الفلك

هل تتنبأ النسبية العامة بالثقوب السوداء حقًا؟

هل تتنبأ النسبية العامة بالثقوب السوداء حقًا؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أقوم ببعض الأبحاث حول الثقوب السوداء لمسابقة فيديو علمية. أريد أن أشرح فيزياء كيفية عملها ، لكني أريد أيضًا أن أحصل على القليل من الخلفية حول كيفية تشكلها. بقدر ما بحثت ، يتم توقع الثقوب السوداء من خلال النسبية العامة (GR). لكنني رأيت هذا الموقع الذي قال إن "النسبية العامة غير دقيقة في أحجام صغيرة جدًا" وأنه ينحرف نوعًا عن GR. لذلك أريد أن أؤكد ما إذا كانت الثقوب السوداء هي في الحقيقة تنبؤ للموارد الجينية أو تناقض مع GR. هل يمكن لاحد المساعدة رجاءا؟ شكرا.


حسنًا ، نعم ، لكن يجب أن نكون حذرين مع معنى "التنبؤ".

حل شوارزشيلد ، الذي طوره كارل شوارزشيلد في عام 1916 [1] ، هو أول حل مغلق وصريح لمعادلات مجال آينشتاين للجاذبية. وهو يصف زمكان فراغ متماثل كرويًا وثابتًا. يصبح الحل منفردًا في دائرة نصف قطرها محددة (نصف قطر شوارزشيلد). في حدود المجال الضعيف ، يكرر بشكل صحيح مجال الجاذبية النيوتوني لجسم مضغوط.

على الرغم من أن نظرية بيركوف (نسخة النسبية العامة لنظرية الصدفة) لم تكن معروفة بعد في عام 1916 ، إلا أن حل شوارزشيلد تم التعرف عليه باعتباره الوصف النسبي العام لحقل الجاذبية خارج جسم الجاذبية المضغوط. تم تجاهل حقيقة أنها أصبحت مفردة في نصف قطر Schwarzschild أو تم اعتبارها تشير إلى أن الأشياء الصغيرة مثل أو أصغر من هذا الشعاع لا يمكن أن توجد.

على أي حال ، لمجرد وجود حل في النسبية العامة لا يعني أن الأشياء الموصوفة بهذا الحل موجودة في الطبيعة. (على سبيل المثال ، تعترف معادلات المجال بالحلول التي تنتهك السببية بشكل صارخ ؛ ومع ذلك لا أرى أي آلات زمنية هناك.) على الرغم من كل ما عرفوه ، لم يكن حل شوارزشيلد أكثر من فضول رياضي ، حالة مثالية لا تصف الواقع .

لهذا السبب ، أقترح أن الورقة البحثية الأكثر ريادة هي تلك التي كتبها أوبنهايمر وسنايدر من عام 1939 [2]. يوضح هذا البحث أن السحابة الكروية من الغبار التي تكون في حالة سكون في البداية ستخضع لـ "تقلص جاذبية مستمر". إن المراقب الذي يسقط مع المادة المنهارة سيشهد انهيارًا كاملاً في فترة زمنية محدودة ، ولكن بالنسبة لمراقب بعيد ، سيستمر الانهيار إلى الأبد ، حيث يقترب الجسم من نصف قطر شوارزشيلد ، ولكنه لا يصل أبدًا. وفي عام 1957 ، أعتقد أن Regge و Wheeler قد أثبتا لأول مرة أن تفرّد Schwarzschild يكون مستقرًا في ظل الاضطرابات الصغيرة [3] ، أي أن التناسق التام غير مطلوب. (كان ويلر ، بالطبع ، أول من نشر اسم "الثقب الأسود".)

أخيرًا ، كما تم تذكيرنا في أحد التعليقات ، يجب ألا ننسى نظرية التفرُّد التي وضعها بنروز في عام 1965 [4] ، والتي تقدم مفهوم السطح المحاصر وتُظهر أن الانهيار التثاقلي هو بالفعل سمة عامة جدًا للنسبية العامة. بعد كل شيء ، هذه هي النتيجة التي حصلت بنروز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2020.

في ضوء ذلك ، أعتقد أنه يمكننا أن نقول بثقة أن النسبية العامة تتنبأ بالثقوب السوداء ، ولكن فقط لأننا نعلم ليس فقط أن حلول الثقوب السوداء موجودة ، ولكن أيضًا أن تكوينات المادة التي يمكن تحقيقها ماديًا يمكن أن تنهار إلى ثقوب سوداء (أو في نفس الوقت). على الأقل ، بالنسبة للأجسام التي لا يمكن تمييزها من الناحية الملاحظة عن الثقوب السوداء ، والتي قد تتبخر بالطبع في أطر زمنية طويلة للغاية ولكنها محدودة بسبب إشعاع هوكينغ [5]) وأن الحلول مستقرة في ظل الاضطرابات الصغيرة ، أي التناظر التام ليس شرطًا أساسيًا.


[1] https://arxiv.org/abs/physics/9905030

[2] https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.56.455

[3] https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.108.1063

[4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.14.57

[5] https://www.nature.com/articles/248030a0


يُعرَّف الثقب الأسود بأنه شيء له أفق حدث. تتنبأ النسبية العامة بإمكانية تكوين الثقوب السوداء كمنتج نهائي لتطور النجوم.

لكنني رأيت هذا الموقع الذي قال إن "النسبية العامة غير دقيقة في أحجام صغيرة جدًا" وأنه ينحرف نوعًا عن GR.

هذا عن التفرد. ما إذا كان هناك تفرد أيضًا هو مسألة منفصلة. تضمن نظرية تفرد بنروز أنه ، في GR ، هناك تفرد. ومع ذلك ، يفسر كثير من الناس وجود التفرد على أنه دليل على انهيار الموارد الوراثية.

علم الفلك الرصدي للثقوب السوداء ناضج نوعًا ما في هذه المرحلة:

https://en.wikipedia.org/wiki/Event_Horizon_Telescope

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave

ليس هناك شك حقيقي في وجود الثقوب السوداء وأن وصف GR لها بمقاييس تبلغ حوالي كيلومتر واحد جيد جدًا.


يجدر توخي الحذر بشأن الثقوب السوداء ، لأنه من الشائع اختلاط بعض النقاط أو التغاضي عنها.

لذا سأتناول سؤالك في أجزاء قليلة - أ الخطوط العريضة لمساعدتك في الحصول على الأساسيات بشكل صحيح ، فهناك بعض الأشياء الشائعة "الميزات"غالبًا ما يتم وصفه بشكل خاطئ أو يساء فهمه ، فما هو هذا بالضبط وتوقع حسب الموارد الوراثية وما يعنيه ذلك ، وأخيرًا ، كيف يتشكلون.

المخطط الأساسي للثقوب السوداء

تتنبأ النسبية العامة بهذه المسألة (من الناحية الفنية مادة / طاقة: بسبب ه = مك2 هم نفس الشيء) يشوه الزمكان. إذا كان هناك ما يكفي من المادة في منطقة صغيرة بما يكفي من الفضاء ، فإنها تشوه الزمكان لدرجة أن جميع العقود الآجلة في تلك المنطقة تشير إلى الداخل. ما يعنيه ذلك هو أن أي شيء في تلك المنطقة من الفضاء - سواء كانت المادة الإجمالية ، أو الضوء (الفوتونات) ، أو أي شيء آخر ، لن يكون قادرًا على تجنب أن يكون مستقبله أقرب إلى "مركز" تلك المنطقة. ولهذا السبب لا يمكن للضوء والمادة الهروب ، ومن ثم لماذا "أسود".

حتى الآن ، هذا هو أ تنبؤ النسبية العامة (GR).

هناك ثلاث سمات فيزيائية رئيسية للثقب الأسود جديرة بالملاحظة في هذه المرحلة.

  • تُعرف حدود الفضاء التي تشير جميع العقود الآجلة من خلالها إلى الداخل ولا يمكن لأي شيء الهروب منها باسم أفق الحدث. لأنه مثل الأفق ، لا يمكننا رؤية الأحداث وراءه.
    لكي نكون واضحين ، لا يوجد شيء مادي في أفق الحدث ، إنه يشبه إلى حد ما حدود بلد ما ، يمكنك عبوره دون أن تدرك.
  • في مكان ما في مركز تلك المنطقة ، توجد نقطة (أو في بعض النظريات ، الخط ، إلخ) من الفضاء الذي يتجه كل شيء نحوه: مركز الجاذبية. GR يتوقع أن هذا هو التفرد - نقطة حجمها صفر. لكننا لا نعرف في الواقع ما إذا كان هذا صحيحًا ، فربما تمنع التأثيرات الكمومية حدوث ذلك ولا يصل مركز الثقب الأسود إلى حجم الصفر حرفيًا ، وربما يكون له حجم صغير على مقياس كمي / بلانك. نحن فقط لا نعرف.
  • نظرًا لأن لا شيء يمكن أن يهرب ، فإن الثقوب السوداء لديها القليل جدًا للتمييز بينها. النظرية تقول ذلك الخصائص الوحيدة للثقب الأسود التي تتيح لنا (من الخارج) التمييز بينها، هي كتلتها ودورانها وشحنتها. مرة أخرى ، نحن نؤمن بهذا حاليًا ولكننا لا نعرف ذلك بنسبة 100٪.

عندما نشير إلى الثقب الأسود ، فإننا نعني عادةً منطقة الفضاء التي يكون أفق الحدث حدًا لها.

السلوكيات والميزات الرئيسية الأخرى التي توقعنا مراقبتها

من الجدير ذكر سوء فهم شائع ، وهو أن أفق الحدث هو المكان الذي تصبح فيه الجاذبية غير محدودة. إنه ليس كذلك. أفق الحدث هو حدود منطقة في الفضاء ، حيث تصبح الجاذبية مكثفة بما فيه الكفاية أنه لا شيء يمكن أن ينتقل من داخله إلى الخارج ، وأي شيء بداخله يمكنه فقط السفر "للداخل أكثر" في المستقبل. إذا كان الثقب الأسود هائلاً ، فمن الناحية النظرية ، يمكن أن يكون أفق الحدث بعيدًا جدًا عن التفرد (أو أي شيء في المركز) ، فإن الجاذبية في أفق الحدث شديدة ولكنها ليست كافية لتمزيقك ، لذلك لا يمكنك لاحظ عند عبوره. أو على الأقل لن يكون هناك جسيم أو جزيء أصغر - ربما تكون أكبر!

من الخارج ، عندما نشاهد كائنًا يقترب من أفق الحدث ، يبدو مختلفًا تمامًا. يجد الضوء صعوبة أكبر في الهروب منه ، وهو في الواقع يتباطأ بشكل أبطأ وأبطأ. نظرًا لأنه يتباطأ ، فإنه ينزاح أيضًا إلى الأحمر - وهذا لا يعني حرفيًا اللون الأحمر ، فهذا يعني أنه مهما كان طول الموجة ، يصبح طول الموجة أطول وأطول ، لذلك يمكن أن ينتقل إلى الأحمر إلى الموجات الدقيقة وموجات الراديو وما إلى ذلك. وأقوى ، يتباطأ الضوء أكثر فأكثر ، ويصبح طول موجي أطول وأطول ... لذلك يبدو لنا أن الوقت قد تجمد. نرى الجسم يقترب أكثر فأكثر من أفق الحدث ، ويصبح باهتًا وخافتًا ، لكننا لا نراه يتجاوز أفق الحدث أبدًا. يبدو أنه مجرد تجميد يتحرك أبطأ إلى الأبد. هذا وهم. يمر الجسم بأفق الحدث دون أن يلاحظ بالضرورة أي شيء غير عادي في تلك النقطة في الفضاء ، ويستمر في التحرك / التسارع إلى الداخل داخل الثقب الأسود ، تمامًا مثل أي جسم يسقط بحرية في مجال جاذبية مكثف. لكننا من الخارج لا نرى هذا الجزء أبدًا.

