تاريخ الثقوب السوداء
أليكسي ليفين
في بعض الأحيان، يبني التفكير العلمي أشياء ذات خصائص متناقضة لدرجة أن حتى أكثر العلماء بصيرة يرفضون التعرف عليها في البداية. معظم مثال واضحفي التاريخ أحدث الفيزياء- عدم الاهتمام على المدى الطويل بالثقوب السوداء والحالات المتطرفة مجال الجاذبية، تم التنبؤ به منذ ما يقرب من 90 عامًا. لفترة طويلة، اعتبروا تجريدًا نظريًا بحتًا، وفقط في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، آمن الناس بواقعهم. ومع ذلك، فإن المعادلة الأساسية لنظرية الثقوب السوداء تم استخلاصها منذ أكثر من مائتي عام.
رؤية جون ميشيل
اسم جون ميشيل، عالم فيزياء وفلكي وجيولوجي وأستاذ جامعي جامعة كامبريدجوراعي الكنيسة الأنجليكانية، الذي فقد بشكل غير مستحق بين نجوم العلوم الإنجليزية في القرن الثامن عشر. وضع ميشيل أسس علم الزلازل - علم الزلازل، وأجرى أبحاثًا ممتازة حول المغناطيسية، وقبل فترة طويلة من اختراع كولومب، ميزان الالتواء، الذي استخدمه في قياسات الجاذبية. في عام 1783، حاول الجمع بين إبداعات نيوتن العظيمة - الميكانيكا والبصريات. اعتبر نيوتن الضوء تيارًا جزيئات صغيرة. اقترح ميشيل أن الجسيمات الخفيفة، مثل المادة العادية، تخضع لقوانين الميكانيكا. تبين أن نتيجة هذه الفرضية غير تافهة تمامًا -الأجرام السماوية
يمكن أن تتحول إلى مصائد ضوئية.
صدق جون ميشيل صيغه وافترض أن أعماق الفضاء تخفي العديد من النجوم التي لا يمكن رؤيتها من الأرض بأي تلسكوب. وفي وقت لاحق، توصل عالم الرياضيات والفلكي والفيزيائي الفرنسي الكبير بيير إلى نفس النتيجة سيمون لابلاس، الذي أدرجها في الطبعتين الأولى (1796) والثانية (1799) من كتابه "عرض النظام العالمي". لكن الطبعة الثالثة نُشرت عام 1808، عندما اعتبر معظم الفيزيائيين أن الضوء هو اهتزازات الأثير. إن وجود النجوم "غير المرئية" يتعارض مع النظرية الموجية للضوء، واعتبر لابلاس أنه من الأفضل عدم ذكرها. وفي الأوقات اللاحقة، اعتبرت هذه الفكرة فضولا، ولا تستحق العرض إلا في الأعمال المتعلقة بتاريخ الفيزياء.
نموذج شوارزشيلد
في نوفمبر 1915، نشر ألبرت أينشتاين نظرية الجاذبية، والتي أطلق عليها اسم النظرية النسبية العامة (GR). وجد هذا العمل على الفور قارئًا ممتنًا في شخص زميله في أكاديمية برلين للعلوم كارل شوارزشيلد. كان شوارزشيلد هو أول من استخدم النسبية العامة في العالم لحل مشكلة فيزيائية فلكية محددة، وحساب مقياس الزمكان خارج وداخل جسم كروي غير دوار (للتحديد، سنسميه نجمًا).
ويترتب على حسابات شوارزشيلد أن جاذبية النجم لا تشوه كثيرًا البنية النيوتونيةالمكان والزمان فقط إذا كان نصف قطرهما أكبر بكثير من القيمة التي حسبها جون ميشيل! كانت هذه المعلمة تسمى في البداية نصف قطر شفارتزشيلد، وتسمى الآن نصف قطر الجاذبية.
على الرغم من أن قيم نصف قطر الجاذبية لميشيل وشوارزشيلد تتطابق، إلا أن النماذج نفسها ليس لديها أي شيء مشترك. بالنسبة لميشيل، المكان والزمان لا يتغيران، لكن الضوء يتباطأ. يستمر النجم الذي تكون أبعاده أصغر من نصف قطر جاذبيته في التألق، لكنه لا يكون مرئيًا إلا لراصد ليس بعيدًا جدًا. بالنسبة لشوارزشيلد، سرعة الضوء مطلقة، لكن بنية المكان والزمان تعتمد على الجاذبية. النجم الذي يقع تحت نصف قطر الجاذبية يختفي بالنسبة لأي راصد، بغض النظر عن مكان وجوده (بتعبير أدق، يمكن اكتشافه عن طريقتأثيرات الجاذبية
ولكن ليس على الإطلاق من حيث الإشعاع).
ومن الكفر إلى الإقرار يعتقد شوارزشيلد ومعاصروه أن هذا أمر غريبالأجسام الفضائية
لا وجود لها في الطبيعة. ولم يلتزم أينشتاين نفسه بوجهة النظر هذه فحسب، بل اعتقد خطأً أيضًا أنه نجح في إثبات رأيه رياضيًا. وفي ثلاثينيات القرن الماضي، أثبت عالم الفيزياء الفلكية الهندي الشاب شاندراسيخار أن النجم الذي يستهلك وقوده النووي يتخلص من قشرته ويتحول إلى قزم أبيض يبرد ببطء فقط إذا كانت كتلته أقل من 1.4 كتلة شمسية. وسرعان ما أدرك الأمريكي فريتز زويكي أن انفجارات المستعرات الأعظم تنتج أجسامًا كثيفة للغاية من مادة النيوترونات. وفي وقت لاحق، توصل ليف لانداو إلى نفس النتيجة. بعد عمل شاندراسيخار، كان من الواضح أن النجوم التي تزيد كتلتها عن 1.4 كتلة شمسية هي وحدها القادرة على الخضوع لمثل هذا التطور. ولذلك، نشأ سؤال طبيعي - هل هناكالحد الأعلى
كتل المستعرات الأعظم التي تتركها النجوم النيوترونية وراءها؟ في نهاية الثلاثينيات، والد المستقبل الأمريكيالقنبلة الذرية أثبت روبرت أوبنهايمر أن مثل هذا الحد موجود بالفعل ولا يتجاوز عدة كتل شمسية. أعط المزيدتقييم دقيق ولم يكن هناك أي احتمال حينها؛ ومن المعروف الآن أن كتل النجوم النيوترونية يجب أن تكون في حدود 1.5-3 مللي ثانية. ولكن حتى من الحسابات التقريبية التي أجراها أوبنهايمر وطالب دراساته العليا جورج فولكو، فقد نتج عن ذلك أن أحفاد المستعرات الأعظم ضخامة لا تصبحالنجوم النيوترونية
تم العثور على الإجابة النهائية في النصف الثاني من القرن العشرين من خلال جهود مجموعة كاملة من علماء الفيزياء النظرية اللامعين، بما في ذلك السوفييت. اتضح أن مثل هذا الانهيار دائماًيضغط النجم "على طول الطريق"، ويدمر مادته بالكامل. ونتيجة لذلك، ينشأ التفرد، "التركيز الفائق" لمجال الجاذبية، مغلقًا في حجم متناهٍ في الصغر. بالنسبة للثقب الثابت فهي نقطة، وبالنسبة للثقب الدوار فهي حلقة. إن انحناء الزمكان، وبالتالي قوة الجاذبية بالقرب من نقطة التفرد، تميل إلى اللانهاية. في نهاية عام 1967، كان الفيزيائي الأمريكي جون أرشيبالد ويلر أول من أطلق على مثل هذا الانهيار النجمي الأخير اسم الثقب الأسود. كان المصطلح الجديد محبوبًا من قبل الفيزيائيين والصحفيين المسرورين، الذين نشروه في جميع أنحاء العالم (على الرغم من أن الفرنسيين لم يعجبهم في البداية، لأن التعبير "ترو نوير" يشير إلى ارتباطات مشكوك فيها).
هناك، وراء الأفق
|
|
الثقب الأسود ليس مادة ولا إشعاعًا. مع بعض الاستعارة، يمكننا القول أن هذا مجال جاذبية ذاتي الاستدامة يتركز في منطقة شديدة الانحناء من الزمكان. يتم تحديد حدودها الخارجية بواسطة سطح مغلق، وهو أفق الحدث. إذا لم يدور النجم قبل الانهيار، فسيتبين أن هذا السطح عبارة عن كرة منتظمة، يتزامن نصف قطرها مع نصف قطر شفارتزشيلد.
المعنى الجسديالأفق واضح جدا. يمكن للإشارة الضوئية المرسلة من محيطها الخارجي أن تنتقل لمسافة طويلة بلا حدود. لكن الإشارات المرسلة من المنطقة الداخلية لن تعبر الأفق فحسب، بل ستقع حتما في المتفردة. الأفق هو الحدود المكانية بين الأحداث التي يمكن أن تصبح معروفة لعلماء الفلك الأرضي (وغيرهم) والأحداث التي لن تظهر معلومات عنها تحت أي ظرف من الظروف.
كما هو متوقع "وفقًا لشوارزشيلد"، بعيدًا عن الأفق، يتناسب جاذبية الثقب عكسيًا مع مربع المسافة، لذلك بالنسبة للمراقب البعيد، فإنه يتجلى كجسم ثقيل عادي. وبالإضافة إلى الكتلة، يرث الثقب لحظة القصور الذاتي للنجم المنهار وشحنته الكهربائية. وجميع الخصائص الأخرى للنجم السلف (البنية، التركيب،الطبقة الطيفية
دعونا نرسل مسبارًا إلى الحفرة باستخدام محطة راديو ترسل إشارة مرة واحدة في الثانية وفقًا للوقت الموجود على متن السفينة. بالنسبة للمراقب عن بعد، مع اقتراب المسبار من الأفق، ستزداد الفواصل الزمنية بين الإشارات - من حيث المبدأ، بشكل غير محدود. بمجرد أن تعبر السفينة الأفق غير المرئي، فإنها ستصمت تمامًا بالنسبة لعالم "فوق الحفرة". لكن هذا الاختفاء لن يخلو من أثر، إذ سيتخلى المسبار عن كتلته وشحنته وعزم دورانه إلى الحفرة.
إشعاع الثقب الأسود
تم بناء جميع النماذج السابقة حصريًا على أساس النسبية العامة. ومع ذلك، فإن عالمنا تحكمه القوانينميكانيكا الكم والتي لا تتجاهل والثقوب السوداء
. هذه القوانين لا تسمح لنا باعتبار التفرد المركزي نقطة رياضية. في السياق الكمي، يُعطى قطره بطول بلانك ويلر، الذي يساوي تقريبًا 10–33 سنتيمترًا.
