‍ تابش هاوکینگ: سیاه‌چاله تابش می‌کند


در نظریه‌ی نسبیت عام، اگر جرم کافی در ناحیه‌ای از فضا متمرکز شود، سیاه‌چاله‌ای شکل می‌گیرد. سیاه‌چاله ناحیه‌ای از فضازمان است که گرانش در آن‌چنان شدید است که هیچ چیز نمی‌تواند از آن بگریزد. مرز این ناحیه، که گذر از آن به معنای بی‌بازگشتی است، افق رویداد (Event Horizon) نام دارد. اما افق تنها یک مرز فیزیکی نیست، افق رویداد یک مرز اطلاعاتی هم هست.

از دید ناظری که بیرون از سیاه‌چاله قرار دارد، هیچ اتفاقی که در درون افق رخ می‌دهد، قابل مشاهده یا اندازه‌گیری نیست. حتی اگر سیگنال، ذره یا نوری از نزدیک افق بفرستیم، اگر از خط افق عبور کند، برای همیشه از دنیای بیرون پنهان می‌ماند. یعنی:

افق رویداد، آن چیزی را که پشتش اتفاق می‌افتد، برای همیشه از دنیای بیرونی پنهان می‌کند.

وقتی ناظر بیرونی نمی‌تواند به اطلاعات ناحیه‌ای از فضازمان دسترسی داشته باشد، این بی‌اطلاعی، اثر فیزیکی دارد.
در فیزیک کوانتومی، اگر ناظر فقط به بخشی از یک سیستم دسترسی داشته باشد (مثل میدان‌های کوانتومی بیرون از افق)، توصیف او از آن سیستم، دیگر دقیق و کامل نیست. او مجبور است نواحی پنهان‌شده را در محاسبات خود نادیده بگیرد (اصطلاحاً ردگیری کند). نتیجه‌ی این کار، حالتی آماری از میدان است یعنی حالتی که در آن ناظر نمی‌داند سیستم دقیقاً در کدام وضعیت است، بلکه تنها احتمال بودن در حالت‌های مختلف را می‌داند. این همان حالت آمیخته (mixed state) است. این حالت آماری، یک ویژگی مهم دارد: آنتروپی غیرصفر. محاسبه‌های دقیق نظری نشان می‌دهند که این حالت آماری از نظر ریاضی، دقیقاً همان چیزی‌ست که در فیزیک به‌عنوان حالت گرمایی (thermal state) شناخته می‌شود. یعنی برای ناظر بیرونی، میدان کوانتومی اطراف افق رویداد، مثل یک میدان گرم رفتار می‌کند نه به‌خاطر اینکه خودش گرم است، بلکه چون ناظر به تمام اطلاعات آن دسترسی ندارد.

به بیانی:
وقتی افق باعث می‌شود ناظر بیرونی بخشی از اطلاعات میدان را از دست بدهد، توصیف او از آن میدان شبیه به توصیف یک سیستم داغ می‌شود. حرارت از بی‌اطلاعی می‌جوشد.

در سال ۱۹۷۴، استیون هاوکینگ با ترکیب مکانیک کوانتومی و نسبیت عام، به نتیجه‌ای حیرت‌انگیز رسید:

سیاه‌چاله‌ها تابش می‌کنند.

ناظر بیرونی، سیاه‌چاله را در حال تابش ذراتی می‌بیند که ویژگی‌های آن، دقیقاً مانند تابش حرارتی یک جسم داغ است. این تابش نه از سطح مادی، بلکه از ناحیه‌ای نزدیک به افق رویداد سرچشمه می‌گیرد، و از نوسانات کوانتومی میدان‌های اطراف افق ناشی می‌شود. افق رویداد، چون اطلاعات را از دید ناظر بیرونی پنهان می‌کند، موجب می‌شود حالت میدان از دید او، یک حالت آماری با آنتروپی غیرصفر باشد دقیقاً مانند یک سیستم در دما.

🆔 @Physics3p