إذا كان التفرد هو في الواقع تفرد، تتوقع GR أنه لن يكون مرئيًا / قابل للاكتشاف أبدًا لأي شخص ، لأنه دائمًا ما يكون فقط في المستقبل لأغراض الضوء والرؤية أينما كنت في الثقب الأسود (من الناحية الفنية ، سيكون فقط في مخروط الضوء المستقبلي لجميع النقاط ، لذلك لا يمكن لأي إشارات أن تصل إلى أي مراقب منه ، مهما كان قريبًا). لذا فأنت لا تعرف حتى أنك تصل إلى هناك حتى تفعل ذلك. في الواقع ، من الناحية الفنية ، ليس من الصحيح حتى تسميتها نقطة - إنها أشبه بفجوة حجم متناهية الصغر أو صفرية في هندسة الزمكان ، إذا كانت GR صحيحة. (هذه الفقرة بفضل PM 2Ring ، انظر التعليقات)

إذا بقيت على قيد الحياة لفترة كافية للنظر حولك ، بعد عبور أفق الحدث ، ستلاحظ بعض الأشياء الغريبة الأخرى. ستلاحظ أن أفق الحدث لا يزال يبدو أمامك. هذا لأنه حتى في أفق الحدث ، الضوء ما يزال لا يمكن الهروب إلى الخارج (كل مستقبل الفوتون يتجه نحو الداخل ، مثل مستقبلك). لذا فإن نفس التأثير الذي منعك من رؤية الأشياء خارج أفق الحدث من قبل ، يمنعك من رؤية الأشياء أمامك الآن ، حتى عندما تكون داخل أفق الحدث. تأثير آخر هو ، أنه لا يمكنك تجنب التفرد ، والزمكان مشوه للغاية ، بحيث تكون التفرد في الواقع في أي / كل اتجاه بالنسبة لك ، أينما كنت. كل اتجاه تذهب إليه ، أو تحاول التحرك فيه ، يجعلك أقرب إليه. مهما حاولت التحرك ، مهما كان الاتجاه ، مهما كانت السرعة ، سوف ينتهي بك الأمر هناك في فترة زمنية محدودة. ولكن كل شيء العقود الآجلة موجهة نحو الداخل ، فلن تعرف أنك هناك حتى تكون في الواقع (لأن الإشارات لا يمكنها الوصول إليك من هناك).

وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن الثقوب السوداء يمكن أن تفقد طاقتها ("إشعاع هوكينغ"). يمكن أن تكون هذه عملية wwwww بطيئة للغاية ، والتي يمكن أن تستغرق تريليونات من السنين بالنسبة للثقوب السوداء الكبيرة (إنها سريعة جدًا بالنسبة للثقوب السوداء ذات الحجم المجهري). لكن الطاقة لا تتسرب من داخل أفق الحدث مهما كان يبدو. في الواقع ، وصفها ببساطة ، على مقياس كمي ، قريب جدًا من أفق الحدث ، يمكن للجاذبية أن تتسبب في عبور الطاقة السالبة لأفق الحدث من الخارج ، تاركة ما يبدو لنا كطاقة إيجابية عادةً في شكل فوتون يسافر بعيدًا عن أفق الحدث. لذلك يبدو أن الثقب الأسود فقد الكتلة / الطاقة ، وأصدر إشعاعات. لكن لا شيء ينتقل من الداخل إلى الخارج في الواقع.

تنبؤات النسبية العامة

حتى الآن ، هذه هي التفاهمات التي لدينا ، وهي في الغالب كذلك تنبؤات من صنع GR. بهذا ، نعني ، عندما نحل معادلات GR ونحاول تفسير النتائج ، يبدو أن هذا ما يقولونه قد نتوقعه.

ليس من السهل حل معادلات GR للثقب الأسود في معظم الحالات ، لكن بعض الحالات البسيطة لديها حلول معروفة - أحيانًا حلول دقيقة. (بسبب تعقيدها لا نعرف الحلول الدقيقة في جميع الحالات).

حقيقة أن الموارد الوراثية تتنبأ بالأشياء لا تعني أن هذه الأشياء موجودة بالفعل. يمكن أن تحتوي المعادلات على حلول تتوافق مع الأشياء الموجودة بالفعل ، والأشياء غير الموجودة بالفعل (مهما كانت الوسائل الحقيقية!). على سبيل المثال ، إذا كانت مساحة المربع 4 ، فما هي أضلاعه؟ معادلة يقول أن هناك احتمالين: للمربع جوانب -2 أو +2. لكن واحدًا فقط من هؤلاء موجود بالفعل ، لا يوجد واحد.

باختصار ، يمكن لنظرية مثل GR توقع إمكانية وجود شيء ما ، وذلك إذا كان موجودًا ، فيجب أن يتصرف بطرق محددة.

نتحقق من تلك المطابقة مع ملاحظاتنا ، لنرى ما إذا كانت نظريتنا تبدو أنها تصمد ، ولمساعدتنا في تطوير النظرية بشكل أكبر. إذا لم تتطابق ، فقد يعني ذلك أن ملاحظاتنا كانت خاطئة ، أو أننا نسينا تضمين شيء ما ، أو أن النظرية غير كاملة / خاطئة.

لذا على الرغم من أن الموارد الوراثية تتنبأ بهذه الأشياء ، فإننا بحاجة إلى اختبارها تجريبيًا ، فهل نجد دليلًا على وجود هذه الأشياء حقًا. هناك جزءان لذلك ، عندما نسأل عما إذا كانت GR "يتوقع"ظاهرة - هل يمكن للظواهر / السلوكيات التي تصفها أو تقترحها معادلاتنا الرياضية ، أن تكون موجودة بالفعل في العالم الحقيقي؟ (هل الحلول قادرة بالفعل على الحدوث أم أنها حلول" وهمية "لا تتوافق مع أي شيء يمكن أن يوجد في الواقع) ، وإذا كانوا تستطيع هل هم موجودون ، هل يمكننا ملاحظتهم؟ في الواقع ، نجد أدلة قوية جدًا على أنها يمكن أن تكون موجودة بالفعل. على سبيل المثال:

  • يمكننا أن نلاحظ تشوه الجاذبية للضوء حول منطقة من الفضاء حيث لا يمكن رؤية أي شيء بشكل واضح.
  • يمكننا تصوير ثقب أسود وتظهر الصورة تأثيرات طاقة ضخمة حول فضاء مركزي مظلم (عديم الضوء).
  • يمكننا اكتشاف موجات الجاذبية الشديدة من خلال تشويهها للزمكان ، ومطابقتها مع الملاحظات الأخرى والنماذج النظرية لما سيبدو عليه تصادم الثقب الأسود وفقًا لـ GR.
  • يمكننا تتبع مدارات النجوم في مركز مجرتنا ونجدها تدور حول نقطة صغيرة لا يمكن رؤية أي شيء فيها ، ولكنها صغيرة جدًا وشديدة الجاذبية لأي شيء سوى الثقب الأسود.
  • عندما نقيس هذه الأشياء ، يبدو أنها تتطابق مع ما تقوله معادلات GR يجب أن تبدو عليه.
  • وما إلى ذلك وهلم جرا.

هذه طرق نختبر بها ما إذا كانت تنبؤات GR حول الثقوب السوداء حقيقية ، وما إذا كانت الثقوب السوداء حقيقية. بقدر ما نستطيع أن نقول ، نعم.

تشكيل - تكوين

سؤالك الأخير هو كيف تتشكل في الطبيعة. هذا أسهل بكثير لتلخيص.

  • تشكل النجوم الضخمة جدًا (ولكن ليس الأكبر منها!) ثقوبًا سوداء في نهاية حياتها. يتم موازنة السحب الشديد للجاذبية إلى الداخل بواسطة طاقة عمليات الاندماج لأنها تحرق الوقود. عندما يصلون إلى نهاية حياتهم المحترقة ، وينفد الوقود ، تختفي قوة التوازن هذه ، وينفجر النجم بشكل كارثي. حرفيا ، يقع جوهره إلى الداخل بجزء كبير من سرعة الضوء. جزء من ذلك النواة يرتد ويشكل مستعر أعظم. جزء منه كثيف لدرجة أنه يصل إلى حد مقدار الكتلة داخل مساحة صغيرة ، ويشكل ثقبًا أسود.
    (الاستثناء بالنسبة لأكبر النجوم الضخمة للغاية هو أنها يمكن أن تكون شديدة الحرارة وغير مستقرة عند توقف الاندماج ، بحيث تتفجر نفسها بدلاً من الانفجار الداخلي ، لذلك لا يتشكل ثقب أسود)
  • النجوم التي يقل حجمها قليلاً عن الحجم المطلوب للانهيار مباشرة في ثقب أسود ، لا يزال بإمكانها فعل ذلك ، لكنها تفعل ذلك على مرحلتين. في المرحلة الأولى ، يحدث الشيء نفسه على النحو الوارد أعلاه ، لكن النتيجة ليست كثيفة / ضخمة بما يكفي لتشكيل ثقب أسود بحد ذاته. لكن ذلك هو ضخمة بما يكفي لبعض الحطام / المادة المقذوفة من المستعر الأعظم ، لتتراجع بعد انفجارها للخارج ، وعندما تسقط مقذوفات كافية على البقايا ، ومن بعد سوف ينهار في المرحلة 2 ، في ثقب أسود.
  • يمكن لجسم شديد الكثافة مثل بقايا نجم لم يكن كبيرًا بما يكفي لتكوين ثقب أسود ، أن يسحب الكتلة ("التراكم") بمرور الوقت أو يندمج / يصطدم بالنجوم الأخرى أو البقايا النجمية الضخمة ، يمكن أن يكون للجسم كتلة كافية في مساحة صغيرة بما يكفي لتكوين ثقب أسود. الكائن الأكثر شيوعًا هنا هو ملف النجم النيوتروني - بقايا ضخمة وكثيفة بشكل لا يصدق ، ولكنها ليست quiiite بما يكفي لتشكيل ثقب أسود.
  • يمكن أن تؤدي الاصطدامات عالية الطاقة إلى كثافة كافية من الطاقة في مساحة صغيرة بما يكفي لتكوين ثقب أسود.
  • وفقًا لبعض النظريات ، في بداية الكون ، كان من الممكن إنشاء ثقوب سوداء بدائية ، خلال الانفجار العظيم ، عندما كانت كثافة الكتلة / الطاقة أعلى بكثير مما هي عليه اليوم ، وإذا كان الأمر كذلك ، فقد لا يزال بعضها موجودًا الآن.
  • العديد / معظم المجرات لها ثقب أسود ضخم مركزي ، مثل مجرتنا. يمكن أن يتشكل بمرور الوقت.

هل تتنبأ النسبية العامة بالثقوب السوداء حقًا؟ - الفلك

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على:

  • ناقش بعض الأفكار الرئيسية لنظرية النسبية العامة
  • ندرك أن تجارب الفرد في الجاذبية والتسارع قابلة للتبادل ولا يمكن تمييزها
  • فرق بين نيوتنأفكار الجاذبية و اينشتاينأفكار الجاذبية
  • تعرف على سبب أهمية نظرية النسبية العامة لفهم طبيعة الثقوب السوداء

تنتهي معظم النجوم حياتها كأقزام بيضاء أو نجوم نيوترونية. عندما جدا ينهار النجم الهائل في نهاية حياته ، ومع ذلك ، لا يمكن حتى التنافر المتبادل بين النيوترونات المكتظة بشدة أن يدعم النواة ضد وزنها. إذا كانت الكتلة المتبقية من لب النجم تزيد عن ثلاثة أضعاف كتلة الشمس (مشمس) ، تتنبأ نظرياتنا بذلك لا توجد قوة معروفة يمكنها منعه من الانهيار إلى الأبد! ببساطة تغلب الجاذبية على جميع القوى الأخرى وتسحق اللب حتى يحتل حجمًا صغيرًا بشكل لا نهائي. قد يصبح النجم الذي يحدث فيه هذا أحد أغرب الأشياء التي تنبأت بها النظرية على الإطلاق - الثقب الأسود.