في هذه المنطقة، يتوقف الفضاء العادي عن الوجود. ومن المقبول عمومًا أن يكون مركز الحفرة محشوًا بهياكل طوبولوجية مختلفة تظهر وتموت وفقًا للقوانين الاحتمالية الكمومية. لا تزال خصائص شبه الفضاء الفقاعي، والتي أطلق عليها ويلر اسم الرغوة الكمومية، غير مفهومة جيدًا. إن وجود التفرد الكمي له تأثير مباشر على مصير الأجسام المادية التي تسقط في أعماق الثقب الأسود. عند الاقتراب من مركز الحفرة، فإن أي جسم مصنوع من مواد معروفة حاليًا سوف يتم سحقه وتمزقه بفعل قوى المد والجزر. ومع ذلك، حتى لو قام المهندسون والتقنيون المستقبليون بإنشاء بعض السبائك والمواد المركبة فائقة القوة ذات خصائص غير مسبوقة حاليًا، فلا يزال محكومًا عليهم جميعًا بالانقراض: بعد كل شيء، في منطقة التفرد لا يوجد وقت عادي ولا مساحة عادية.والآن دعونا ننظر إلى أفق الثقب من خلال عدسة ميكانيكية الكم.
مساحة فارغة - الفراغ الجسدي(وهذا ما يتطلبه قانون الحفاظ على الزخم). إذا انتزعت تقلبات الجاذبية زوجًا من الجسيمات من الفراغ، فقد يحدث أن يتجسد أحدهما خارج الأفق، والثاني (الجسيم المضاد للأول) في الداخل. سوف يسقط الجسيم "الداخلي" في الحفرة، لكن الجسيم "الخارجي" يمكنه الهروب في ظل ظروف مواتية. ونتيجة لذلك يتحول الثقب إلى مصدر للإشعاع وبالتالي يفقد الطاقة وبالتالي الكتلة. ولذلك فإن الثقوب السوداء ليست مستقرة من حيث المبدأ.
وتسمى هذه الظاهرة تأثير هوكينج، بعد أن كان ملحوظا فيزيائي إنجليزي- المنظر الأخلاقي الذي اكتشفها في منتصف السبعينيات. أثبت ستيفن هوكينج، على وجه الخصوص، أن أفق الثقب الأسود يصدر الفوتونات بنفس الطريقة التي يصدر بها جسم أسود تمامًا يتم تسخينه إلى درجة حرارة T = 0.5 × 10 –7 × M s /M. ويترتب على ذلك أنه عندما يصبح الثقب أرق، ترتفع درجة حرارته، ويتكثف "التبخر" بشكل طبيعي. هذه العملية بطيئة للغاية، ويبلغ عمر حفرة كتلتها M حوالي 1065 × (M/Ms) 3 سنوات.عندما يصبح حجمه
يساوي الطولبلانك ويلر، يفقد الثقب استقراره وينفجر، ويطلق نفس الطاقة التي يطلقها انفجار متزامن لمليون قنبلة هيدروجينية بقوة عشرة ميغا طن. ومن المثير للاهتمام أن كتلة الثقب لحظة اختفائه لا تزال كبيرة جدًا، 22 ميكروجرامًا. ووفقا لبعض النماذج، فإن الثقب لا يختفي دون أن يترك أثرا، بل يترك وراءه بقايا مستقرة من نفس الكتلة، ما يسمى ماكسيمون.ماكسيمون وُلدت قبل 40 عامًا - كمصطلح وكفكرة مادية. في عام 1965، اقترح الأكاديمي M. A. ماركوف أن هناك حدًا أعلى للكتلةالجسيمات الأولية
ذهب ماركوف أبعد من ذلك في تفكيره. ووفقا لفرضياته، فإن تبخر الثقب الأسود يؤدي إلى تكوين "بقايا جافة" - وهو الحد الأقصى.
أطلق ماركوف على هذه الهياكل اسم الثقوب السوداء الأولية.
إلى أي مدى تتوافق هذه النظرية مع الواقع لا يزال سؤالا مفتوحا. على أية حال، تم إحياء نظائرها لقواعد ماركوف في بعض نماذج الثقوب السوداء بناءً على نظرية الأوتار الفائقة. أعماق الفضاءالثقوب السوداء ليست محظورة بموجب قوانين الفيزياء، لكن هل هي موجودة في الطبيعة؟ لم يتم العثور حتى الآن على دليل صارم تمامًا على وجود جسم واحد على الأقل من هذا القبيل في الفضاء. ومع ذلك، فمن المحتمل جدا أن يكون ذلك في بعض
أنظمة مزدوجة
مصادر الأشعة السينية هي الثقوب السوداء ذات الأصل النجمي. يجب أن ينشأ هذا الإشعاع نتيجة لامتصاص الغلاف الجوي لنجم عادي بواسطة مجال الجاذبية لثقب مجاور. عندما يتحرك الغاز نحو أفق الحدث، يصبح ساخنًا جدًا ويطلق كميات من الأشعة السينية. يُعتبر الآن ما لا يقل عن عشرين مصدرًا للأشعة السينية مرشحًا مناسبًا لدور الثقوب السوداء. علاوة على ذلك، تشير الإحصائيات النجمية إلى أنه يوجد في مجرتنا وحدها حوالي عشرة ملايين ثقب من أصل نجمي. يمكن أن تتشكل الثقوب السوداء أيضًا أثناء تكثيف جاذبية المادة في نوى المجرة. لذلك تنشأ الثقوب العملاقة التي تبلغ كتلتها الملايين والمليارات من الكتل الشمسية، والتي، على الأرجح، موجودة في العديد من المجرات. على ما يبدو، يوجد في وسط مجرة درب التبانة، مخبأة بسحب الغبار، ثقب تبلغ كتلته 3-4 ملايين كتلة شمسية.توصل ستيفن هوكينج إلى استنتاج مفاده أن الثقوب السوداء ذات الكتلة العشوائية يمكن أن تولد بعد ذلك مباشرة الانفجار العظيم، والتي أدت إلى ظهور الكون لدينا. لقد تبخرت بالفعل الثقوب الأولية التي يصل وزنها إلى مليار طن، ولكن لا يزال من الممكن أن تختبئ الثقوب الأثقل في أعماق الفضاء، وفي الوقت المناسب، تطلق الألعاب النارية الكونية على شكل
مشاعل قوية
إشعاع جاما. ومع ذلك، لم يتم ملاحظة مثل هذه الانفجارات حتى الآن. مصنع الثقب الأسودهذا هو 1028 إلكترون فولت.
|
src = "black_holes1/aerial-view-lhc.jpg" العرض = "275" الحدود = "0"> ومع ذلك، فمن الممكن أنالتقييم القياسي تم المبالغة في تقدير الحد الأدنى لكتلة الحفرة بشكل كبير. على أية حال، هذا ما يقوله الفيزيائيون، وهم يطورون نظرية الأوتار الفائقة، والتي تتضمن النظرية الكمومية للجاذبية (رغم أنها ليست كاملة).ووفقا لهذه النظرية، فإن الفضاء ليس له ثلاثة أبعاد، بل تسعة أبعاد على الأقل. نحن لا نلاحظ الأبعاد الإضافية لأنها تتكرر على نطاق صغير بحيث لا تستطيع أدواتنا رؤيتها. ومع ذلك، فإن الجاذبية موجودة في كل مكان، فهي تخترق الأبعاد المخفية. في الفضاء ثلاثي الأبعاد تتناسب قوة الجاذبية عكسيا مع مربع المسافة، وفي الفضاء التسعة الأبعاد تتناسب مع القوة الثامنة. لذلك في
عالم متعدد الأبعاد ومع تناقص المسافة، تزداد قوة مجال الجاذبية بشكل أسرع بكثير مما هي عليه في الأبعاد الثلاثة. في هذه الحالة، يزداد طول بلانك عدة مرات، وتنخفض الكتلة الدنيا للثقب بشكل حاد.تتنبأ نظرية الأوتار بأن الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته 10-20 جم فقط يمكن أن يولد في الفضاء ذي الأبعاد التسعة. والكتلة النسبية المحسوبة للبروتونات المتسارعة في معجل سيرن الفائق هي نفسها تقريبًا. ووفقا للسيناريو الأكثر تفاؤلا، فإنه سيكون قادرا على إنتاج ثقب واحد كل ثانية، والذي سيبقى على قيد الحياة لمدة تتراوح بين 10 إلى 26 ثانية. في عملية تبخرها، ستولد جميع أنواع الجزيئات الأولية، والتي لن يكون من الصعب تسجيلها. سيؤدي اختفاء الثقب إلى إطلاق طاقة لن تكون كافية حتى لتسخين ميكروجرام واحد من الماء بمقدار جزء من الألف من الدرجة. ولذلك، هناك أمل في أن يتحول المصادم LHC إلى مصنع للثقوب السوداء غير الضارة. إذا كانت هذه النماذج صحيحة، فسيكون من الممكن أيضًا اكتشاف هذه الثقوب بواسطة أجهزة الكشف المدارية.
الأشعة الكونية
جيل جديد.
إن الثقوب السوداء المحايدة كهربائيًا الساكنة التي تحدثنا عنها غير نمطية تمامًا في العالم الحقيقي. عادةً ما تدور النجوم المنهارة وقد تحتوي أيضًا على شحنة كهربائية.
نظرية حول الصلع
من المرجح أن تتشكل الثقوب العملاقة في نوى المجرة من المراكز الأولية لتكثيف الجاذبية - ثقب واحد "ما بعد النجمي" أو عدة ثقوب اندمجت نتيجة الاصطدامات. تبتلع هذه الثقوب الجنينية النجوم القريبة والغازات البينجمية، وبالتالي تزيد كتلتها عدة مرات. تحتوي المادة التي تقع تحت الأفق مرة أخرى على شحنة كهربائية (تتأين جزيئات الغاز والغبار الكونية بسهولة) ولحظة دوران (يحدث السقوط بشكل لولبي).
في أي عملية فيزيائية، يتم الحفاظ على عزم القصور الذاتي والشحنة، وبالتالي فمن الطبيعي افتراض أن تشكل الثقوب السوداء ليس استثناءً. لكن البيان الأقوى صحيح أيضًا، وقد تمت صياغة حالة خاصة منه في الجزء الأول من المقالة (انظر أ. ليفين، التاريخ المذهل للثقوب السوداء، الميكانيكا الشعبية رقم 11، 2005). أيًا كان أسلاف الثقب الأسود العياني، فإنه لا يتلقى منهم سوى الكتلة وعزم الدوران والشحنة الكهربائية. وفقا لجون ويلر، "الثقب الأسود ليس له شعر". سيكون من الأصح القول أنه لا يوجد أكثر من ثلاث "شعرات" تتدلى من أفق أي ثقب، وهو ما أثبتته الجهود المشتركة للعديد من علماء الفيزياء النظرية في السبعينيات. صحيح أنه يجب الحفاظ عليه في الحفرةشحنة مغناطيسية ، والتي تنبأ بول ديراك بحاملاتها الافتراضية، وهي أحاديات القطب المغناطيسي، في عام 1931.لكن هذه الجسيمات لم تُكتشف بعد، ومن السابق لأوانه الحديث عن «الشعرة» الرابعة. من حيث المبدأ، قد تكون هناك "شعرات" إضافية مرتبطة بها
الحقول الكمومية
إذا تم إعادة شحن نجم ثابت، فسوف يتغير مقياس الزمكان، لكن أفق الحدث سيظل كرويًا. ومع ذلك، لعدد من الأسباب، لا يمكن للثقوب السوداء النجمية والمجرية أن تحمل شحنة كبيرة، لذلك من وجهة نظر الفيزياء الفلكية، هذه الحالة ليست مثيرة للاهتمام للغاية. لكن دوران الحفرة ينطوي على عواقب أكثر خطورة. أولا، يتغير شكل الأفق. تقوم قوى الطرد المركزي بضغطها على طول محور الدوران وتمديدها في المستوى الاستوائي، بحيث تتحول الكرة إلى شيء يشبه الشكل الإهليلجي. في جوهرها، يحدث نفس الشيء مع الأفق كما هو الحال مع أي جسم دوار، على وجه الخصوص، مع كوكبنا - بعد كل شيء، فإن نصف القطر الاستوائي للأرض هو 21.5 كم أطول من القطبية. ثانياً، يؤدي الدوران إلى تقليل الأبعاد الخطية للأفق. تذكر أن الأفق هو الواجهة بين الأحداث التي قد ترسل أو لا ترسل إشارات إلى عوالم بعيدة. إذا كانت جاذبية الحفرة تأسرك الكميات الخفيفةفإن قوى الطرد المركزي، على العكس من ذلك، تساهم في هروبهم إلى الفضاء الخارجي. ولذلك فإن أفق الثقب الدوار يجب أن يكون أقرب إلى مركزه من أفق نجم ساكن له نفس الكتلة.
