتومی سیاهچاله‌ها و به‌ویژه یافتن زیر-سیستم آماری که سیاهچاله‌های نسبیت عام بتوانند حد ترمودینامکی آن باشند، کار می‌کنند و عده‌ای هم مشغول پژوهش در گرانش کوانتومی‌اند.