لفهم شكل الثقب الأسود وكيف يؤثر على محيطه ، نحتاج إلى نظرية يمكنها وصف عمل الجاذبية في ظل هذه الظروف القصوى. حتى الآن ، أفضل نظرية لدينا عن الجاذبية هي النظرية النسبية العامة، الذي طرحه ألبرت أينشتاين في عام 1916.

كانت النسبية العامة أحد الإنجازات الفكرية الرئيسية في القرن العشرين إذا كانت موسيقى ، فسنقارنها بسمفونيات بيتهوفن أو ماهلر العظيمة. حتى وقت قريب ، لم يكن العلماء بحاجة إلى نظرية أفضل للجاذبية. كانت أفكار إسحاق نيوتن التي أدت إلى قانونه للجاذبية الكونية (انظر المدارات والجاذبية) كافية تمامًا لمعظم الأشياء التي نتعامل معها في الحياة اليومية. ومع ذلك ، في نصف القرن الماضي ، أصبحت النسبية العامة أكثر من مجرد فكرة جميلة ، فهي ضرورية الآن في فهم النجوم النابضة ، والكوازارات (التي ستتم مناقشتها في المجرات النشطة ، والكوازارات ، والثقوب السوداء فائقة الكتلة) ، والعديد من الأجسام الفلكية الأخرى و الأحداث ، بما في ذلك الثقوب السوداء التي سنناقشها هنا.

الشكل 1. ألبرت أينشتاين (1879-1955): هذا العالم الشهير ، الذي يظهر هنا أصغر من الصور المعتادة ، أصبح رمزًا للذكاء العالي في الثقافة الشعبية. (الائتمان: ناسا)

ربما يجب أن نذكر أن هذه هي النقطة في دورة علم الفلك عندما يبدأ العديد من الطلاب في الشعور ببعض التوتر (وربما يتمنون لو أنهم قد درسوا علم النبات أو بعض الدورات التدريبية الأخرى على الأرض لتلبية متطلبات العلم). هذا لأنه في الثقافة الشعبية ، أصبح أينشتاين رمزًا للتألق الرياضي الذي هو ببساطة بعيدًا عن متناول معظم الناس (الشكل 1).

لذلك ، عندما كتبنا أن نظرية النسبية العامة كانت من عمل أينشتاين ، ربما تكون قلقًا قليلاً ، مقتنعًا أن أي شيء فعله أينشتاين يجب أن يكون بعيدًا عن فهمك. هذه النظرة الشعبية مؤسفة وخاطئة. على الرغم من أن الحسابات التفصيلية للنسبية العامة تتضمن قدرًا كبيرًا من الرياضيات العليا ، إلا أن الأفكار الأساسية ليس من الصعب فهمها (وهي في الواقع شبه شعرية بالطريقة التي تعطينا بها منظورًا جديدًا للعالم). علاوة على ذلك ، فإن النسبية العامة تتجاوز قانون نيوتن الشهير & # 8220inverse-square & # 8221 قانون الجاذبية ، فهي تساعد يشرح كيف تتفاعل المادة مع المادة الأخرى في المكان والزمان. هذه القوة التفسيرية هي أحد المتطلبات التي يجب أن تفي بها أي نظرية علمية ناجحة.


الانهيار الكلاسيكي

لنبدأ بتجربة فكرية. نريد معرفة السرعات المطلوبة للهروب من جاذبية الأجسام المختلفة. يجب إطلاق صاروخ من سطح الأرض بسرعة عالية جدًا إذا كان يريد الهروب من جاذبية الأرض. في الواقع ، أي جسم - صاروخ ، كرة ، كتاب علم الفلك - يُلقى في الهواء بسرعة أقل من 11 كيلومترًا في الثانية سوف يسقط قريبًا على سطح الأرض. فقط تلك الأجسام أطلقت بسرعة أكبر من هذا سرعة الهروب يمكن أن تبتعد عن الأرض.

ال سرعة الهروب من سطح الشمس أعلى حتى الآن - 618 كيلومترًا في الثانية. تخيل الآن أننا بدأنا في ضغط الشمس ، مما أجبرها على تقليص قطرها. تذكر أن قوة الجاذبية تعتمد على كلٍ من الكتلة التي تسحبك وعلى بعدك عن مركز جاذبية تلك الكتلة. إذا كانت الشمس مضغوطة ، فإن كتلة ستبقى كما هي ، لكن مسافه: بعد بين نقطة على سطح الشمس وسيصبح المركز أصغر وأصغر. وهكذا ، عندما نضغط النجم ، فإن قوة الجاذبية لجسم ما على سطح الانكماش ستصبح أقوى وأقوى (الشكل 1).

الشكل 1. تشكيل الثقب الأسود: إلى اليسار ، رائد فضاء وهمي يطفو بالقرب من سطح نواة نجمية ضخمة على وشك الانهيار. عندما تسقط الكتلة نفسها في كرة أصغر ، ترتفع الجاذبية على سطحها ، مما يجعل من الصعب على أي شيء الهروب من السطح النجمي. في النهاية تنهار الكتلة إلى كرة صغيرة جدًا بحيث تتجاوز سرعة الهروب سرعة الضوء ولا يمكن لأي شيء الهروب. لاحظ أن حجم رائد الفضاء مبالغ فيه. في الصورة الأخيرة ، يكون رائد الفضاء خارج الكرة التي سنسميها أفق الحدث ويتم شده وضغطه بفعل الجاذبية القوية.

عندما تصل الشمس المنكمشة إلى قطر نجم نيوتروني (حوالي 20 كيلومترًا) ، فإن السرعة المطلوبة للهروب من جاذبيتها ستكون حوالي نصف سرعة الضوء. لنفترض أننا نواصل ضغط الشمس إلى قطر أصغر وأصغر. (لقد رأينا أن هذا لا يمكن أن يحدث لنجم مثل شمسنا في العالم الحقيقي بسبب انحلال الإلكترون ، أي التنافر المتبادل بين الإلكترونات المكدسة بإحكام ، هذه مجرد تجربة سريعة & # 8220 فكرة & # 8221 للحصول على اتجاهاتنا).

في النهاية ، مع تقلص الشمس ، ستتجاوز سرعة الهروب بالقرب من السطح سرعة الضوء. إذا كانت السرعة التي تحتاجها للابتعاد أسرع من أسرع سرعة ممكنة في الكون ، فلا شيء ، ولا حتى الضوء ، قادر على الهروب. جسم بهذه السرعة الكبيرة لا يصدر أي ضوء ، وأي شيء يسقط فيه لا يمكن أن يعود أبدًا.

في المصطلحات الحديثة ، نسمي كائنًا لا يستطيع الضوء الهروب منه ثقب أسود، وهو اسم شاعه العالم الأمريكي جون ويلر بدءًا من أواخر الستينيات (الشكل 2). ومع ذلك ، فإن فكرة وجود مثل هذه الأشياء ليست فكرة جديدة. أستاذ جامعة كامبريدج وعالم الفلك الهواة جون ميشيل كتب ورقة بحثية في عام 1783 عن احتمالية وجود نجوم ذات سرعات هروب تتجاوز سرعة الضوء. وفي عام 1796 ، أجرى عالم الرياضيات الفرنسي بيير سيمون ، ماركيز دي لابلاس ، حسابات مماثلة باستخدام نظرية الجاذبية لنيوتن ، وأطلق على الأجسام الناتجة & # 8220 الأجسام المظلمة. & # 8221

الشكل 2. جون ويلر (1911-2008): قام هذا الفيزيائي اللامع بالكثير من الأعمال الرائدة في نظرية النسبية العامة وشاع مصطلح الثقب الأسود بدءًا من أواخر الستينيات. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة Roy Bishop)

في حين أن هذه الحسابات المبكرة قدمت تلميحات قوية إلى أنه يجب توقع شيء غريب إذا انهارت أجسام ضخمة جدًا تحت جاذبيتها ، فإننا نحتاج حقًا إلى نظرية النسبية العامة لإعطاء وصف مناسب لما يحدث في مثل هذه الحالة.


3 إجابات 3

سؤال جيد! كما خمنت ، لا شيء يمكنه الهروب من الثقب الأسود ، لذلك من المستحيل رؤيته مباشرة. (تتنبأ نظرية المجال الكمي بأن الثقوب السوداء تُصدر كمية ضئيلة للغاية من الإشعاع الحراري ، لكنها قليلة جدًا لدرجة أنه لا يمكننا اكتشافها من الأرض).

يفترض العلماء أن الثقوب السوداء موجودة أساسًا على تنبؤات النسبية العامة. على وجه الخصوص ، تخبرنا النسبية العامة أنه إذا تم احتواء مقدار الكتلة $ M $ في حجم كروي نصف قطر $ r_s = frac <2GM>$ ، سيتم تشويه الفضاء بشكل كبير بحيث تؤدي جميع المسارات الممكنة داخل هذا المجال إلى الداخل نحو النقطة المركزية. سطح تلك الكرة هو أفق الحدث ، حدود الثقب الأسود. الآن ، قد تتساءل كيف يمكننا أن نكون على يقين من أن النسبية العامة تعمل لمثل هذه الحقول الجاذبية القوية وبالتالي توجد آفاق الحدث. حسنًا ، لا يمكننا ذلك مباشرة تأكيد هذا ، لكن GR يعمل لصالح كل شىء وإلا قمنا باختباره مقابل ذلك ، لذلك ليس هناك حقًا سبب للشك في التنبؤ بآفاق الحدث.

بعد أن حددنا آفاق الحدث (وبالتالي الثقوب السوداء) التي تسمح بها النظرية ، كيف يمكننا أن نبدأ في اكتشاف واحد بالفعل؟ الطريقة الأصلية لاكتشاف الثقب الأسود هي البحث عن انبعاثات شديدة للغاية من الأشعة السينية وأشعة جاما. لا تأتي هذه من الثقب الأسود نفسه ، ولكن من قرص التراكم ، جزيئات الغبار والغاز التي أصبحت محاصرة في جاذبية الثقب الأسود وتدور حوله استعدادًا للسقوط. عندما تقترب الجسيمات جدًا من أفق الحدث ، يصطدمون ببعضهم البعض بقوة كبيرة ، وتلك الاصطدامات تنبعث منها إشعاعات عالية الطاقة يمكننا اكتشافها. من الواضح أن هذا يحدث فقط إذا كان هناك ما يكفي من الغاز والغبار بالقرب من الثقب الأسود لتكوين قرص تراكمي. من الممكن أن تحتوي الأجسام الكثيفة جدًا على أقراص تراكمية ، ولكن بناءً على خصائص الإشعاع ، يمكننا معرفة مدى سرعة تحرك الجسيمات ، وبالتالي وضع بعض القيود على حجم وكتلة الجسم الذي يدور حوله. إذا كان نصف قطره أقل من $ r_s $ لكتلته ، فإننا نفترض أنه ثقب أسود.

في الآونة الأخيرة ، تم إجراء ملاحظات مماثلة للنجوم التي تدور حول مراكز مجرتنا ومجرات أخرى. من خلال مراقبة مواقع النجوم بمرور الوقت ، يمكننا تحليل مداراتها لتحديد خصائص (الحجم والكتلة) لما يدور حوله. إذا كان الحجم أصغر من $ r_s $ ، فمرة أخرى ، تخبرنا النسبية العامة أن الكائن هو ثقب أسود.