ولكن هذا ليس كل شيء. الثقب في دورانه يحمل المساحة المحيطة بعيدًا. في قرب قريبمن الحفرة يكتمل الانبهار؛ وعلى المحيط يضعف تدريجيًا. ولذلك، فإن أفق الحفرة مغمور في منطقة خاصة من الفضاء - الإرغوسفير. تلامس حدود الإرغوسفير الأفق عند القطبين وتتحرك بعيدًا عنه في المستوى الاستوائي. وعلى هذا السطح، فإن سرعة احتجاز الفضاء تساوي سرعة الضوء؛ فداخله أكبر من سرعة الضوء، وخارجه أقل. لذلك فإن أي جسم مادي سواء كان جزيء غاز أو جسيم الغبار الكونيأو مسبار الاستطلاع، عندما يدخل الغلاف الجوي، يبدأ بالتأكيد بالدوران حول الثقب، وفي نفس اتجاه الثقب نفسه.
مولدات النجوم
إن وجود الإرغوسفير، من حيث المبدأ، يسمح باستخدام الثقب كمصدر للطاقة و. دع بعض الأشياء تخترق الغلاف الجوي وتنقسم إلى قسمين. قد يتبين أن أحدهما سيقع تحت الأفق والآخر سيترك الإرغوسفير وستتجاوز طاقته الحركية الطاقة الأولية للجسم كله!
ومع ذلك، فإن قانون الحفاظ على الطاقة لا يتزعزع - فلا توجد آلات ذات حركة أبدية. عندما يغذي الثقب الطاقة إلى جسيمات أو إشعاع، تنخفض طاقة دورانه.
تتباطأ دولاب الموازنة الكونية الفائق تدريجيًا، وفي النهاية قد تتوقف. وتشير الحسابات إلى أنه بهذه الطريقة يمكن تحويل ما يصل إلى 29% من كتلة الثقب إلى طاقة. العملية الوحيدة الأكثر فعالية من هذه هي إبادة المادة والمادة المضادة، حيث في هذه الحالة تتحول الكتلة بالكامل إلى إشعاع. لكن الوقود النووي الحراري الشمسي يحترق بكفاءة أقل بكثير - حوالي 0.6%.
وبالتالي، فإن الثقب الأسود الذي يدور بسرعة هو تقريبًا مولد طاقة مثالي للحضارات الكونية الفائقة (إذا كان هذا موجودًا بالطبع). على أية حال، تستخدم الطبيعة هذا المورد منذ زمن سحيق. الكوازارات، أقوى "محطات الراديو" الفضائية (مصادر الموجات الكهرومغناطيسية)، تستمد طاقتها من طاقة الثقوب الدوارة العملاقة الموجودة في قلب المجرات. تم طرح هذه الفرضية من قبل إدوين سالبيتر وياكوف زيلدوفيتش في عام 1964، ومنذ ذلك الحين أصبحت مقبولة بشكل عام. وتشكل المادة التي تقترب من الثقب هيكلًا على شكل حلقة، يسمى بالقرص التراكمي. نظرًا لأن المساحة القريبة من الحفرة ملتوية بشدة بسبب دورانها، فإن المنطقة الداخلية للقرص تظل في المستوى الاستوائي وتستقر ببطء نحو أفق الحدث. يتم تسخين الغاز الموجود في هذه المنطقة بشكل كبير عن طريق الاحتكاك الداخلي ويولد الأشعة تحت الحمراء والضوء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية، وأحيانًا أشعة جاما. تصدر الكوازارات أيضًا انبعاثات راديوية غير حرارية، والتي ترجع بشكل أساسي إلى تأثير السنكروترون.
الانتروبيا ضحلة جدا
هل من الممكن أن نفترض أنه عندما يتحول النجم إلى مستعر أعظم، فإن الإنتروبيا الخاصة به تنجرف مع القشرة المقذوفة؟ للأسف، لا.
أولا، لا يمكن مقارنة كتلة القشرة بكتلة النجم، وبالتالي فإن فقدان الإنتروبيا سيكون صغيرا. ثانيًا، ليس من الصعب التوصل إلى "دحض" عقلي أكثر إقناعًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. دع الجسم الذي درجة حرارته غير الصفر، والذي يمتلك نوعًا من الإنتروبيا، يقع في منطقة جذب الثقب الجاهز. بعد أن وقع تحت أفق الحدث ، سوف يختفي مع احتياطيات الإنتروبيا الخاصة به ، ويبدو أن إنتروبيا الحفرة لن تزيد على الإطلاق.من المغري القول بأن إنتروبيا الكائن الفضائي لا تختفي، بل تنتقل إلى داخل الحفرة، لكن هذه مجرد خدعة لفظية. يتم استيفاء قوانين الفيزياء في العالم الذي في متناول أيدينا وأدواتنا، والمنطقة الواقعة أسفل أفق الحدث بالنسبة لأي مراقب خارجي هي منطقة مجهولة. تم حل هذه المفارقة من قبل طالب الدراسات العليا في ويلر جاكوب بيكنشتاين. تتمتع الديناميكا الحرارية بمصدر فكري قوي للغاية - وهو الدراسة النظرية للمحركات الحرارية المثالية. ابتكر بيكنشتاين جهازًا عقليًا يحول الحرارة إلىعمل مفيد
باستخدام الثقب الأسود كمدفأة. وباستخدام هذا النموذج، قام بحساب إنتروبيا الثقب الأسود، والتي تبين أنها تتناسب مع مساحة أفق الحدث. تتناسب هذه المساحة مع مربع نصف قطر الثقب، والذي، كما تذكر، يتناسب مع كتلته. عند التقاط أي جسم خارجي، تزداد كتلة الثقب، ويطول نصف القطر، وتزداد مساحة الأفق، وبالتالي تزداد الإنتروبيا. أظهرت الحسابات أن إنتروبيا الثقب الذي ابتلع جسمًا فضائيًا تتجاوز الإنتروبيا الإجمالية لهذا الجسم وللثقب قبل أن يلتقيا. وبالمثل، فإن إنتروبيا النجم المنهار أقل بعدة مرات من إنتروبيا الثقب اللاحق. في الواقع، من منطق بيكنشتاين يترتب على ذلك أن درجة حرارة سطح الثقب ليست صفرًا، وبالتالي فهو ببساطة ملزم بإصدار فوتونات حرارية (وجزيئات أخرى إذا تم تسخينها بدرجة كافية). ومع ذلك، لم يجرؤ بيكنشتاين على الذهاب إلى هذا الحد (اتخذ ستيفن هوكينج هذه الخطوة). الحد الأقصىيتم تحديد إنتروبيا منطقة مغلقة من الفضاء فقط من خلال مساحة حدودها الخارجية! كما نرى، فإن التحليل النظري لخصائص الثقوب السوداء يسمح لنا باستخلاص استنتاجات عميقة جدًا ذات طبيعة فيزيائية عامة.
النظر في أعماق الكون
كيف يتم البحث عن الثقوب السوداء في أعماق الفضاء؟ طرحت "الميكانيكا الشعبية" هذا السؤال على عالم الفيزياء الفلكية الشهير - الأستاذ جامعة هارفاردراميش نارايان.
"ينبغي اعتبار اكتشاف الثقوب السوداء أحد أعظم إنجازات علم الفلك والفيزياء الفلكية الحديثين. وفي العقود الأخيرة، تم تحديد آلاف المصادر في الفضاء الأشعة السينيةويتكون كل منهما من نجم عادي وجسم صغير جدا غير مضيء محاط بقرص تراكمي. من المرجح أن تكون الأجسام المظلمة التي تتراوح كتلتها من كتلة ونصف إلى ثلاث كتل شمسية نجومًا نيوترونية. ومع ذلك، من بين هذه الأشياء غير المرئية هناك ما لا يقل عن عشرين مرشحًا بنسبة مائة بالمائة تقريبًا لدور الثقب الأسود. وبالإضافة إلى ذلك، جاء العلماءالرأي بالإجماع
ليس من الممكن حتى الآن اكتشاف التوقيع الفريد حقًا للثقب الأسود من الأرض، ألا وهو وجود أفق الحدث.
ومع ذلك، فإننا نعرف بالفعل كيفية التحقق من غيابه. ويبلغ نصف قطر النجم النيوتروني 10 كيلومترات؛ نفس الترتيب من حيث الحجم هو نصف قطر الثقوب الناتجة عن الانهيار النجمي. ومع ذلك، فإن النجم النيوتروني له سطح صلب، في حين أن الثقب ليس كذلك. يستلزم سقوط المادة على سطح النجم النيوتروني انفجارات نووية حرارية، والتي تولد انفجارات دورية من الأشعة السينية تدوم ثانية واحدة. وعندما يصل الغاز إلى أفق الثقب الأسود، فإنه يدخل تحته ولا يظهر على شكل أي إشعاع. ولذلك، فإن غياب ومضات الأشعة السينية القصيرة يعد تأكيدًا قويًا على طبيعة الثقب الموجود في الجسم. جميع الأنظمة الثنائية العشرين التي من المفترض أنها تحتوي على ثقوب سوداء لا تصدر مثل هذه التوهجات.
يجب أن نعترف أننا الآن مجبرون على الاكتفاء بالأدلة السلبية على وجود الثقوب السوداء. إن الأشياء التي نعلن أنها ثقوب لا يمكن أن تكون أي شيء آخر من وجهة نظر النماذج النظرية المقبولة عمومًا. وبعبارة أخرى، نحن نعتبرها ثقوبًا فقط لأننا لا نستطيع أن نعتبرها أي شيء آخر.
آمل أن تحظى الأجيال القادمة من علماء الفلك بحظ أفضل قليلاً.