أسئلة حول نظرية النسبية

الروابط المفضلة لفريق اسأل عالم فلك حول نظرية النسبية:

    - تعاون بحثي يشمل مؤسسات متعددة بما في ذلك كورنيل. الهدف هو محاكاة الثقوب السوداء وأزمنة الفضاء المتطرفة الأخرى لاكتساب فهم أفضل للنسبية وفيزياء الأجسام الغريبة في الكون البعيد. : درس حول نظرية النسبية العامة ، بما في ذلك مغامرات مع أوز والساحر. : الكثير من الأسئلة والأجوبة الشائعة حول النسبية. (xkcd): استخدام آلاف الكلمات الأكثر استخدامًا فقط: بالضبط ما تقوله!

كيفية طرح السؤال؟

إذا كان لديك سؤال حول مجال آخر من علم الفلك ، فابحث عن الموضوع الذي تهتم به من الأرشيف على الشريط الجانبي أو ابحث باستخدام نموذج البحث أدناه. إذا كنت لا تزال غير قادر على العثور على ما تبحث عنه ، أرسل سؤالك هنا.


نظرية النسبية العامة لأينشتاين

النسبية العامة هي فهم الفيزيائي ألبرت أينشتاين لكيفية تأثير الجاذبية على نسيج الزمكان.

وسعت النظرية ، التي نشرها أينشتاين عام 1915 ، من نظرية النسبية الخاصة التي نشرها قبل 10 سنوات. جادلت النسبية الخاصة بأن المكان والزمان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا ، لكن هذه النظرية لم تعترف بوجود الجاذبية.

أمضى أينشتاين العقد بين المنشورين في تحديد أن الأجسام الضخمة بشكل خاص تشوه نسيج الزمكان ، وهو تشويه يتجلى في شكل الجاذبية ، وفقًا لوكالة ناسا.

كيف تعمل النسبية العامة؟

لفهم النسبية العامة ، لنبدأ أولاً بالجاذبية ، وهي قوة الجذب التي يمارسها جسمان على بعضهما البعض. قدر السير إسحاق نيوتن الجاذبية في نفس النص الذي صاغ فيه قوانينه الثلاثة للحركة ، "المبادئ".

تعتمد قوة الجاذبية التي تتجاذب بين جسمين على مدى كتلة كل منهما ومدى تباعدهما. حتى عندما يسحبك مركز الأرض نحوها (مما يبقيك ثابتًا على الأرض) ، فإن مركز كتلتك يتراجع نحو الأرض. لكن الجسم الأكثر ضخامة بالكاد يشعر بالجاذبية منك ، بينما تجد نفسك متجذرًا بقوة بفضل نفس القوة مع كتلتك الأصغر بكثير. ومع ذلك ، تفترض قوانين نيوتن أن الجاذبية هي قوة فطرية لجسم ما يمكن أن يعمل على مسافة.

قرر ألبرت أينشتاين ، في نظريته عن النسبية الخاصة ، أن قوانين الفيزياء هي نفسها لجميع المراقبين غير المتسارعين ، وأظهر أن سرعة الضوء داخل الفراغ هي نفسها بغض النظر عن السرعة التي ينتقل بها المراقب ، بحسب Wired.

ونتيجة لذلك ، وجد أن المكان والزمان متشابكان في سلسلة متصلة واحدة تعرف باسم الزمكان. والأحداث التي تحدث في نفس الوقت لمراقب واحد يمكن أن تحدث في أوقات مختلفة لمراقب آخر.

بينما كان يعمل على معادلات نظريته العامة للنسبية ، أدرك أينشتاين أن الأجسام الضخمة تسبب تشويهًا في الزمكان. تخيل وضع جسم كبير في وسط الترامبولين. سيضغط الجسم لأسفل على القماش ، مما يتسبب في غمازه. إذا حاولت بعد ذلك دحرجة قطعة من الرخام حول حافة الترامبولين ، فإن الرخام سوف يتدحرج نحو الداخل نحو الجسم ، مشدودًا إلى حد كبير بنفس الطريقة التي تسحب بها جاذبية الكوكب الصخور في الفضاء.

دليل تجريبي على النسبية العامة

في العقود التي تلت نشر أينشتاين نظرياته ، لاحظ العلماء عددًا لا يحصى من الظواهر المطابقة لتوقعات النسبية.

عدسة الجاذبية

ينحني الضوء حول جسم ضخم ، مثل الثقب الأسود ، مما يجعله يعمل كعدسة للأشياء التي تقع خلفه. يستخدم علماء الفلك هذه الطريقة بشكل روتيني لدراسة النجوم والمجرات خلف الأجسام الضخمة.

صليب أينشتاين ، وهو كوازار في كوكبة بيغاسوس ، وفقًا لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، وهو مثال ممتاز لعدسات الجاذبية. يُنظر إلى الكوازار كما كان منذ حوالي 11 مليار سنة ، فإن المجرة التي يجلس خلفها أقرب بحوالي 10 مرات من الأرض. نظرًا لأن الجسمين يتماشيان بدقة شديدة ، تظهر أربع صور للكوازار حول المجرة لأن الجاذبية الشديدة للمجرة تؤدي إلى انحناء الضوء القادم من الكوازار.

في حالات مثل تقاطع أينشتاين ، تظهر الصور المختلفة للجسم بعدسة الجاذبية في وقت واحد ، لكن هذا ليس هو الحال دائمًا. تمكن العلماء أيضًا من ملاحظة أمثلة العدسة حيث ، نظرًا لأن الضوء الذي ينتقل حول العدسة يأخذ مسارات مختلفة بأطوال مختلفة ، تصل الصور المختلفة في أوقات مختلفة ، كما في حالة أحد المستعرات الأعظمية المثيرة للاهتمام بشكل خاص.

التغييرات في مدار عطارد

يتغير مدار عطارد بشكل تدريجي للغاية بمرور الوقت بسبب انحناء الزمكان حول الشمس الهائلة ، وفقًا لوكالة ناسا. في غضون بضعة مليارات من السنين ، يمكن أن يتسبب هذا التذبذب في اصطدام الكوكب الأعمق بالشمس أو الكوكب.

سحب إطار الزمكان حول الأجسام الدوارة

يجب أن يؤدي دوران جسم ثقيل ، مثل الأرض ، إلى تحريف وتشويه الزمكان من حوله. في عام 2004 ، أطلقت وكالة ناسا مسبار الجاذبية B (GP-B). انحرفت محاور الجيروسكوبات التي تمت معايرتها بدقة للقمر الصناعي بشكل طفيف جدًا بمرور الوقت ، وفقًا لوكالة ناسا ، وهي نتيجة تطابق نظرية أينشتاين.

قال فرانسيس إيفريت ، الباحث الرئيسي في Gravity Probe-B ، من جامعة ستانفورد ، في بيان ناسا حول المهمة: "تخيل الأرض كما لو كانت مغمورة في العسل".

"بينما يدور الكوكب ، يدور العسل حوله ، والأمر نفسه مع المكان والزمان. أكد GP-B اثنين من أكثر التنبؤات عمقًا لكون أينشتاين ، ولهما آثار بعيدة المدى عبر أبحاث الفيزياء الفلكية."

الانزياح الأحمر الجاذبية

يمتد الإشعاع الكهرومغناطيسي للجسم قليلاً داخل مجال الجاذبية. فكر في الموجات الصوتية التي تنبعث من صفارة الإنذار في سيارة الطوارئ أثناء تحرك السيارة نحو مراقب ، يتم ضغط الموجات الصوتية ، ولكن عندما تتحرك بعيدًا ، يتم شدها أو انزياحها إلى الأحمر. تحدث نفس الظواهر المعروفة باسم تأثير دوبلر مع موجات الضوء على جميع الترددات.

في الستينيات ، وفقًا لجمعية الفيزياء الأمريكية ، قام الفيزيائيان روبرت باوند وجلين ريبكا بإطلاق أشعة جاما أولاً ، ثم على جانب برج في جامعة هارفارد. وجد باوند وريبيكا أن تردد أشعة جاما تغير قليلاً بسبب التشوهات التي تسببها الجاذبية.

موجات الجاذبية

توقع أينشتاين أن الأحداث العنيفة ، مثل اصطدام ثقبين أسودين ، تخلق تموجات في الزمكان تعرف باسم موجات الجاذبية. وفي عام 2016 ، أعلن مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) أنه اكتشف مثل هذه الإشارة لأول مرة.

جاء هذا الاكتشاف في 14 سبتمبر 2015. تمت ترقية LIGO ، المكونة من منشآت مزدوجة في لويزيانا وواشنطن ، وكانت في طور المعايرة قبل أن تصبح على الإنترنت. كان الاكتشاف الأول كبيرًا جدًا ، وفقًا للمتحدثة باسم LIGO آنذاك غابرييلا غونزاليس ، فقد استغرق الفريق عدة أشهر من التحليل لإقناع أنفسهم بأنها كانت إشارة حقيقية وليست خللًا.

وقالت خلال اجتماع الجمعية الفلكية الأمريكية 228 في يونيو 2016: "كنا محظوظين جدًا في أول اكتشاف كان واضحًا للغاية".

منذ ذلك الحين ، بدأ العلماء في التقاط موجات الجاذبية بسرعة. أخيرًا ، اكتشف LIGO ونظيره الأوروبي العذراء ما مجموعه 50 حدثًا لموجة الجاذبية ، وفقًا لمسؤولي البرنامج.

تضمنت تلك التصادمات أحداثًا غير عادية مثل الاصطدام بجسم لا يمكن للعلماء تحديده بشكل قاطع على أنه ثقب أسود أو نجم نيوتروني ، أو اندماج نجوم نيوترونية مصحوبة بانفجار لامع ، وتصادم الثقوب السوداء غير المتطابقة والمزيد


هل تنتهك النسبية العامة الحتمية داخل الثقوب السوداء المشحونة؟

في ظل ظروف قاسية معينة ، يبدو أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين تنتهك الحتمية ، وفقًا لفريق دولي من علماء الفيزياء. أظهرت المجموعة أنه في الكون الذي يتمدد تحت تأثير الثابت الكوني ، يجب أن تحتوي الثقوب السوداء الناتجة عن انهيار النجوم عالية الشحنة على منطقة لا يتم فيها تحديد الظروف الفيزيائية بالحالة الأولية للنجوم. في تناقض مع فكرة عمرها 40 عامًا تُعرف باسم الرقابة الكونية ، يقول الباحثون إن علامات عدم التحديد قد تظهر في اكتشاف موجات الجاذبية.

تسمح لنا ميكانيكا نيوتن من حيث المبدأ بحساب الحالة الدقيقة لنظام مادي في أي وقت في المستقبل ، بشرط أن نعرف حالته الأولية تمامًا. وكذلك مع النسبية العامة: تتيح لنا المعرفة الدقيقة لهندسة الفضاء ومعدل تغيره في الوقت الحاضر ، نظريًا ، التنبؤ بالضبط بكيفية تطور الزمكان. على هذا النحو ، يعتبر معظم علماء الفيزياء نظرية أينشتاين حتمية تمامًا.

لكن الثقوب السوداء المشحونة تتحدى هذه الصورة الحتمية. يصف حل "Reissner-Nordström" للنسبية العامة ثقبًا أسود يتكون عندما ينهار نجم مشحون كهربائيًا وينهار كرويًا على نفسه تحت تأثير قوة الجاذبية. يخفي عن الأنظار داخل أفق الحدث للثقب الأسود حدًا ثانيًا يُعرف باسم أفق كوشي ، والذي يكون الزمكان خلفه سلسًا ولكنه غير محدد. بعبارة أخرى ، لم يعد من الممكن التنبؤ بالمستقبل.

رقابة كونية قوية

ظهرت فكرة طرحها الفيزيائي البريطاني روجر بنروز في السبعينيات وكأنها تحظر مثل هذا السلوك غير الحتمي. تنص تخمينه "للرقابة الكونية القوية" على وجود آلية ما في النسبية العامة - رقابة - تمنع ظهور آفاق كوشي. في حالة وجود ثقب أسود مشحون ، حسب أنه حتى أدنى اضطراب في الظروف الأولية للنجم المنفجر يدمر أفق كوشي وينتج عنه تفرد في مكانه. عند هذه النقطة من انحناء الزمكان اللانهائي ، تتفكك معادلات المجال النسبي وتتوقف الحتمية ، أو غيابها ، عن أن تصبح مشكلة.