تمكنت Popular Mechanics أيضًا من التحدث مع اثنين من أكثر الخبراء موثوقًا في نظرية الجاذبية، والذين كرسوا عقودًا للبحث في مجال الثقوب السوداء. وطلبنا منهم سرد أهم الإنجازات في هذا المجال. هذا ما أخبرنا به أستاذ الفيزياء النظرية بجامعة كاليفورنيا.معهد التكنولوجيا
كيب ثورن: "إذا تحدثنا عن الثقوب السوداء العيانية، والتي تم وصفها جيدًا من خلال معادلات النسبية العامة، فقد تم الحصول على النتائج الرئيسية في مجال نظريتها في الستينيات والثمانينيات من القرن العشرين. أما بالنسبة للأعمال الحديثة، فإن أكثرها إثارة للاهتمام هو الذي جعل من الممكن فهم العمليات التي تحدث داخل الثقب الأسود مع تقدمه في السن بشكل أفضل. في السنوات الأخيرة، تم إيلاء اهتمام كبير لنماذج الثقوب السوداء في الفضاءات متعددة الأبعاد، والتي تظهر بشكل طبيعي في نظرية الأوتار. لكن هذه الدراسات لم تعد تنتمي إلى الدراسات الكلاسيكية، بل إلىالثقوب الكمومية ، لم يتم اكتشافه بعد. النتيجة الرئيسيةالسنوات الأخيرة - تأكيد فيزيائي فلكي مقنع جداً لحقيقة وجود ثقوب كتلتها عدة كتل شمسية، وكذلكثقوب هائلة
في مراكز المجرات.
واليوم لم يعد هناك أي شك في أن هذه الثقوب موجودة بالفعل وأننا نفهم جيدًا عمليات تكوينها”. أجاب فاليري فرولوف، طالب الأكاديمي ماركوف والأستاذ بجامعة مقاطعة ألبرتا الكندية، على نفس السؤال:"بادئ ذي بدء، أود أن أذكر اكتشاف الثقب الأسود في وسط مجرتنا. تعتبر الدراسات النظرية للثقوب في الفضاءات ذات الأبعاد الإضافية مثيرة للاهتمام أيضًا، والتي من خلالها يمكن أن تنشأ ثقوب صغيرة في تجارب مسرعات المصادم وفي عمليات تفاعل الأشعة الكونية مع المادة الأرضية. أرسل ستيفن هوكينج مؤخرًا نسخة أولية من ورقة بحثية توضح ذلك
يستحق عمل هوكينج تعليقًا منفصلاً. ويترتب على المبادئ العامة لميكانيكا الكم أنه لا توجد معلومات تختفي دون أثر، ولكنها تتحول فقط إلى نموذج أقل "قابلية للقراءة". ومع ذلك، فإن الثقوب السوداء تدمر المادة بشكل لا رجعة فيه، ويبدو أنها تتعامل بنفس القدر من القسوة مع المعلومات. في عام 1976، نشر هوكينج ورقة بحثية تدعم هذا الاستنتاججهاز رياضي
. واتفق معه بعض المنظرين، والبعض الآخر لم يتفق معه؛ وعلى وجه الخصوص، يعتقد أصحاب نظرية الأوتار أن المعلومات غير قابلة للتدمير. وفي الصيف الماضي، وفي مؤتمر في دبلن، قال هوكينج إن المعلومات لا تزال محفوظة وتترك سطح حفرة التبخر مع الإشعاع الحراري. في هذا الاجتماع، قدم هوكينج فقط رسمًا تخطيطيًا لحساباته الجديدة، ووعد بنشرها بالكامل بمرور الوقت. والآن، كما قال فاليري فرولوف، أصبح هذا العمل متاحا في شكل نسخة أولية.
أخيرًا، طلبنا من البروفيسور فرولوف أن يشرح لماذا يعتبر الثقوب السوداء واحدة من أروع اختراعات الذكاء البشري. "لقد اكتشف علماء الفلك منذ فترة طويلة أجسامًا لا تتطلب أفكارًا فيزيائية جديدة بشكل كبير لفهمها. وهذا لا ينطبق فقط على الكواكب والنجوم والمجرات، ولكن أيضًا على الأجسام الغريبة مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية. لكن الثقب الأسود شيء مختلف تمامًا، فهو اختراق للمجهول. وقال أحدهم أن الدواخل لهاأفضل مكان لاستيعاب العالم السفلي.استكشاف الثقوب ، وخاصة التفردات، تفرض ببساطة استخدام مثل هذه المفاهيم والنماذج غير القياسية التي لم تتم مناقشتها عمليًا في الفيزياء حتى وقت قريب - على سبيل المثال، الجاذبية الكمومية ونظرية الأوتار. هنا ينشأالعديد من المشاكل
في بعض الأحيان، يبني التفكير العلمي أشياء ذات خصائص متناقضة لدرجة أن حتى أكثر العلماء بصيرة يرفضون التعرف عليها في البداية. المثال الأكثر وضوحا في تاريخ الفيزياء الحديثة هو عدم الاهتمام على المدى الطويل بالثقوب السوداء، وهي حالات متطرفة لمجال الجاذبية تم التنبؤ بها منذ ما يقرب من 90 عاما. لفترة طويلة، تم اعتبارها تجريدًا نظريًا بحتًا، وفقط في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، آمن الناس بواقعهم. ومع ذلك، فإن المعادلة الأساسية لنظرية الثقب الأسود تم استخلاصها منذ أكثر من مائتي عام.
رؤية جون ميشيل
اسم جون ميشيل، عالم الفيزياء والفلك والجيولوجي، والأستاذ بجامعة كامبريدج وراعي الكنيسة الأنجليكانية، ضاع تماما دون استحقاق بين نجوم الإنجليز. العلوم الثامن عشرقرن. وضع ميشيل أسس علم الزلازل - علم الزلازل، وأجرى أبحاثًا ممتازة حول المغناطيسية، وقبل فترة طويلة من اختراع كولومب، ميزان الالتواء، الذي استخدمه في قياسات الجاذبية. في عام 1783، حاول الجمع بين إبداعات نيوتن العظيمة - الميكانيكا والبصريات. اعتبر نيوتن أن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات الصغيرة. اقترح ميشيل أن الجسيمات الخفيفة، مثل المادة العادية، تخضع لقوانين الميكانيكا. تبين أن نتيجة هذه الفرضية غير تافهة للغاية - فالأجرام السماوية يمكن أن تتحول إلى مصائد للضوء.
كيف كان سبب ميشيل؟ إن قذيفة المدفع التي يتم إطلاقها من سطح الكوكب سوف تتغلب على جاذبيتها تمامًا فقط إذا كانت السرعة الأوليةسوف تتجاوز القيمة التي تسمى الآن سرعة الهروب الثانية وسرعة الهروب. إذا كانت جاذبية الكوكب قوية جدًا بحيث تتجاوز سرعة الإفلات سرعة الضوء، فلن تتمكن جسيمات الضوء المنطلقة عند الذروة من الانتقال إلى ما لا نهاية. سيحدث نفس الشيء مع الضوء المنعكس. ونتيجة لذلك، فإن الكوكب سيكون غير مرئي لمراقب بعيد جدا. قام ميشيل بحساب القيمة الحرجة لنصف قطر هذا الكوكب R cr اعتمادًا على كتلته M المخفضة إلى كتلة شمسنا M s: R cr = 3 كم x M/M s.
صدق جون ميشيل صيغه وافترض أن أعماق الفضاء تخفي العديد من النجوم التي لا يمكن رؤيتها من الأرض بأي تلسكوب. وفي وقت لاحق، توصل عالم الرياضيات والفلكي والفيزيائي الفرنسي الكبير بيير سيمون لابلاس إلى نفس النتيجة، وأدرجها في الطبعتين الأولى (1796) والثانية (1799) من كتابه "عرض النظام العالمي". لكن الطبعة الثالثة نُشرت عام 1808، عندما اعتبر معظم الفيزيائيين أن الضوء هو اهتزازات الأثير. كان وجود النجوم "غير المرئية" يتناقض نظرية الموجةالضوء، واعتبر لابلاس أنه من الأفضل عدم ذكرهم. وفي الأوقات اللاحقة، اعتبرت هذه الفكرة فضولا، ولا تستحق العرض إلا في الأعمال المتعلقة بتاريخ الفيزياء.
نموذج شوارزشيلد
في نوفمبر 1915، نشر ألبرت أينشتاين نظرية الجاذبية، والتي أطلق عليها اسم النظرية النسبية العامة (GR). وجد هذا العمل على الفور قارئًا ممتنًا في شخص زميله في أكاديمية برلين للعلوم كارل شوارزشيلد. كان شوارزشيلد هو أول من استخدم النسبية العامة في العالم لحل مشكلة فيزيائية فلكية محددة، وحساب مقياس الزمكان خارج وداخل جسم كروي غير دوار (للتحديد، سنسميه نجمًا).
ويترتب على حسابات شوارزشيلد أن جاذبية النجم لا تشوه البنية النيوتونية للمكان والزمان كثيرًا فقط إذا كان نصف قطره أكبر بكثير من القيمة ذاتها التي حسبها جون ميشيل! كانت هذه المعلمة تسمى في البداية نصف قطر شفارتزشيلد، وتسمى الآن نصف قطر الجاذبية. ووفقا للنظرية النسبية العامة، فإن الجاذبية لا تؤثر على سرعة الضوء، ولكنها تقلل من تردد اهتزازات الضوء بنفس النسبة التي تبطئ بها الزمن. إذا كان نصف قطر النجم أكبر بأربع مرات من نصف قطر الجاذبية، فإن تدفق الوقت على سطحه يتباطأ بنسبة 15٪، ويكتسب الفضاء انحناءًا ملحوظًا. وعندما يتم تجاوزه مرتين، فإنه ينحني بقوة أكبر، ويتباطأ الوقت بنسبة 41%. عندما يتم الوصول إلى نصف قطر الجاذبية، يتوقف الزمن على سطح النجم تمامًا (تصل جميع الترددات إلى الصفر، ويتجمد الإشعاع، وينطفئ النجم)، لكن انحناء الفضاء هناك لا يزال محدودًا. وبعيدًا عن النجم، تظل الهندسة إقليدية، والزمن لا يغير سرعته.
على الرغم من أن قيم نصف قطر الجاذبية لميشيل وشوارزشيلد تتطابق، إلا أن النماذج نفسها ليس لديها أي شيء مشترك. بالنسبة لميشيل، المكان والزمان لا يتغيران، لكن الضوء يتباطأ. يستمر النجم الذي تكون أبعاده أصغر من نصف قطر جاذبيته في التألق، لكنه لا يكون مرئيًا إلا لراصد ليس بعيدًا جدًا. بالنسبة لشوارزشيلد، سرعة الضوء مطلقة، لكن بنية المكان والزمان تعتمد على الجاذبية. يختفي النجم الذي وقع تحت نصف قطر الجاذبية لأي مراقب، بغض النظر عن مكان وجوده (بتعبير أدق، يمكن اكتشافه من خلال تأثيرات الجاذبية، ولكن ليس عن طريق الإشعاع).
ولكن ليس على الإطلاق من حيث الإشعاع).