ولكن في العمل الجديد الموصوف في رسائل المراجعة البدنيةوجد فيتور كاردوسو وزملاؤه من جامعة لشبونة أنه يجب أن تكون هناك بعض الظروف عندما لا تتشكل التفردات التي تفرضها الرقابة الكونية. لقد أخذوا في الاعتبار التأثير الصافي لتأثيرين متعارضين على أفق كوشي - تضخيم أي اضطراب بسيط بفعل الجاذبية الهائلة للثقب الأسود من ناحية ، والتأثير المثبط للبيئة الخارجية للثقب الأسود من ناحية أخرى. على وجه التحديد ، توصلوا إلى ما يمكن أن يحدث لنجم مشحون للغاية ينهار في كون يتم تسريع توسعه بواسطة ثابت كوني - كما يبدو لنا.

أوضاع شبه عادية

للقيام بذلك ، درس كاردوسو وفريقه التذبذبات الخافتة المعروفة باسم الأنماط شبه العادية. لقد أظهروا أنه عندما يكون للنجم المنهار شحنة كافية ، فإن التخميد ينتصر على التضخيم وتختفي التذبذبات بسرعة. كما يشرح كاردوسو ، فإن الشحنة والثابت الكوني يوفران بشكل أساسي قوى التنافر التي تصد جاذبية الجاذبية وبالتالي تقلل من آثار تضخيمها. ويقول هو وزملاؤه إن النتيجة هي أن أفق كوشي قد تضرر لكنه لم يدمر بالكامل. على هذا النحو ، خلصوا إلى أن هناك بالفعل منطقة داخل الثقب الأسود حيث تعمل معادلات المجال النسبي ولكن حيث تنهار الحتمية.

يقول عضو المجموعة جواو كوستا إن هذا سيكون انهيارًا جوهريًا للحتمية أكثر من ذلك المتأصل في الظواهر الكمومية.كما يشير ، على الرغم من أننا لا نستطيع التنبؤ بنتيجة أي قياس كمي معين ، لا يزال بإمكاننا العمل على توزيع الاحتمالات لمجموعة من القياسات. لكنه يقول ، فيما وراء أفق كوشي ، فإن مثل هذه القدرة على التنبؤ الشاملة ستكون مستحيلة.

سقوط قطة شرودنغر

يقول كاردوسو: "بالتفكير في قطة شرودنغر ، نعلم أنه يمكننا تعيين احتمالات أن تكون القطة حية وميتة". "ولكن إذا سقطت القطة داخل أفق كوشي ، فلن نتمكن حتى من حساب هذه الاحتمالات." على الرغم من أنه يضيف ، "من المحتمل أن يكون القط غير ذي صلة ، لأنه سيكون ميتًا على أي حال."

كما أشار كاردوسو وزملاؤه في ورقتهم ، لا يُتوقع وجود ثقوب سوداء مشحونة في الطبيعة. لكنهم يقولون إن التشابه الوثيق بين الشحنة والزخم الزاوي يعني أنهم يتوقعون "نتائج مشابهة جدًا" للثقوب السوداء المحايدة والدوارة. كتبوا: "بالنظر إلى الثابت الكوني اللاصفري ووجود ثقوب سوداء تدور بسرعة في كوننا" ، "لا يمكن الاستخفاف بهذه النتائج."

يقول جاري هورويتز من جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، والذي لم يشارك في العمل ، إن البحث يقدم "أفضل دليل أعرفه على انتهاك الرقابة الكونية القوية في نظرية الجاذبية والكهرومغناطيسية." ويضيف أن الخطوة التالية ستكون نمذجة تأثيرات الجاذبية والشحنة بشكل كامل - يعتمد التحليل الحالي على الحقول العددية المبسطة عديمة الكتلة.

حضور لا مفر منه

في الواقع ، في ورقة نشرت مؤخرًا على arXiv الخادم ، شاهار هود من مركز روبين الأكاديمي وكلية هداسا الأكاديمية في إسرائيل يزعم أنهما قاما بشيء مماثل. وجد Hod أن الحقول المشحونة القريبة من الثقوب السوداء Reissner-Nordström تتحلل ببطء بما يكفي لضمان آفاق كوشي غير المستقرة. بالنظر إلى "الوجود الذي لا مفر منه" لهذه الحقول - بما أن النجوم المنهارة نفسها مشحونة - فقد خلص إلى أن مثل هذه الثقوب السوداء يجب أن تحترم الرقابة الكونية القوية.

يصف زميل كاردوزو ، آرون يانسن ، اقتراح هود المضاد بأنه "حل محتمل مثير للاهتمام" للنزاع ، لكنه يقول إنه يجب القيام بالمزيد من العمل. يقول إن أحد العوامل المعقدة هو أن المادة المشحونة الفعلية ستتألف من الفرميونات وليس الجسيمات العددية التي بحثها هود.

يضيف كاردوسو أنه من الممكن حل المشكلة من خلال مراقبة موجات الجاذبية. ويقول إن فكرة اللاحتمية سوف تتعزز بوجود الثقوب السوداء التي إما تحتوي على الكثير من الشحنة أو تدور بسرعة كبيرة. بدلاً من ذلك ، يتكهن ، قد يتم تعديل تلاشي إشارات موجات الجاذبية - بسبب وجود أفق حدث للثقب الأسود - من خلال وجود أفق كوشي. ومع ذلك ، يشير إلى أن مثل هذه الإشارة قد تعني أيضًا أن الطاقة المظلمة لا يمكن تفسيرها من حيث الثابت الكوني.


الجاذبية أم التسارع؟

فكرة أينشتاين ورسكووس البسيطة لها عواقب وخيمة. دع & rsquos تبدأ بالنظر في ما يحدث إذا قفز شخصان متهوران من البنوك المقابلة إلى هوة لا نهاية لها (الشكل ( فهرس الصفحة <3> )). إذا تجاهلنا احتكاك الهواء ، فيمكننا القول أنه بينما يسقطان بحرية ، فإن كلاهما يتسارع للأسفل بنفس المعدل ولا يشعر بأي قوة خارجية تؤثر عليهما. يمكنهم رمي الكرة ذهابًا وإيابًا ، ودائمًا ما يصوبونها مباشرة تجاه بعضهم البعض ، كما لو لم تكن هناك جاذبية. تسقط الكرة بنفس معدل سقوطها ، لذلك تظل دائمًا في خط بينهما.

الشكل ( PageIndex <3> ): السقوط الحر. يلعب شخصان لعبة الصيد أثناء نزولهما إلى هاوية لا نهاية لها. نظرًا لأن الأشخاص والكرة يسقطون جميعًا بنفس السرعة ، فيبدو لهم أنه يمكنهم لعب المسك عن طريق رمي الكرة في خط مستقيم بينهما. ضمن إطارهم المرجعي ، يبدو أنه لا يوجد جاذبية.

لعبة الصيد هذه مختلفة تمامًا على سطح الأرض. كل من يكبر ويشعر بالجاذبية يعرف أن الكرة ، بمجرد رميها ، تسقط على الأرض. وبالتالي ، من أجل اللعب مع شخص ما ، يجب عليك توجيه الكرة لأعلى بحيث تتبع قوسًا و mdashrising ثم تسقط أثناء تحركها للأمام و mdash حتى يتم التقاطها في الطرف الآخر.

لنفترض الآن أننا عزلنا الأشخاص الساقطين والكرة داخل صندوق كبير يسقط معهم. لا أحد داخل الصندوق على علم بأي قوة جاذبية. إذا تركوا الكرة ، فإنها لا تسقط إلى أسفل الصندوق أو في أي مكان آخر ، ولكنها تبقى فقط هناك أو تتحرك في خط مستقيم ، اعتمادًا على ما إذا كانت قد أعطيت أي حركة.

يعيش رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية (ISS) التي تدور حول الأرض في بيئة تمامًا مثل تلك التي يعيشها الأشخاص المختومون في صندوق يسقط بحرية (الشكل ( فهرس الصفحة <4> )). إن محطة الفضاء الدولية التي تدور حول الأرض هي في الواقع & ldquofalling & rdquo بحرية حول الأرض. أثناء السقوط الحر ، يعيش رواد الفضاء في عالم غريب حيث يبدو أنه لا توجد قوة جاذبية. يمكن للمرء أن يعطي مفتاح ربط ، ويتحرك بسرعة ثابتة عبر المختبر المداري. ظل قلم رصاص مثبتًا في الجو كما لو لم تكن هناك قوة مؤثرة عليه.

الشكل ( PageIndex <4> ): رواد الفضاء على متن مكوك الفضاء. شين كيمبرو وساندرا ماغنوس يظهران على متن سفينة إنديفور في عام 2008 مع فواكه مختلفة تطفو بحرية. نظرًا لأن المكوك في حالة سقوط حر أثناء دورانه حول الأرض ، فإن كل شيء و mdash بما في ذلك رواد الفضاء و mdashstays يضعون أو يتحركون بشكل موحد بالنسبة لجدران المركبة الفضائية. تنتج حالة السقوط الحر هذه نقصًا واضحًا في الجاذبية داخل المركبة الفضائية.

في بيئة & ldquoweightless & rdquo لمحطة الفضاء الدولية ، لا يتطلب التحرك سوى القليل من الجهد. شاهد رائدة الفضاء كارين نيبيرج وهي توضح كيف يمكنها دفع نفسها بقوة شعرة واحدة.

المظاهر مضللة ، ومع ذلك. هناك قوة في هذا الموقف. كل من محطة الفضاء الدولية ورواد الفضاء يسقطون باستمرار حول الأرض ، بسبب جاذبيتها. ولكن نظرًا لأن كل شيء يقع معًا و mdashshuttle ، فإن رواد الفضاء ، ومفتاح الربط ، وقلم الرصاص و mdash داخل محطة الفضاء الدولية ، يبدو أن جميع قوى الجاذبية غائبة.

وبالتالي ، توفر محطة الفضاء الدولية التي تدور في المدار مثالًا ممتازًا لمبدأ التكافؤ و [مدشو] يمكن تعويض التأثيرات المحلية للجاذبية تمامًا بالتسارع الصحيح. بالنسبة لرواد الفضاء ، فإن السقوط حول الأرض يخلق نفس تأثيرات البعد في الفضاء ، بعيدًا عن جميع تأثيرات الجاذبية.


24.1 إدخال النسبية العامة

تنتهي معظم النجوم حياتها كأقزام بيضاء أو نجوم نيوترونية. عندما جدا ينهار النجم الهائل في نهاية حياته ، ومع ذلك ، لا يمكن حتى التنافر المتبادل بين النيوترونات المكتظة بشدة أن يدعم النواة ضد وزنها. إذا كانت الكتلة المتبقية من لب النجم تزيد عن ثلاثة أضعاف كتلة الشمس (مشمس) ، تتنبأ نظرياتنا بذلك لا توجد قوة معروفة يمكنها منعه من الانهيار إلى الأبد! ببساطة تغلب الجاذبية على جميع القوى الأخرى وتسحق اللب حتى يحتل حجمًا صغيرًا بشكل لا نهائي. قد يصبح النجم الذي يحدث فيه هذا أحد أغرب الأشياء التي تنبأت بها النظرية على الإطلاق - الثقب الأسود.

لفهم شكل الثقب الأسود وكيف يؤثر على محيطه ، نحتاج إلى نظرية يمكنها وصف عمل الجاذبية في ظل هذه الظروف القصوى. حتى الآن ، أفضل نظرياتنا في الجاذبية هي النظرية العامة للنسبية ، والتي طرحها ألبرت أينشتاين في عام 1916.

كانت النسبية العامة أحد الإنجازات الفكرية الرئيسية في القرن العشرين إذا كانت موسيقى ، فسنقارنها بسمفونيات بيتهوفن أو ماهلر العظيمة. حتى وقت قريب ، لم يكن العلماء بحاجة إلى نظرية أفضل للجاذبية. كانت أفكار إسحاق نيوتن التي أدت إلى قانونه للجاذبية الكونية (انظر المدارات والجاذبية) كافية تمامًا لمعظم الأشياء التي نتعامل معها في الحياة اليومية. ومع ذلك ، في نصف القرن الماضي ، أصبحت النسبية العامة أكثر من مجرد فكرة جميلة ، فهي ضرورية الآن في فهم النجوم النابضة ، والكوازارات (التي ستتم مناقشتها في المجرات النشطة ، والكوازارات ، والثقوب السوداء فائقة الكتلة) ، والعديد من الأجسام الفلكية الأخرى و الأحداث ، بما في ذلك الثقوب السوداء التي سنناقشها هنا.

ربما يجب أن نذكر أن هذه هي النقطة في دورة علم الفلك عندما يبدأ العديد من الطلاب في الشعور ببعض التوتر (وربما يتمنون لو أنهم قد درسوا علم النبات أو بعض الدورات التدريبية الأخرى على الأرض لتلبية متطلبات العلم). هذا لأنه في الثقافة الشعبية ، أصبح أينشتاين رمزًا للتألق الرياضي الذي هو ببساطة بعيدًا عن متناول معظم الناس (الشكل 24.2).

لذلك ، عندما كتبنا أن نظرية النسبية العامة كانت من عمل أينشتاين ، ربما تكون قلقًا قليلاً ، مقتنعًا أن أي شيء فعله أينشتاين يجب أن يكون بعيدًا عن فهمك. هذه النظرة الشعبية مؤسفة وخاطئة. على الرغم من أن الحسابات التفصيلية للنسبية العامة تتضمن قدرًا كبيرًا من الرياضيات العليا ، إلا أن الأفكار الأساسية ليس من الصعب فهمها (وهي في الواقع شبه شعرية بالطريقة التي تعطينا بها منظورًا جديدًا للعالم). علاوة على ذلك ، تتجاوز النسبية العامة قانون الجاذبية "التربيع العكسي" الشهير لنيوتن الذي تساعده يشرح كيف تتفاعل المادة مع المادة الأخرى في المكان والزمان. هذه القوة التفسيرية هي أحد المتطلبات التي يجب أن تفي بها أي نظرية علمية ناجحة.

مبدأ التكافؤ

البصيرة الأساسية التي أدت إلى صياغة النظرية العامة للنسبية تبدأ بفكرة بسيطة للغاية: إذا تمكنت من القفز من مبنى مرتفع والسقوط بحرية ، فلن تشعر بوزنك. في هذا الفصل ، سنصف كيف بنى أينشتاين على هذه الفكرة للوصول إلى استنتاجات شاملة حول نسيج المكان والزمان نفسه. أطلق عليها "أسعد فكرة في حياتي".

أشار أينشتاين نفسه إلى مثال يومي يوضح هذا التأثير (انظر الشكل 24.3). لاحظ كيف يبدو أن وزنك قد انخفض في مصعد عالي السرعة عندما يتسارع من التوقف إلى الهبوط السريع. وبالمثل ، يبدو أن وزنك يزداد في المصعد الذي يبدأ في التحرك بسرعة لأعلى. هذا التأثير ليس مجرد شعور لديك: إذا وقفت على ميزان في مثل هذا المصعد ، يمكنك قياس تغير وزنك (يمكنك في الواقع إجراء هذه التجربة في بعض المتاحف العلمية).

في السقوط بحرية المصعد ، بدون احتكاك بالهواء ، ستفقد وزنك تمامًا. لا نرغب عمومًا في قطع الكابلات التي تحمل المصاعد لتجربة هذه التجربة ، ولكن يمكن تحقيق انعدام الوزن تقريبًا عن طريق ركوب طائرة على ارتفاعات عالية ثم الهبوط بسرعة لفترة من الوقت. هكذا تدرب ناسا روادها على تجربة السقوط الحر في الفضاء في مشاهد انعدام الوزن في فيلم عام 1995. أبولو 13 تم تصويرهم بنفس الطريقة. (ابتكر Moviemakers منذ ذلك الحين طرقًا أخرى باستخدام التصوير تحت الماء ، والأعمال المثيرة بالأسلاك ، ورسومات الكمبيوتر لخلق مظهر انعدام الوزن الذي شوهد في أفلام مثل الجاذبية و المريخى.)

ارتباط بالتعلم

شاهد كيف تستخدم وكالة ناسا بيئة "عديمة الوزن" للمساعدة في تدريب رواد الفضاء.

هناك طريقة أخرى لتوضيح فكرة أينشتاين وهي: لنفترض أن لدينا مركبة فضائية تحتوي على مختبر بدون نوافذ ومجهز بجميع الأدوات اللازمة لإجراء التجارب العلمية. الآن ، تخيل أن عالمة فلك تستيقظ بعد ليلة طويلة تحتفل ببعض التقدم العلمي وتجد نفسها محتجزة في هذا المختبر. ليس لديها أي فكرة عن كيفية حدوث ذلك ولكنها لاحظت أنها عديمة الوزن. قد يكون هذا بسبب أنها والمختبر بعيدان عن أي مصدر للجاذبية ، وكلاهما إما في حالة راحة أو يتحركان بسرعة ثابتة عبر الفضاء (وفي هذه الحالة يكون لديها متسع من الوقت للاستيقاظ). ولكن قد يكون السبب أيضًا هو أنها والمختبر يسقطان بحرية باتجاه كوكب مثل الأرض (في هذه الحالة قد ترغب أولاً في التحقق من بعدها عن السطح قبل صنع القهوة).

ما افترضه أينشتاين هو أنه لا توجد تجربة يمكنها إجراؤها داخل المختبر المختوم لتحديد ما إذا كانت تطفو في الفضاء أو تسقط بحرية في مجال الجاذبية. 1 بقدر ما هي معنية ، فإن الحالتين تمامًا ما يعادل. تسمى هذه الفكرة القائلة بأن السقوط الحر لا يمكن تمييزه عن انعدام الجاذبية ومن ثم مكافئ له مبدأ التكافؤ.

الجاذبية أم التسارع؟

فكرة أينشتاين البسيطة لها عواقب وخيمة. لنبدأ بالنظر فيما يحدث إذا قفز شخصان متهوران من البنوك المقابلة إلى هوة لا نهاية لها (الشكل 24.4). إذا تجاهلنا احتكاك الهواء ، فيمكننا القول إنه بينما يسقطان بحرية ، فإن كلاهما يتسارع للأسفل بنفس المعدل ولا يشعر بأي قوة خارجية تؤثر عليهما. يمكنهم رمي الكرة ذهابًا وإيابًا ، ودائمًا ما يصوبونها مباشرة تجاه بعضهم البعض ، كما لو لم تكن هناك جاذبية. تسقط الكرة بنفس معدل سقوطها ، لذلك تظل دائمًا في خط بينهما.

لعبة الصيد هذه مختلفة تمامًا على سطح الأرض. كل من يكبر ويشعر بالجاذبية يعرف أن الكرة ، بمجرد رميها ، تسقط على الأرض. وهكذا ، لكي تلعب مع شخص ما ، يجب أن تصوب الكرة لأعلى بحيث تتبع قوسًا - يرتفع ثم يهبط أثناء تحركها للأمام - حتى يتم التقاطها من الطرف الآخر.

لنفترض الآن أننا عزلنا الأشخاص الساقطين والكرة داخل صندوق كبير يسقط معهم. لا أحد داخل الصندوق على علم بأي قوة جاذبية. إذا تركوا الكرة ، فإنها لا تسقط إلى أسفل الصندوق أو في أي مكان آخر ، ولكنها تبقى فقط هناك أو تتحرك في خط مستقيم ، اعتمادًا على ما إذا كانت قد أعطيت أي حركة.

يعيش رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية (ISS) التي تدور حول الأرض في بيئة تمامًا مثل تلك التي يعيشها الأشخاص المحبوسون في صندوق يسقط بحرية (الشكل 24.5). إن محطة الفضاء الدولية التي تدور حول الأرض هي في الواقع "تسقط" بحرية حول الأرض. أثناء السقوط الحر ، يعيش رواد الفضاء في عالم غريب حيث يبدو أنه لا توجد قوة جاذبية. يمكن للمرء أن يعطي مفتاح ربط ، ويتحرك بسرعة ثابتة عبر المختبر المداري. ظل قلم رصاص مثبتًا في الجو كما لو لم تكن هناك قوة مؤثرة عليه.

ارتباط بالتعلم

في بيئة "انعدام الوزن" لمحطة الفضاء الدولية ، لا يتطلب التحرك سوى القليل من الجهد. شاهد رائدة الفضاء كارين نيبيرج وهي توضح كيف يمكنها دفع نفسها بقوة شعرة واحدة.

المظاهر مضللة ، ومع ذلك. هناك قوة في هذا الموقف. كل من محطة الفضاء الدولية ورواد الفضاء يسقطون باستمرار حول الأرض ، بسبب جاذبيتها. ولكن نظرًا لأن جميعها تقع معًا - المكوك ، ورواد الفضاء ، والمفتاح ، والقلم الرصاص - داخل محطة الفضاء الدولية ، يبدو أن جميع قوى الجاذبية غائبة.

وهكذا ، فإن محطة الفضاء الدولية التي تدور في المدار تقدم مثالًا ممتازًا لمبدأ التكافؤ - كيف يمكن تعويض التأثيرات المحلية للجاذبية تمامًا بالتسارع الصحيح. بالنسبة لرواد الفضاء ، فإن السقوط حول الأرض يخلق نفس تأثيرات البعد في الفضاء ، بعيدًا عن جميع تأثيرات الجاذبية.

دروب الضوء والمادة

افترض أينشتاين أن مبدأ التكافؤ هو حقيقة أساسية في الطبيعة ، وأنه موجود لا تجربة داخل أي مركبة فضائية يمكن من خلالها لرائد فضاء التمييز بين انعدام الوزن في الفضاء البعيد والوقوع في السقوط الحر بالقرب من كوكب مثل الأرض. وهذا ينطبق أيضًا على التجارب التي تُجرى باستخدام أشعة الضوء. ولكن في اللحظة التي نستخدم فيها الضوء في تجاربنا ، فإننا نتوصل إلى بعض الاستنتاجات المزعجة للغاية - وهذه الاستنتاجات هي التي تقودنا إلى النسبية العامة ونظرة جديدة للجاذبية.

يبدو واضحًا لنا ، من الملاحظات اليومية ، أن حزم الضوء تنتقل في خطوط مستقيمة. تخيل أن مركبة فضائية تتحرك عبر الفضاء الفارغ بعيدًا عن أي جاذبية. أرسل شعاع ليزر من مؤخرة السفينة إلى الأمام ، وسوف ينتقل في خط مستقيم لطيف ويهبط على الجدار الأمامي بالضبط المقابل للنقطة التي غادرت منها الجدار الخلفي. إذا كان مبدأ التكافؤ ينطبق حقًا عالميًا ، فإن نفس التجربة التي أجريت في السقوط الحر حول الأرض يجب أن تعطينا نفس النتيجة.

تخيل الآن أن رواد الفضاء يسلطون مرة أخرى شعاعًا من الضوء على طول سفينتهم. ولكن ، كما هو موضح في الشكل 24.6 ، تقع المحطة الفضائية المدارية هذه المرة قليلاً بين الوقت الذي يغادر فيه الضوء الجدار الخلفي والوقت الذي يصطدم فيه بالجدار الأمامي. (إن مقدار السقوط مبالغ فيه بشكل كبير في الشكل 24.6 لتوضيح التأثير.) لذلك ، إذا كان شعاع الضوء يتبع خطًا مستقيمًا ولكن مسار السفينة ينحني لأسفل ، فيجب أن يضرب الضوء الجدار الأمامي عند نقطة أعلى من النقطة التي غادرت منها.