يعتقد شوارزشيلد ومعاصروه أن مثل هذه الأجسام الفضائية الغريبة لا وجود لها في الطبيعة. ولم يلتزم أينشتاين نفسه بوجهة النظر هذه فحسب، بل اعتقد خطأً أيضًا أنه نجح في إثبات رأيه رياضيًا.
وفي ثلاثينيات القرن الماضي، أثبت عالم الفيزياء الفلكية الهندي الشاب شاندراسيخار أن النجم الذي يستهلك وقوده النووي يتخلص من قشرته ويتحول إلى قزم أبيض يبرد ببطء فقط إذا كانت كتلته أقل من 1.4 كتلة شمسية. وسرعان ما أدرك الأمريكي فريتز زويكي أن انفجارات المستعرات الأعظم تنتج أجسامًا كثيفة للغاية من مادة النيوترونات. وفي وقت لاحق، توصل ليف لانداو إلى نفس النتيجة. بعد عمل شاندراسيخار، كان من الواضح أن النجوم التي تزيد كتلتها عن 1.4 كتلة شمسية هي وحدها القادرة على الخضوع لمثل هذا التطور. لذا نشأ سؤال طبيعي: هل هناك حد أعلى لكتلة المستعرات الأعظم التي تتركها النجوم النيوترونية؟
في نهاية الثلاثينيات، أثبت الأب المستقبلي للقنبلة الذرية الأمريكية، روبرت أوبنهايمر، أن هذا الحد موجود بالفعل ولا يتجاوز عدة كتل شمسية. ولم يكن من الممكن حينها إعطاء تقييم أكثر دقة؛ ومن المعروف الآن أن كتل النجوم النيوترونية يجب أن تكون في حدود 1.5-3 مليون ثانية. ولكن حتى من الحسابات التقريبية التي أجراها أوبنهايمر وطالب الدراسات العليا جورج فولكو، فقد نتج عن ذلك أن أحفاد المستعرات العظمى الأكثر ضخامة لا يصبحون نجومًا نيوترونية، بل يتحولون إلى حالة أخرى. في عام 1939، استخدم أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر نموذجًا مثاليًا لإثبات أن النجم الضخم المنهار ينجذب نحو نصف قطر جاذبيته. ويترتب على صيغهم في الواقع أن النجم لا يتوقف عند هذا الحد، لكن المؤلفين المشاركين امتنعوا عن مثل هذا الاستنتاج الجذري.
تم العثور على الإجابة النهائية في النصف الثاني من القرن العشرين من خلال جهود مجموعة كاملة من علماء الفيزياء النظرية اللامعين، بما في ذلك السوفييت. اتضح أن مثل هذا الانهيار دائماًيضغط النجم "على طول الطريق"، ويدمر مادته بالكامل. ونتيجة لذلك، ينشأ التفرد، "التركيز الفائق" لمجال الجاذبية، مغلقًا في حجم متناهٍ في الصغر. بالنسبة للثقب الثابت، فهذه نقطة، وبالنسبة للثقب الدوار فهي حلقة. إن انحناء الزمكان، وبالتالي قوة الجاذبية بالقرب من نقطة التفرد، تميل إلى اللانهاية. في نهاية عام 1967، كان الفيزيائي الأمريكي جون أرشيبالد ويلر أول من أطلق على مثل هذا الانهيار النجمي الأخير اسم الثقب الأسود. كان المصطلح الجديد محبوبًا من قبل الفيزيائيين والصحفيين المسرورين، الذين نشروه في جميع أنحاء العالم (على الرغم من أن الفرنسيين لم يعجبهم في البداية، لأن التعبير "ترو نوير" يشير إلى ارتباطات مشكوك فيها).
هناك، وراء الأفق
الثقب الأسود ليس مادة ولا إشعاعًا. مع بعض الاستعارة، يمكننا القول أن هذا مجال جاذبية ذاتي الاستدامة يتركز في منطقة شديدة الانحناء من الزمكان. يتم تحديد حدودها الخارجية بواسطة سطح مغلق، وهو أفق الحدث. إذا لم يدور النجم قبل الانهيار، فسيتبين أن هذا السطح عبارة عن كرة منتظمة، يتزامن نصف قطرها مع نصف قطر شفارتزشيلد.
المعنى المادي للأفق واضح جدا. يمكن للإشارة الضوئية المرسلة من محيطها الخارجي أن تنتقل لمسافة طويلة بلا حدود. لكن الإشارات المرسلة من المنطقة الداخلية لن تعبر الأفق فحسب، بل ستقع حتما في المتفردة. الأفق هو الحد المكاني بين الأحداث التي يمكن أن تصبح معروفة لعلماء الفلك الأرضي (وغيرهم)، والأحداث التي لن تظهر معلومات عنها أبدًا.
كما هو متوقع "وفقًا لشوارزشيلد"، بعيدًا عن الأفق، يتناسب جاذبية الثقب عكسيًا مع مربع المسافة، لذلك بالنسبة للمراقب البعيد، فإنه يتجلى كجسم ثقيل عادي. وبالإضافة إلى الكتلة، يرث الثقب لحظة القصور الذاتي للنجم المنهار وشحنته الكهربائية. وجميع الخصائص الأخرى للنجم السلف (البنية والتكوين والطبقة الطيفية وما إلى ذلك) تتلاشى في غياهب النسيان.
دعونا نرسل مسبارًا مع محطة راديو إلى الحفرة، ونرسل إشارة مرة واحدة في الثانية وفقًا للوقت الموجود على متن السفينة. بالنسبة للمراقب عن بعد، مع اقتراب المسبار من الأفق، ستزداد الفواصل الزمنية بين الإشارات - من حيث المبدأ، بشكل غير محدود. بمجرد أن تعبر السفينة الأفق غير المرئي، فإنها ستصمت تمامًا بالنسبة لعالم "فوق الحفرة". لكن هذا الاختفاء لن يخلو من أثر، إذ سيتخلى المسبار عن كتلته وشحنته وعزم دورانه إلى الحفرة.
إشعاع الثقب الأسود
تم بناء جميع النماذج السابقة حصريًا على أساس النسبية العامة. ومع ذلك، فإن عالمنا محكوم بقوانين ميكانيكا الكم، التي لا تتجاهل الثقوب السوداء. هذه القوانين لا تسمح لنا باعتبار التفرد المركزي نقطة رياضية. في السياق الكمي، يُعطى قطره بطول بلانك ويلر، الذي يساوي تقريبًا 10 -33 سنتيمترًا. في هذه المنطقة، يتوقف الفضاء العادي عن الوجود. ومن المقبول عمومًا أن يكون مركز الحفرة محشوًا بهياكل طوبولوجية مختلفة تظهر وتموت وفقًا للقوانين الاحتمالية الكمومية. لا تزال خصائص شبه الفضاء الفقاعي، والتي أطلق عليها ويلر اسم الرغوة الكمومية، غير مفهومة جيدًا.
إن وجود التفرد الكمي له تأثير مباشر على مصير الأجسام المادية التي تسقط في أعماق الثقب الأسود. عند الاقتراب من مركز الحفرة، أي جسم مصنوع من الآن المواد المعروفة، سيتم سحقها وتمزقها قوى المد والجزر. ومع ذلك، حتى لو قام المهندسون والتقنيون المستقبليون بإنشاء بعض السبائك والمواد المركبة فائقة القوة ذات خصائص غير مسبوقة حاليًا، فلا يزال محكومًا عليهم جميعًا بالانقراض: بعد كل شيء، في منطقة التفرد لا يوجد وقت عادي ولا مساحة عادية.
والآن دعونا ننظر إلى أفق الثقب من خلال عدسة ميكانيكية الكم. الفضاء الفارغ – الفراغ المادي – ليس فارغًا على الإطلاق. بسبب التقلبات الكمومية لمختلف المجالات في الفراغ، فإن العديد من الجسيمات الافتراضية تولد وتموت بشكل مستمر. وبما أن الجاذبية القريبة من الأفق قوية جدًا، فإن تقلباتها تخلق انفجارات جاذبية قوية للغاية. عند تسريعها في مثل هذه المجالات، تكتسب "الكائنات الافتراضية" حديثة الولادة طاقة إضافية وتصبح في بعض الأحيان جزيئات عادية طويلة العمر.
تولد الجسيمات الافتراضية دائمًا في أزواج تتحرك في اتجاهين متعاكسين (وهذا ما يتطلبه قانون الحفاظ على الزخم). إذا انتزعت تقلبات الجاذبية زوجًا من الجسيمات من الفراغ، فقد يحدث أن يتجسد أحدهما خارج الأفق، والثاني (الجسيم المضاد للأول) في الداخل. سوف يسقط الجسيم "الداخلي" في الحفرة، لكن الجسيم "الخارجي" يمكنه الهروب في ظل ظروف مواتية. ونتيجة لذلك، يصبح الثقب مصدرًا للإشعاع، وبالتالي يفقد الطاقة وبالتالي الكتلة. ولذلك فإن الثقوب السوداء ليست مستقرة من حيث المبدأ.
وتسمى هذه الظاهرة تأثير هوكينج، نسبة إلى عالم الفيزياء النظرية الإنجليزي الرائع الذي اكتشفها في منتصف السبعينيات. أثبت ستيفن هوكينج، على وجه الخصوص، أن أفق الثقب الأسود يصدر الفوتونات بنفس الطريقة التي يصدر بها جسم أسود تمامًا يتم تسخينه إلى درجة حرارة T = 0.5 x 10 -7 x M s /M. ويترتب على ذلك أنه عندما يصبح الثقب أرق، ترتفع درجة حرارته، ويتكثف "التبخر" بشكل طبيعي. هذه العملية بطيئة للغاية، ويبلغ عمر حفرة كتلتها M حوالي 1065 × (M/Ms) 3 سنوات. وعندما يصبح حجمه مساويًا لطول بلانك ويلر، يفقد الثقب استقراره وينفجر، مطلقًا نفس الطاقة التي يطلقها انفجار متزامن لمليون قنبلة هيدروجينية بقوة عشرة ميغا طن. ومن المثير للاهتمام أن كتلة الثقب لحظة اختفائه لا تزال كبيرة جدًا، 22 ميكروجرامًا. ووفقا لبعض النماذج، فإن الثقب لا يختفي دون أن يترك أثرا، بل يترك وراءه بقايا مستقرة من نفس الكتلة، ما يسمى ماكسيمون.
يساوي الطولوُلدت قبل 40 عامًا - كمصطلح وكفكرة مادية. في عام 1965، اقترح الأكاديمي M. A. ماركوف أن هناك حدًا أعلى لكتلة الجسيمات الأولية. واقترح اعتبار هذه القيمة الحدية بمثابة بُعد الكتلة، والذي يمكن دمجه من ثلاثة ثوابت فيزيائية أساسية - ثابت بلانك h، وسرعة الضوء C وثابت الجاذبية G (لأولئك الذين يحبون التفاصيل: للقيام بذلك، عليك ضرب h وC، وتقسيم النتيجة على G وأخذ الجذر التربيعي). وهي نفس الـ 22 ميكروجرام المذكورة في المقال، وتسمى هذه القيمة بكتلة بلانك. ومن نفس الثوابت يمكن بناء كمية ذات بعد الطول (يبلغ طول بلانك ويلر 10 -33 سم) وببعد الزمن (10 -43 ثانية).
ذهب ماركوف أبعد من ذلك في تفكيره. ووفقا لفرضيته، فإن تبخر الثقب الأسود يؤدي إلى تكوين "بقايا جافة" - وهو الحد الأقصى. أطلق ماركوف على هذه الهياكل اسم الثقوب السوداء الأولية. إلى أي مدى تتوافق هذه النظرية مع الواقع لا يزال سؤالا مفتوحا. على أية حال، تم إحياء نظائرها لقواعد ماركوف في بعض نماذج الثقوب السوداء بناءً على نظرية الأوتار الفائقة.
أطلق ماركوف على هذه الهياكل اسم الثقوب السوداء الأولية.
الثقوب السوداء ليست محظورة بموجب قوانين الفيزياء، لكن هل هي موجودة في الطبيعة؟ لم يتم العثور حتى الآن على دليل صارم تمامًا على وجود جسم واحد على الأقل من هذا القبيل في الفضاء. ومع ذلك، فمن المحتمل جدًا أن تكون مصادر انبعاث الأشعة السينية في بعض الأنظمة الثنائية هي الثقوب السوداء ذات الأصل النجمي. يجب أن ينشأ هذا الإشعاع نتيجة لامتصاص الغلاف الجوي لنجم عادي بواسطة مجال الجاذبية لثقب مجاور. عندما يتحرك الغاز نحو أفق الحدث، يصبح ساخنًا جدًا ويطلق كميات من الأشعة السينية. يُعتبر الآن ما لا يقل عن عشرين مصدرًا للأشعة السينية مرشحًا مناسبًا لدور الثقوب السوداء. علاوة على ذلك، تشير الإحصائيات النجمية إلى أنه يوجد في مجرتنا وحدها حوالي عشرة ملايين ثقب من أصل نجمي.
يمكن أن تتشكل الثقوب السوداء أيضًا أثناء تكثيف جاذبية المادة في نوى المجرة. لذلك تنشأ الثقوب العملاقة التي تبلغ كتلتها الملايين والمليارات من الكتل الشمسية، والتي، على الأرجح، موجودة في العديد من المجرات. على ما يبدو، يوجد في وسط مجرة درب التبانة، مخبأة بسحب الغبار، ثقب تبلغ كتلته 3-4 ملايين كتلة شمسية.
توصل ستيفن هوكينج إلى استنتاج مفاده أن الثقوب السوداء ذات الكتلة العشوائية يمكن أن تكون قد ولدت مباشرة بعد الانفجار الكبير، الذي أدى إلى نشوء كوننا. لقد تبخرت بالفعل الثقوب الأولية التي يصل وزنها إلى مليار طن، لكن الثقوب الأثقل لا يزال بإمكانها الاختباء في أعماق الفضاء، وفي الوقت المناسب، تطلق الألعاب النارية الكونية على شكل رشقات نارية قوية من إشعاع جاما. ومع ذلك، لم يتم ملاحظة مثل هذه الانفجارات حتى الآن.
مشاعل قوية
هل من الممكن تسريع الجسيمات في المسرع إلى هذه الطاقة العالية التي يؤدي اصطدامها إلى خلق ثقب أسود؟ للوهلة الأولى، هذه الفكرة مجنونة بكل بساطة - إن انفجار حفرة سيدمر كل أشكال الحياة على الأرض. علاوة على ذلك، فهو غير ممكن من الناحية الفنية. إذا كان الحد الأدنى لكتلة الثقب هو بالفعل 22 ميكروجرامًا، فإنه في وحدات الطاقة يكون 1028 إلكترون فولت. وهذه العتبة أعلى بمقدار 15 مرة من قدرات أقوى مسرع في العالم، وهو مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، الذي من المقرر إطلاقه في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) في عام 2007.
ومع ذلك، فمن الممكن أن يكون التقدير القياسي للحد الأدنى من كتلة الثقب مبالغًا فيه بشكل كبير. على أية حال، هذا ما يقوله الفيزيائيون، وهم يطورون نظرية الأوتار الفائقة، والتي تتضمن النظرية الكمومية للجاذبية (رغم أنها ليست كاملة). ووفقا لهذه النظرية، فإن الفضاء ليس له ثلاثة أبعاد، بل تسعة أبعاد على الأقل. نحن لا نلاحظ أبعادًا إضافية لأنها تتكرر على نطاق صغير جدًا بحيث لا تتمكن أدواتنا من إدراكها. ومع ذلك، فإن الجاذبية موجودة في كل مكان، فهي تخترق الأبعاد الخفية. في الفضاء ثلاثي الأبعاد تتناسب قوة الجاذبية عكسيا مع مربع المسافة، وفي الفضاء التسعة الأبعاد تتناسب مع القوة الثامنة. لذلك، في عالم متعدد الأبعاد، تزداد شدة مجال الجاذبية بشكل أسرع بكثير مع انخفاض المسافة عنها في العالم ثلاثي الأبعاد. في هذه الحالة، يزداد طول بلانك عدة مرات، وتنخفض الكتلة الدنيا للثقب بشكل حاد.
تتنبأ نظرية الأوتار بأن الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته 10 -20 جم فقط يمكن أن يولد في الفضاء ذي الأبعاد التسعة، وهو نفس الرقم المحسوب تقريبًا الكتلة النسبيةتسارعت البروتونات في مسرع سيرن الفائق. ووفقا للسيناريو الأكثر تفاؤلا، فإنه سيكون قادرا على إنتاج ثقب واحد كل ثانية، والذي سيبقى على قيد الحياة لمدة تتراوح بين 10 إلى 26 ثانية. في عملية تبخرها، ستولد جميع أنواع الجزيئات الأولية، والتي لن يكون من الصعب تسجيلها. سيؤدي اختفاء الثقب إلى إطلاق طاقة لا تكفي حتى لتسخين ميكروجرام واحد من الماء بمقدار جزء من الألف من الدرجة. ولذلك، هناك أمل في أن يتحول المصادم LHC إلى مصنع للثقوب السوداء غير الضارة. إذا كانت هذه النماذج صحيحة، فإن الجيل الجديد من أجهزة الكشف عن الأشعة الكونية المدارية ستكون قادرة على اكتشاف مثل هذه الثقوب.
كل ما سبق ينطبق على الثقوب السوداء الثابتة. وفي الوقت نفسه، هناك أيضًا ثقوب دوارة مع باقة الخصائص الأكثر إثارة للاهتمام. نتائج التحليل النظريأدى إشعاع الثقب الأسود أيضًا إلى إعادة التفكير بشكل جدي في مفهوم الإنتروبيا، والذي يستحق أيضًا مناقشة منفصلة. المزيد عن هذا في العدد القادم.
تم طرح فرضية وجود الثقوب السوداء لأول مرة من قبل عالم الفلك الإنجليزي جي ميشيل في عام 1783 على أساس النظرية الجسيميةالضوء ونظرية الجاذبية لنيوتن. في ذلك الوقت، تم ببساطة نسيان نظرية موجة هيغنز ومبدأه الموجي الشهير. لم يتم دعم النظرية الموجية بدعم بعض العلماء الموقرين، ولا سيما الأكاديميين المشهورين في سانت بطرسبرغ إم. لومونوسوف وإل أويلر. إن منطق التفكير الذي قاد ميشيل إلى مفهوم الثقب الأسود بسيط للغاية: إذا كان الضوء يتكون من جسيمات الأثير المضيء، فيجب أن تتعرض هذه الجزيئات، مثل الأجسام الأخرى، للانجذاب من مجال الجاذبية. وبالتالي، كلما كان النجم (أو الكوكب) أكثر ضخامة، كلما زادت جاذبية الجسيمات من جانبه، وزادت صعوبة مغادرة الضوء لسطح مثل هذا الجسم.
مزيد من المنطق يشير إلى أن هذا نجوم ضخمة، والتي لن تتمكن الجسيمات من التغلب على جاذبيتها، وستبدو دائمًا سوداء للمراقب الخارجي، على الرغم من أنها يمكن أن تتوهج بتألق مبهر، مثل الشمس. جسديًا، هذا يعني أن سرعة الإفلات الثانية على سطح مثل هذا النجم يجب أن لا تقل عن سرعة الضوء. تُظهر حسابات ميشيل أن الضوء لن يترك النجم أبدًا إذا كان نصف قطره عند متوسط الكثافة الشمسية يساوي 500 شمسًا. يمكن بالفعل أن يسمى هذا النوع من النجوم بالثقب الأسود.
وبعد 13 عامًا، اكتشف عالم الرياضيات والفلكي الفرنسي ب.س. على الأرجح، أعرب لابلاس، بشكل مستقل عن ميشيل، عن فرضية مماثلة حول وجود مثل هذه الأشياء الغريبة. باستخدام طريقة حسابية مرهقة، وجد لابلاس نصف قطر الكرة بكثافة معينة، والتي تكون سرعة القطع المكافئ على سطحها مساوية لسرعة الضوء. وفقا لابلاس، فإن جسيمات الضوء، كونها جسيمات جاذبة، يجب أن تتأخر بسبب النجوم الضخمة التي ينبعث منها الضوء، والتي لها كثافة تساوي كثافة الأرض، ونصف قطرها أكبر 250 مرة من نصف قطر الشمس.
تم تضمين نظرية لابلاس هذه فقط في الطبعتين الأوليين من حياته. كتاب مشهور"عرض نظام العالم"، نُشر عامي 1796 و1799. نعم، ربما اهتم عالم الفلك النمساوي إف كيه فون زاك بنظرية لابلاس، حيث نشرها عام 1798 تحت عنوان “إثبات نظرية أن قوة الجاذبية لجسم ثقيل يمكن أن تكون كبيرة جدًا بحيث لا يمكن للضوء أن يخرج منها”.
عند هذه النقطة، توقف تاريخ أبحاث الثقب الأسود لأكثر من 100 عام. ويبدو أن لابلاس نفسه تخلى بهدوء عن هذه الفرضية الباهظة، لأنه استبعدها من جميع الطبعات الأخرى لكتابه، الذي نُشر في أعوام 1808 و1813 و1824. ربما لم يرغب لابلاس في تكرار الفرضية الأكثر روعة حول النجوم الضخمة التي لا تطلق الضوء. وربما استوقفته بيانات فلكية جديدة عن ثبات حجم انحراف الضوء في النجوم المختلفة، مما تناقض مع بعض استنتاجات نظريته التي بنى عليها حساباته. لكن السبب الأكثر ترجيحًا لنسيان الجميع للأشياء الافتراضية الغامضة لميشيل لابلاس هو انتصار النظرية الموجية للضوء، والتي بدأت مسيرة انتصارها مع أول ظهور لها. السنوات التاسعة عشرة V.