ومع ذلك ، فإن هذا ينتهك مبدأ التكافؤ - ستعطي التجربتان نتائج مختلفة. وبالتالي فإننا نواجه التخلي عن أحد افتراضاتنا. إما أن مبدأ التكافؤ غير صحيح ، أو أن الضوء لا ينتقل دائمًا في خطوط مستقيمة. بدلاً من إسقاط ما بدا في ذلك الوقت على الأرجح كفكرة سخيفة ، توصل أينشتاين إلى ما يحدث إذا حدث الضوء أحيانًا ليس اتبع طريقًا مستقيمًا.

لنفترض أن مبدأ التكافؤ صحيح. ثم يجب أن يصل شعاع الضوء مباشرة مقابل النقطة التي بدأ منها في السفينة. الضوء ، مثل الكرة ألقيت ذهابًا وإيابًا يجب أن تقع مع السفينة في مدار حول الأرض (انظر الشكل 24.6). هذا من شأنه أن يجعل مسارها ينحني لأسفل ، مثل مسار الكرة ، وبالتالي سيصطدم الضوء بالجدار الأمامي المقابل تمامًا للبقعة التي أتت منها.

بالتفكير في هذا الأمر ، قد تستنتج أنه لا يبدو مشكلة كبيرة: لماذا لا تستطيع الضوء يسقط كما تفعل الكرات؟ ولكن ، كما نوقش في Radiation and Spectra ، يختلف الضوء اختلافًا عميقًا عن الكرات. الكرات لها كتلة ، بينما الضوء ليس كذلك.

هذا هو المكان الذي سمح فيه حدس أينشتاين وعبقريته بإحداث قفزة عميقة. لقد أعطى معنى فيزيائيًا للنتيجة الغريبة لتجربتنا الفكرية. اقترح أينشتاين أن الضوء ينحني لأسفل ليلتقي بمقدمة المكوك لأن جاذبية الأرض تنحني في الواقع نسيج المكان والزمان. هذه الفكرة المتطرفة - التي سنشرحها لاحقًا - تحافظ على سلوك الضوء كما هو في كل من الفضاء الفارغ والسقوط الحر ، لكنها تغير بعضًا من أفكارنا الأساسية والمعتز بها حول المكان والزمان. السبب في أننا نأخذ اقتراح أينشتاين على محمل الجد هو أنه ، كما سنرى ، تُظهر التجارب الآن بوضوح أن قفزة حدسية كانت صحيحة.


24.5 الثقوب السوداء

دعنا الآن نطبق ما تعلمناه عن انحناء الجاذبية والزمكان على القضية التي بدأنا بها: النواة المنهارة في نجم ضخم للغاية. رأينا أنه إذا كانت كتلة اللب أكبر من حوالي 3 مشمس، تقول النظرية أن لا شيء يمكن أن يوقف النواة من الانهيار إلى الأبد. سوف ندرس هذا الوضع من منظورين: أولاً من وجهة نظر ما قبل أينشتاين ، ثم بمساعدة النسبية العامة.

الانهيار الكلاسيكي

لنبدأ بتجربة فكرية. نريد معرفة السرعات المطلوبة للهروب من جاذبية الأجسام المختلفة. يجب إطلاق صاروخ من سطح الأرض بسرعة عالية جدًا إذا كان يريد الهروب من جاذبية الأرض. في الواقع ، أي جسم - صاروخ ، كرة ، كتاب علم الفلك - يُلقى في الهواء بسرعة أقل من 11 كيلومترًا في الثانية سوف يسقط قريبًا على سطح الأرض.فقط تلك الأجسام أطلقت بسرعة أكبر من هذا سرعة الهروب يمكن أن تبتعد عن الأرض.

سرعة الهروب من سطح الشمس أعلى حتى الآن - 618 كيلومترًا في الثانية. تخيل الآن أننا بدأنا في ضغط الشمس ، مما أجبرها على تقليص قطرها. تذكر أن قوة الجاذبية تعتمد على كلٍ من الكتلة التي تسحبك وعلى بعدك عن مركز جاذبية تلك الكتلة. إذا كانت الشمس مضغوطة ، فإن كتلة ستبقى كما هي ، لكن مسافه: بعدبين نقطة على سطح الشمس وسيصبح المركز أصغر وأصغر. وهكذا ، عندما نضغط النجم ، فإن قوة الجاذبية لجسم ما على سطح الانكماش ستصبح أقوى وأقوى (الشكل 1).

تشكيل ثقب أسود.

شكل 1. إلى اليسار ، رائد فضاء وهمي يطفو بالقرب من سطح نواة نجمية ضخمة على وشك الانهيار. عندما تسقط الكتلة نفسها في كرة أصغر ، ترتفع الجاذبية على سطحها ، مما يجعل من الصعب على أي شيء الهروب من السطح النجمي. في النهاية تنهار الكتلة إلى كرة صغيرة جدًا بحيث تتجاوز سرعة الهروب سرعة الضوء ولا يمكن لأي شيء الهروب. لاحظ أن حجم رائد الفضاء مبالغ فيه. في الصورة الأخيرة ، يكون رائد الفضاء خارج الكرة التي سنطلق عليها اسم أفق الحدث ويتم شده وضغطه بفعل الجاذبية القوية.

عندما تصل الشمس المنكمشة إلى قطر نجم نيوتروني (حوالي 20 كيلومترًا) ، فإن السرعة المطلوبة للهروب من جاذبيتها ستكون حوالي نصف سرعة الضوء. لنفترض أننا نواصل ضغط الشمس إلى قطر أصغر وأصغر. (رأينا أن هذا لا يمكن أن يحدث لنجم مثل شمسنا في العالم الحقيقي بسبب انحلال الإلكترون ، أي التنافر المتبادل بين الإلكترونات المكدسة بإحكام ، هذه مجرد "تجربة فكرية" سريعة للحصول على اتجاهاتنا).

في النهاية ، مع تقلص الشمس ، ستتجاوز سرعة الهروب بالقرب من السطح سرعة الضوء. إذا كانت السرعة التي تحتاجها للابتعاد أسرع من أسرع سرعة ممكنة في الكون ، فلا شيء ، ولا حتى الضوء ، قادر على الهروب. جسم بهذه السرعة الكبيرة للهروب لا يصدر أي ضوء ، وأي شيء يسقط فيه لا يمكن أن يعود أبدًا.

في المصطلحات الحديثة ، نسمي جسمًا لا يستطيع الضوء منه الهروب من الثقب الأسود ، وهو الاسم الذي شاعه العالم الأمريكي جون ويلر بدءًا من أواخر الستينيات (الشكل 2). ومع ذلك ، فإن فكرة وجود مثل هذه الأشياء ليست فكرة جديدة. كتب الأستاذ بجامعة كامبريدج وعالم الفلك الهواة جون ميشيل ورقة بحثية في عام 1783 حول إمكانية وجود نجوم بسرعات هروب تتجاوز سرعة الضوء. وفي عام 1796 ، أجرى عالم الرياضيات الفرنسي بيير سيمون ، ماركيز دي لابلاس ، حسابات مماثلة باستخدام نظرية الجاذبية لنيوتن ، وأطلق على الأجسام الناتجة اسم "الأجسام المظلمة".

جون ويلر (1911-2008).

الشكل 2. قام هذا الفيزيائي اللامع بالكثير من الأعمال الرائدة في نظرية النسبية العامة ونشر المصطلح ثقب أسود ابتداء من أواخر الستينيات. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة Roy Bishop)

في حين أن هذه الحسابات المبكرة قدمت تلميحات قوية إلى أنه يجب توقع شيء غريب إذا انهارت أجسام ضخمة جدًا تحت تأثير جاذبيتها ، فإننا نحتاج حقًا إلى نظرية النسبية العامة لإعطاء وصف مناسب لما يحدث في مثل هذه الحالة.

الانهيار مع النسبية

تخبرنا النسبية العامة أن الجاذبية هي في الحقيقة انحناء للزمكان. مع زيادة الجاذبية (كما هو الحال في الشمس المنهارة في تجربتنا الفكرية) ، يصبح الانحناء أكبر وأكبر. في النهاية ، إذا تمكنت الشمس من الانكماش إلى قطر يبلغ حوالي 6 كيلومترات ، فلن يفلت منها إلا حزم الضوء المرسلة بشكل عمودي على السطح. كل الآخرين سوف يعودون إلى النجمة (الشكل 3). إذا تمكنت الشمس بعد ذلك من الانكماش أكثر من ذلك بقليل ، فلن يتمكن حتى شعاع الضوء المتبقي من الهروب.

مسارات الضوء بالقرب من كائن ضخم.

الشكل 3. لنفترض أن أي شخص يمكنه الوقوف على سطح نجم عادي باستخدام مصباح يدوي. ينتقل الضوء الذي يخرج من المصباح في خط مستقيم بغض النظر عن مكان توجيه المصباح. فكر الآن فيما يحدث إذا انهار النجم بحيث يكون أكبر بقليل من الثقب الأسود. تنحني جميع مسارات الضوء ، باستثناء المسار المستقيم لأعلى ، إلى السطح مرة أخرى. عندما ينكمش النجم داخل أفق الحدث ويصبح ثقبًا أسود ، حتى الشعاع الموجه إلى الأعلى يعود بشكل مستقيم.

ضع في اعتبارك أن الجاذبية لا تسحب الضوء. أدى تركيز المادة إلى انحناء الزمكان ، والضوء (مثل النملة المدربة في مثالنا السابق) "يبذل قصارى جهده" للسير في خط مستقيم ، ومع ذلك فهو الآن يواجه عالمًا كانت فيه الخطوط المستقيمة التي كانت تتحرك للخارج تصبح مسارات منحنية تؤدي إلى العودة. النجم المنهار هو ثقب أسود في هذا الرأي ، لأن مفهوم "الخارج" ذاته ليس له معنى هندسي. أصبح النجم محاصرًا في جيبه الصغير من الزمكان ، الذي لا مفر منه.

تقطع هندسة النجم الاتصال ببقية الكون في اللحظة التي تصبح فيها سرعة الهروب ، في صورتنا السابقة ، مساوية لسرعة الضوء. يحدد حجم النجم في هذه اللحظة السطح الذي نسميه أفق الحدث. إنه اسم وصفي رائع: تمامًا كما لا يمكن رؤية الأشياء التي تغرق تحت أفقنا على الأرض ، لذا فإن أي شيء يحدث داخل أفق الحدث لا يمكن أن يتفاعل مع بقية الكون.

تخيل أن مركبة فضائية مستقبلية حمقاء بما يكفي لتهبط على سطح نجم ضخم تمامًا كما تبدأ في الانهيار بالطريقة التي وصفناها. ربما كان القبطان نائماً عند مقياس الجاذبية ، وقبل أن يقول الطاقم "ألبرت أينشتاين" ، انهاروا مع النجم داخل أفق الحدث. بشكل محموم ، يرسلون حجرة الهروب مباشرة إلى الخارج. لكن المسارات الخارجية تلتف لتصبح مسارات للداخل ، ويستدير الكبسولة ويسقط باتجاه مركز الثقب الأسود. يرسلون رسالة إذاعية لأحبائهم يودعونهم. لكن موجات الراديو ، مثل الضوء ، يجب أن تنتقل عبر الزمكان ، والزمكان المنحني لا يسمح بخروج أي شيء. تظل رسالتهم الأخيرة غير مسموعة. لا يمكن للأحداث التي تقع داخل أفق الحدث أن تؤثر مرة أخرى على الأحداث خارجها.