تم وضع بداية هذا الانتصار من خلال محاضرة بوكر للفيزيائي الإنجليزي ت. يونغ "نظرية الضوء واللون"، التي نُشرت عام 1801، حيث قال يونغ بجرأة، على عكس نيوتن وغيره من المؤيدين المشهورين للنظرية الجسيمية (بما في ذلك لابلاس) ، أوضح جوهر النظرية الموجية للضوء، قائلًا إن الضوء المنبعث يتكون من حركات تشبه موجة الأثير المضيء. بدأ لابلاس، مستوحى من اكتشاف استقطاب الضوء، في "إنقاذ" الجسيمات من خلال بناء نظرية الانكسار المزدوج للضوء في البلورات بناءً على الفعل المزدوج للجزيئات البلورية على الجسيمات الضوئية. لكن الأعمال اللاحقة للفيزيائيين O.Zh. فريسنل، ف.د. أراغون، فراونهوفر وآخرون لم يتركوا حجرًا دون أن يقلبوه من النظرية الجسيمية، التي لم يتم تذكرها بجدية إلا بعد قرن من الزمان، بعد اكتشاف الكوانتا. كل المناقشات حول الثقوب السوداء في إطار النظرية الموجية للضوء بدت سخيفة في ذلك الوقت.
ولم يتذكروا على الفور الثقوب السوداء حتى بعد "إعادة تأهيل" النظرية الجسيمية للضوء، عندما بدأوا الحديث عنها بمستوى نوعي جديد بفضل فرضية الكم (1900) والفوتونات (1905). ولم يتم اكتشاف الثقوب السوداء للمرة الثانية إلا بعد إنشاء النسبية العامة في عام 1916، عندما استخدمها عالم الفيزياء النظرية والفلكي الألماني ك. شوارزشيلد، بعد أشهر قليلة من نشر معادلات أينشتاين، لدراسة بنية الزمكان المنحني. في محيط الشمس. وانتهى به الأمر إلى إعادة اكتشاف ظاهرة الثقوب السوداء، ولكن على مستوى أعمق.
أخير الاكتشاف النظريتم اكتشاف الثقوب السوداء في عام 1939، عندما قدم أوبنهايمر وسنايدر أول حل صريح لمعادلات أينشتاين لوصف تكوين ثقب أسود من سحابة من الغبار المنهارة. تم إدخال مصطلح "الثقب الأسود" نفسه لأول مرة في العلوم من قبل الفيزيائي الأمريكي ج. ويلر في عام 1968، خلال سنوات الانتعاش السريع للاهتمام في النسبية العامة وعلم الكون والفيزياء الفلكية، الناجم عن إنجازات خارج الغلاف الجوي (على وجه الخصوص، الأشعة السينية) علم الفلك، واكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والنجوم النابضة والكوازارات.
« يمكن أن يكون الخيال العلمي مفيدًا، فهو يحفز الخيال ويخفف الخوف من المستقبل. لكن حقائق علميةقد يكون أكثر مذهلة. لم يتخيل الخيال العلمي أبدًا وجود أشياء مثل الثقوب السوداء»
ستيفن هوكينج
في أعماق الكون أسرار وأسرار لا تعد ولا تحصى مخفية للإنسان. إحداها هي الثقوب السوداء، وهي أجسام لا يستطيع حتى الناس فهمها. أعظم العقولالإنسانية. يحاول المئات من علماء الفيزياء الفلكية الكشف عن طبيعة الثقوب السوداء، ولكن في هذه المرحلةولم نثبت وجودها عمليا بعد.
مخرجو السينما يهديون أفلامهم لهم، ومن بينهم الناس العاديينأصبحت الثقوب السوداء ظاهرة مميزة لدرجة أنها تم تحديدها مع نهاية العالم والموت الوشيك. إنهم مخيفون ومكروهون، ولكن في نفس الوقت يتم تعبدهم وعبادتهم من قبل المجهول الذي تخفيه هذه الأجزاء الغريبة من الكون داخل نفسها. أوافق على أن ابتلاع الثقب الأسود هو أمر رومانسي. بمساعدتهم، يكون ذلك ممكنًا، ويمكنهم أيضًا أن يصبحوا مرشدين لنا.
غالبًا ما تتكهن الصحافة الصفراء بشعبية الثقوب السوداء. إن العثور على عناوين رئيسية في الصحف تتعلق بنهاية العالم بسبب اصطدام آخر بثقب أسود هائل لا يمثل مشكلة. والأسوأ من ذلك بكثير هو أن الجزء الأمي من السكان يأخذ كل شيء على محمل الجد ويثير ذعرًا حقيقيًا. ولإضفاء بعض الوضوح، سنأخذ رحلة إلى أصول اكتشاف الثقوب السوداء ونحاول فهم ماهيتها وكيفية التعامل معها.
نجوم غير مرئية
لقد حدث ذلك علماء الفيزياء الحديثةوصف بنية كوننا باستخدام النظرية النسبية، التي قدمها أينشتاين بعناية للبشرية في بداية القرن العشرين. وتصبح الثقوب السوداء أكثر غموضا، حيث تتوقف في أفق الحدث جميع قوانين الفيزياء المعروفة لنا، بما في ذلك نظرية أينشتاين، عن التطبيق. أليس هذا رائعا؟ بالإضافة إلى ذلك، تم التعبير عن التخمين حول وجود الثقوب السوداء قبل وقت طويل من ولادة أينشتاين نفسه.
في عام 1783 كانت هناك زيادة كبيرة في النشاط العلمي في إنجلترا. في تلك الأيام، كان العلم يسير جنبًا إلى جنب مع الدين، وكانا ينسجمان معًا بشكل جيد، ولم يعد العلماء يعتبرون زنادقة. علاوة على ذلك، شارك الكهنة في البحث العلمي. وكان أحد خدام الله هؤلاء هو القس الإنجليزي جون ميشيل، الذي لم يتساءل فقط عن مسائل الوجود، بل أيضًا عن مسائل الوجود تمامًا. المهام العلمية. كان ميشيل عالما عنوانا للغاية: في البداية كان مدرسا للرياضيات واللغويات القديمة في إحدى الكليات، وبعد ذلك تم قبوله في الجمعية الملكية في لندن لعدد من الاكتشافات.
درس جون ميشيل علم الزلازل، لكنه كان يحب في أوقات فراغه التفكير في الأبدية والكون. لذلك توصل إلى فكرة أنه في مكان ما في أعماق الكون يمكن أن تكون هناك أجسام فائقة الكتلة ذات جاذبية قوية لدرجة أنه من أجل التغلب على قوة الجاذبية لمثل هذا الجسم، من الضروري التحرك بسرعة تساوي أو أعلى من سرعة الجاذبية. سرعة الضوء. إذا قبلنا هذه النظرية على أنها صحيحة، فقم بتطوير نظرية ثانية سرعة الهروب(السرعة المطلوبة للتغلب عليها جاذبية الجاذبيةمغادرة الجسم) حتى الضوء لن يتمكن من ذلك، لذلك سيبقى مثل هذا الجسم غير مرئي للعين المجردة.
لي نظرية جديدةأطلق عليها ميشيل اسم "النجوم المظلمة" وحاول في نفس الوقت حساب كتلة هذه الأجسام. وأعرب عن أفكاره بشأن هذا الأمر في رسالة مفتوحة إلى لندن المجتمع الملكي. لسوء الحظ، في تلك الأيام، لم تكن مثل هذه الأبحاث ذات قيمة خاصة للعلوم، لذلك تم إرسال رسالة ميشيل إلى الأرشيف. وبعد مائتي عام فقط، في النصف الثاني من القرن العشرين، تم اكتشافه من بين آلاف السجلات الأخرى المخزنة بعناية في المكتبة القديمة.
أول دليل علمي على وجود الثقوب السوداء
بعد الافراج النظرية العامةظهرت النسبية لأينشتاين إلى النور، وتناول علماء الرياضيات والفيزياء بجدية حل المعادلات التي قدمها العالم الألماني، والتي كان من المفترض أن تخبرنا بالكثير من الأشياء الجديدة حول بنية الكون. قرر عالم الفلك والفيزيائي الألماني كارل شوارزشيلد أن يفعل الشيء نفسه في عام 1916.
توصل العالم باستخدام حساباته إلى استنتاج مفاده أن وجود الثقوب السوداء ممكن. كما كان أول من وصف ما سمي فيما بعد بالعبارة الرومانسية "أفق الحدث" - الحدود الخيالية للزمكان عند الثقب الأسود، وبعد عبورها توجد نقطة اللاعودة. لن يهرب أي شيء من أفق الحدث، ولا حتى الضوء. ما وراء أفق الحدث يحدث ما يسمى بـ "التفرد"، حيث تتوقف قوانين الفيزياء المعروفة لدينا عن التطبيق.
من خلال الاستمرار في تطوير نظريته وحل المعادلات، اكتشف شوارزشيلد أسرارًا جديدة للثقوب السوداء لنفسه وللعالم. وهكذا تمكن، على الورق فقط، من حساب المسافة من مركز الثقب الأسود، حيث تتركز كتلته، إلى أفق الحدث. هذه المسافةأطلق عليه شوارزشيلد اسم نصف قطر الجاذبية.
على الرغم من حقيقة أن حلول شوارزشيلد من الناحية الرياضية كانت صحيحة للغاية ولا يمكن دحضها، إلا أن المجتمع العلمي في أوائل القرن العشرين لم يتمكن من قبول مثل هذا الاكتشاف الصادم على الفور، وتم شطب وجود الثقوب السوداء باعتباره خيالًا ظهر كل عام. بين الحين والآخر في النظرية النسبية. وعلى مدى العقد ونصف العقد التاليين، كان استكشاف الفضاء لوجود الثقوب السوداء بطيئًا، ولم يشارك فيه سوى عدد قليل من أتباع نظرية الفيزيائي الألماني.
النجوم تلد الظلام
بعد أن تم فرز معادلات أينشتاين إلى أجزاء، حان الوقت لاستخدام الاستنتاجات المستخلصة لفهم بنية الكون. على وجه الخصوص، في نظرية التطور النجمي. ليس سرا أنه في عالمنا لا شيء يدوم إلى الأبد. حتى النجوم لها دورة حياتها الخاصة، وإن كانت أطول من دورة حياة الإنسان.
كان أحد أوائل العلماء الذين أبدوا اهتمامًا جديًا بتطور النجوم هو عالم الفيزياء الفلكية الشاب سوبرامانيان شاندراسيخار، وهو مواطن هندي. في عام 1930 أطلق سراحه العمل العلميالذي وصف المفترض الهيكل الداخليالنجوم ودورة حياتها.
بالفعل في بداية القرن العشرين، خمن العلماء حول هذه الظاهرة مثل ضغط الجاذبية(انهيار الجاذبية). في مرحلة معينة من حياته، يبدأ النجم بالانكماش بسرعة هائلة تحت تأثير قوى الجاذبية. كقاعدة عامة، يحدث هذا في وقت وفاة النجم، ولكن أثناء انهيار الجاذبية هناك عدة طرق لمزيد من وجود كرة ساخنة.
افترض المستشار العلمي لشاندراسيخار، رالف فاولر، وهو فيزيائي نظري محترم في عصره، أنه أثناء انهيار الجاذبية يتحول أي نجم إلى نجم أصغر وأكثر سخونة - قزم أبيض. لكن تبين أن الطالب «أبطل» نظرية المعلم التي كان يتبناها معظم علماء الفيزياء في بداية القرن الماضي. وفقا لعمل شاب هندي، فإن زوال النجم يعتمد على كتلته الأولية. على سبيل المثال، فقط تلك النجوم التي لا تتجاوز كتلتها 1.44 مرة كتلة الشمس يمكن أن تصبح أقزامًا بيضاء. كان هذا الرقم يسمى حد شاندراسيخار. إذا تجاوزت كتلة النجم هذا الحد، فإنه يموت بطريقة مختلفة تماما. في ظل ظروف معينة، يمكن أن يولد مثل هذا النجم في لحظة الموت من جديد إلى نجم نيوتروني جديد - وهو لغز آخر للكون الحديث. تخبرنا النظرية النسبية بخيار آخر، وهو ضغط النجم إلى قيم صغيرة للغاية، وهنا تبدأ المتعة.
في عام 1932 ظهر مقال في إحدى المجلات العلمية فيه فيزيائي عبقرياقترح ليف لانداو من اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية أنه أثناء الانهيار يتم ضغط نجم فائق الكتلة إلى نقطة ذات نصف قطر متناهٍ في الصغر وكتلة لا نهائية. على الرغم من أنه من الصعب جدًا تخيل مثل هذا الحدث من وجهة نظر شخص غير مستعدلم يكن لانداو بعيدًا عن الحقيقة. واقترح الفيزيائي أيضًا أنه وفقًا للنظرية النسبية، ستكون الجاذبية عند هذه النقطة كبيرة جدًا لدرجة أنها ستبدأ في تشويه الزمكان.
أحب علماء الفيزياء الفلكية نظرية لانداو، واستمروا في تطويرها. في عام 1939، في أمريكا، وبفضل جهود اثنين من الفيزيائيين - روبرت أوبنهايمر وهارتلاند سنايدر - ظهرت نظرية تصف بالتفصيل النجم الهائل وقت الانهيار. ونتيجة لهذا الحدث، كان من المفترض أن يظهر ثقب أسود حقيقي. وعلى الرغم من إقناع الحجج، استمر العلماء في إنكار إمكانية وجود مثل هذه الأجسام، وكذلك تحول النجوم إليها. حتى أينشتاين نأى بنفسه عن هذه الفكرة، معتقدًا أن النجم غير قادر على مثل هذه التحولات الهائلة. ولم يبخل فيزيائيون آخرون في تصريحاتهم، واصفين احتمال وقوع مثل هذه الأحداث بأنه أمر سخيف.
ومع ذلك، فإن العلم يصل دائمًا إلى الحقيقة، ما عليك سوى الانتظار قليلاً. وهكذا حدث.
ألمع الأجسام في الكون
عالمنا عبارة عن مجموعة من المفارقات. أحياناً تتعايش فيه أشياء، تعايشها يتحدى أي منطق. على سبيل المثال، لن يرتبط مصطلح "الثقب الأسود" من قبل شخص عادي بعبارة "مشرق بشكل لا يصدق"، ولكن الاكتشاف في أوائل الستينيات من القرن الماضي سمح للعلماء باعتبار هذا البيان غير صحيح.
وبمساعدة التلسكوبات، تمكن علماء الفيزياء الفلكية من اكتشاف أجسام غير معروفة حتى الآن في السماء المرصعة بالنجوم، والتي تتصرف بشكل غريب للغاية على الرغم من أنها تبدو وكأنها نجوم عادية. أثناء دراسة هذه النجوم الغريبة، لفت العالم الأمريكي مارتن شميدت الانتباه إلى تحليلها الطيفي، الذي أظهرت بياناته نتائج مختلفة عن مسح النجوم الأخرى. ببساطة، هؤلاء النجوم لم يكونوا مثل الآخرين الذين اعتدنا عليهم.
وفجأة بزغ فجر شميدت، ولاحظ تحولا في الطيف في النطاق الأحمر. اتضح أن هذه الأشياء أبعد بكثير عنا من النجوم التي اعتدنا على مراقبتها في السماء. على سبيل المثال، كان الجسم الذي لاحظه شميدت يقع على بعد مليارين ونصف مليار سنة ضوئية من كوكبنا، ولكنه كان يلمع بسطوع نجم يبعد عنا حوالي مائة سنة ضوئية. وتبين أن الضوء المنبعث من أحد هذه الأجسام يمكن مقارنته بسطوع مجرة بأكملها. وكان هذا الاكتشاف طفرة حقيقية في الفيزياء الفلكية. أطلق العالم على هذه الأجسام اسم "شبه نجمي" أو ببساطة "كوازار".
واصل مارتن شميدت دراسة الأجسام الجديدة ووجد أن مثل هذا التوهج الساطع لا يمكن أن يحدث إلا لسبب واحد - وهو التراكم. التراكم هو عملية امتصاص المادة المحيطة بواسطة جسم فائق الكتلة باستخدام الجاذبية. توصل العالم إلى استنتاج مفاده أنه يوجد في مركز النجوم الزائفة ثقب أسود ضخم يجذب المادة المحيطة به إلى الفضاء بقوة لا تصدق. في عملية امتصاص المادة عن طريق الثقب، تتسارع الجسيمات إلى سرعات هائلةوتبدأ في التوهج. يسمى نوع من القبة المضيئة حول الثقب الأسود بالقرص التراكمي. وقد تم توضيح تصوره بشكل جيد في فيلم كريستوفر نولان Interstellar، والذي أثار العديد من الأسئلة: "كيف يمكن للثقب الأسود أن يتوهج؟"
حتى الآن، وجد العلماء بالفعل الآلاف من النجوم الزائفة في السماء المرصعة بالنجوم. هذه غريبة لا تصدق كائنات مشرقةتسمى منارات الكون. إنها تسمح لنا بتخيل بنية الكون بشكل أفضل قليلاً والاقتراب من اللحظة التي بدأ منها كل شيء.
على الرغم من أن علماء الفيزياء الفلكية كانوا يتلقون أدلة غير مباشرة لسنوات عديدة على وجود أجسام غير مرئية فائقة الكتلة في الكون، إلا أن مصطلح "الثقب الأسود" لم يكن موجودًا حتى عام 1967. لتجنب أسماء معقدةاقترح الفيزيائي الأمريكي جون أرشيبالد ويلر تسمية مثل هذه الأجسام بـ "الثقوب السوداء". ولم لا؟ إلى حد ما هم أسود، لأننا لا نستطيع رؤيتهم. علاوة على ذلك، فهي تجذب كل شيء، ويمكنك الوقوع فيها، تمامًا كما لو كنت في حفرة حقيقية. نعم، والخروج من هذا المكان وفقا ل القوانين الحديثةالفيزياء ببساطة مستحيلة. ومع ذلك، يدعي ستيفن هوكينج أنه عند السفر عبر الثقب الأسود يمكنك الوصول إلى كون آخر، عالم آخر، وهذا هو الأمل.
الخوف من اللانهاية
وبسبب الغموض المفرط والرومانسية التي تحيط بالثقوب السوداء، أصبحت هذه الأجسام قصة رعب حقيقية بين الناس. تحب الصحافة الشعبية التكهن بأمية السكان، وتنشر قصصًا مذهلة حول كيفية تحرك ثقب أسود ضخم نحو أرضنا، والذي سوف يلتهم النظام الشمسي في غضون ساعات، أو ببساطة ينبعث موجات من الغاز السام نحو كوكبنا .
يحظى موضوع تدمير الكوكب بمساعدة مصادم الهادرونات الكبير، الذي تم بناؤه في أوروبا عام 2006 على أراضي المجلس الأوروبي للأبحاث النووية (CERN)، بشعبية خاصة. بدأت موجة من الذعر لشخص ما نكتة غبيةومع ذلك، فقد نمت مثل كرة الثلج. أطلق أحدهم شائعة مفادها أنه يمكن أن يتشكل ثقب أسود في مسرع الجسيمات في المصادم، مما قد يبتلع كوكبنا بالكامل. بالطبع، بدأ الأشخاص الساخطون في المطالبة بحظر التجارب في LHC، خوفا من نتيجة الأحداث هذه. وبدأت المحكمة الأوروبية في تلقي دعاوى قضائية تطالب بإغلاق المصادم ومعاقبة العلماء الذين صنعوه إلى أقصى حد يسمح به القانون.
في الواقع، لا ينكر الفيزيائيون أنه عندما تصطدم الجسيمات في مصادم الهادرونات الكبير، يمكن أن تنشأ أجسام مشابهة في خصائصها للثقوب السوداء، لكن حجمها يكون على مستوى حجم الجسيمات الأولية، وتوجد مثل هذه "الثقوب" لمثل هذا وقت قصير لدرجة أننا لا نستطيع حتى تسجيل حدوثها.
أحد الخبراء الرئيسيين الذين يحاولون تبديد موجة الجهل أمام الناس هو ستيفن هوكينج، عالم الفيزياء النظرية الشهير، والذي يعتبر أيضًا "معلمًا" حقيقيًا فيما يتعلق بالثقوب السوداء. وأثبت هوكينج أن الثقوب السوداء لا تمتص دائمًا الضوء الذي يظهر في الأقراص التراكمية، كما أن بعضًا منه ينتشر في الفضاء. وكانت هذه الظاهرة تسمى إشعاع هوكينج، أو تبخر الثقب الأسود. كما أنشأ هوكينج علاقة بين حجم الثقب الأسود ومعدل "تبخره" - فكلما كان أصغر، قل وجوده بمرور الوقت. وهذا يعني أن جميع معارضي مصادم الهادرونات الكبير لا ينبغي أن يقلقوا: فالثقوب السوداء الموجودة فيه لن تكون قادرة على البقاء ولو لجزء من المليون من الثانية.
نظرية لم تثبت في الممارسة العملية
ولسوء الحظ، فإن التكنولوجيا البشرية في هذه المرحلة من التطور لا تسمح لنا باختبار معظم النظريات التي طورها علماء الفيزياء الفلكية وغيرهم من العلماء. فمن ناحية، تم إثبات وجود الثقوب السوداء بشكل مقنع تمامًا على الورق، وتم استخلاصه باستخدام صيغ يتناسب فيها كل شيء مع كل متغير. من ناحية أخرى، من الناحية العملية، لم نتمكن بعد من رؤية ثقب أسود حقيقي بأعيننا.
ورغم كل الخلافات، يشير الفيزيائيون إلى أنه يوجد في وسط كل مجرة ثقب أسود هائل، يجمع النجوم في مجموعات بجاذبيتها ويجبرها على السفر حول الكون في صحبة كبيرة وودية. في مجرتنا درب التبانةوفقا لتقديرات مختلفة، هناك من 200 إلى 400 مليار نجم. تدور كل هذه النجوم حول شيء له كتلة هائلة، وهو شيء لا يمكننا رؤيته بالتلسكوب. وهو على الأرجح ثقب أسود. هل يجب أن نخاف منها؟ - لا، على الأقل ليس في المليارات القليلة القادمة من السنين، ولكن يمكننا أن نصنع فيلمًا آخر مثيرًا للاهتمام حول هذا الموضوع.