تم تحديد خصائص أفق الحدث لأول مرة من قبل عالم الفلك والرياضيات كارل شوارزشيلد (الشكل 4). كان أحد أفراد الجيش الألماني في الحرب العالمية الأولى ، وتوفي عام 1916 بسبب مرض أصيب به أثناء إجراء حسابات لقذائف المدفعية على الجبهة الروسية. كانت ورقته البحثية حول نظرية آفاق الحدث من بين الأشياء الأخيرة التي أنهىها بينما كان يحتضر ، كان الحل الدقيق الأول لمعادلات أينشتاين للنسبية العامة. نصف قطر أفق الحدث يسمى نصف قطر شوارزشيلد في ذاكرته.

كارل شوارزشيلد (1873-1916).

الشكل 4. كان هذا العالم الألماني أول من أظهر رياضيًا أن الثقب الأسود ممكن وتحديد حجم أفق الحدث للثقب الأسود غير الدوار. أفق الحدث هي حدود ثقب أسود تظهر الحسابات أنه لا يصغر بمجرد أن ينهار النجم بأكمله بداخله. إنها المنطقة التي تفصل الأشياء المحبوسة بداخلها عن بقية الكون. يتم أيضًا احتجاز أي شيء قادم من الخارج بمجرد دخوله أفق الحدث. اتضح أن حجم الأفق يعتمد فقط على الكتلة الموجودة بداخله. إذا كانت الشمس بكتلتها 1 مشمس، سيكون ثقبًا أسود (لحسن الحظ ، لا يمكن - هذه مجرد تجربة فكرية) ، سيكون نصف قطر شوارزشيلد حوالي 3 كيلومترات ، وبالتالي ، سيكون الثقب الأسود بأكمله حوالي ثلث حجم النجم النيوتروني نفس الكتلة. قم بتغذية الثقب الأسود ببعض الكتلة ، وسوف ينمو الأفق - لكن ليس كثيرًا. مضاعفة الكتلة ستجعل نصف قطر الثقب الأسود 6 كيلومترات ، ولا يزال صغيرًا جدًا على المقياس الكوني ، وأفق الحدث للثقوب السوداء الأكثر ضخامة يكون نصف قطرها أكبر. على سبيل المثال ، إذا أمكن لعنقود كروي مكون من 100000 نجم (كتل شمسية) أن ينهار ويتحول إلى ثقب أسود ، فسيكون نصف قطره 300000 كيلومتر ، أي أقل بقليل من نصف نصف قطر الشمس. إذا كان من الممكن أن تنهار المجرة بأكملها إلى ثقب أسود ، فسيكون نصف قطرها حوالي 10 12 كيلومترًا - حوالي عُشر سنة ضوئية. الكتل الأصغر لها آفاق أصغر بالمقابل: لكي تصبح الأرض ثقبًا أسود ، يجب أن يتم ضغطها إلى نصف قطر 1 سم فقط - أقل من حجم حبة العنب. الكويكب النموذجي ، إذا سحق إلى حجم صغير بما يكفي ليكون ثقبًا أسود ، سيكون له أبعاد نواة ذرية.

الثقب الأسود لمجرة درب التبانة

يعتمد حجم أفق الحدث للثقب الأسود على كتلة الثقب الأسود. كلما زادت الكتلة ، زاد نصف قطر أفق الحدث. تظهر حسابات النسبية العامة أن صيغة نصف قطر شوارزشيلد (صس) من أفق الحدث

أين ج هي سرعة الضوء ، جي هو ثابت الجاذبية ، و م هي كتلة الثقب الأسود. لاحظ أنه في هذه الصيغة ، 2 ، جي، و ج كلها ثابتة فقط الكتلة تتغير من ثقب أسود إلى ثقب أسود.

كما سنرى في الفصل الخاص بمجرة درب التبانة ، تتبع علماء الفلك مسارات عدة نجوم بالقرب من مركز مجرتنا ووجدوا أنها تبدو وكأنها تدور حول جسم غير مرئي - يُطلق عليه اسم Sgr A * (يُنطق بـ "القوس النجم A" ") - كتلتها حوالي 4 ملايين كتلة شمسية. ما هو حجم نصف قطر شفارتزشيلد؟

حل

تبلغ هذه المسافة حوالي خمس نصف قطر مدار عطارد حول الشمس ، ومع ذلك فإن الجسم يحتوي على 4 ملايين كتلة شمسية ولا يمكن رؤيته بأكبر تلسكوباتنا. يمكنك أن ترى سبب قناعة الفلكيين بأن هذا الجسم عبارة عن ثقب أسود.

تحقق من التعلم الخاص بك

ما هو حجم الثقب الأسود الذي يحتوي فقط على نفس القدر من كتلة الشاحنة الصغيرة (حوالي 3000 كجم)؟ (لاحظ أن شيئًا ما بكتلة صغيرة جدًا لا يمكنه أبدًا تكوين ثقب أسود ، ولكن من المثير التفكير في النتيجة.)

إجابه:

يعطي استبدال البيانات في معادلتنا للمقارنة ، حجم البروتون عادة ما يكون حوالي 8 × 10 m16 م ، والذي سيكون أكبر بحوالي عشرة ملايين مرة.

أسطورة الثقب الأسود

الكثير من الفلكلور الحديث عن الثقوب السوداء مضلل. إحدى الأفكار التي ربما تكون قد سمعتها هي أن الثقوب السوداء تقوم بامتصاص الأشياء بجاذبيتها. في الواقع ، فإن التأثيرات الغريبة التي كنا نناقشها تلعب دورًا قريبًا جدًا من الثقب الأسود. جاذبية الجاذبية البعيدة عن الثقب الأسود هي نفسها جاذبية النجم الذي انهار ليشكله.

تذكر أن جاذبية أي نجم على بعد مسافة معينة تعمل كما لو كانت كل كتلته مركزة في نقطة في المركز ، والتي نسميها مركز الجاذبية. بالنسبة للنجوم الحقيقية ، نحن فقط يتصور أن كل الكتلة تتركز هناك للثقوب السوداء ، كل الكتلة حقا هو تتركز عند نقطة في المركز.

لذلك ، إذا كنت نجمًا أو كوكبًا بعيدًا يدور حول نجم يتحول إلى ثقب أسود ، فقد لا يتأثر مدارك بشكل كبير بانهيار النجم (على الرغم من أنه قد يتأثر بأي خسارة في الكتلة تسبق الانهيار). من ناحية أخرى ، إذا كنت تغامر بالقرب من أفق الحدث ، فسيكون من الصعب عليك مقاومة "سحب" الزمكان الملتوي بالقرب من الثقب الأسود. عليك الاقتراب حقًا من الثقب الأسود لتجربة أي تأثير كبير.

إذا مر نجم آخر أو مركبة فضائية بنصف قطر شمسي أو اثنين من ثقب أسود ، فإن قوانين نيوتن ستكون كافية لوصف ما سيحدث لها. فقط بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود تكون الجاذبية قوية جدًا لدرجة أن قوانين نيوتن تنهار. إن بقايا الثقب الأسود لنجم هائل قادم إلى منطقتنا ستكون أكثر أمانًا بالنسبة لنا من تجسيدها السابق كنجم لامع وساخن.

الجاذبية وآلات الوقت

تعتبر آلات الزمن من الأجهزة المفضلة للخيال العلمي. سيسمح لك هذا الجهاز بالتحرك عبر الزمن بوتيرة مختلفة أو في اتجاه مختلف عن أي شخص آخر. تشير النسبية العامة إلى أنه من الممكن ، من الناحية النظرية ، بناء آلة زمنية باستخدام الجاذبية يمكن أن تأخذك إلى المستقبل.

لنتخيل مكانًا تكون فيه الجاذبية قوية بشكل رهيب ، مثل بالقرب من ثقب أسود. تتنبأ النسبية العامة بأنه كلما كانت الجاذبية أقوى ، كانت وتيرة الزمن أبطأ (كما يراها مراقب بعيد). لذا ، تخيل رائد فضاء مستقبلي ، بسفينة فضاء سريعة وقوية البناء ، يتطوع للذهاب في مهمة إلى مثل هذه البيئة عالية الجاذبية. غادرت رائدة الفضاء في عام 2222 ، بعد تخرجها من الكلية في سن الثانية والعشرين مباشرة. لنفترض أنها تستغرق 10 سنوات بالضبط للوصول إلى الثقب الأسود. بمجرد الوصول إلى هناك ، تدور حول بعض المسافة منه ، مع الحرص على عدم الانجرار.

إنها الآن في عالم شديد الجاذبية حيث يمر الوقت ببطء أكثر مما يمر به على الأرض. هذا ليس مجرد تأثير على آلية ساعاتها -الوقت نفسه يعمل ببطء. هذا يعني أن كل طريقة لديها لقياس الوقت ستعطي نفس القراءة البطيئة عند مقارنتها بالوقت الذي يمر على الأرض. سينبض قلبها بشكل أبطأ ، وسينمو شعرها بشكل أبطأ ، وستدق ساعة يدها العتيقة ببطء ، وهكذا. وهي لا تدرك هذا التباطؤ لأن كل قراءاتها للوقت ، سواء أكانت بواسطة وظائفها الجسدية أو باستخدام معدات ميكانيكية ، تقيس الوقت نفسه - أبطأ -. في هذه الأثناء ، بالعودة إلى الأرض ، يمر الوقت كما هو الحال دائمًا.

تخرج رائدة الفضاء لدينا الآن من منطقة الثقب الأسود ، وانتهت مهمتها الاستكشافية ، وتعود إلى الأرض. قبل المغادرة ، لاحظت بعناية أنها (وفقًا لساعاتها) أمضت حوالي أسبوعين حول الثقب الأسود. ثم استغرقت 10 سنوات بالضبط للعودة إلى الأرض. تخبرها حساباتها أنه منذ أن كانت في الثانية والعشرين من عمرها عندما غادرت الأرض ، ستبلغ 42 بالإضافة إلى أسبوعين عند عودتها. لذا ، فإن العام على الأرض ، كما تعتقد ، يجب أن يكون 2242 ، ويجب أن يقترب زملاؤها الآن من أزمات منتصف العمر.

لكن كان ينبغي على رائدة الفضاء لدينا أن تولي المزيد من الاهتمام في فصل علم الفلك! نظرًا لأن الوقت تباطأ بالقرب من الثقب الأسود ، فقد مر عليها وقت أقل بكثير من الوقت الذي مر به الناس على الأرض. بينما تم قياس ساعاتها لمدة أسبوعين قضاها بالقرب من الثقب الأسود ، فإن أكثر من 2000 أسبوع (اعتمادًا على مدى قربها) من الممكن أن تكون قد مرت على الأرض. هذا يساوي 40 عامًا ، مما يعني أن زملائها في الفصل سيكونون من كبار السن في الثمانينيات من العمر عندما تعود (تبلغ من العمر 42 عامًا فقط). على الأرض لن تكون 2242 ، بل 2282 - وستقول إنها وصلت فى المستقبل.

هل هذا السيناريو حقيقي؟ حسنًا ، لديه بعض التحديات العملية: لا نعتقد أن أي ثقوب سوداء قريبة بما يكفي لنصل إليها في غضون 10 سنوات ، ولا نعتقد أن أي مركبة فضائية أو إنسان يمكنه البقاء بالقرب من ثقب أسود. لكن النقطة الأساسية حول تباطؤ الوقت هي نتيجة طبيعية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، ورأينا أن تنبؤاتها قد تم تأكيدها من خلال تجربة بعد تجربة.

أصبحت مثل هذه التطورات في فهم العلم مصدر إلهام لكتاب الخيال العلمي. في الآونة الأخيرة ، الفيلم واقع بين النجوم أظهر بطل الرواية السفر بالقرب من ثقب أسود هائل ، والتأخير الناتج في شيخوخته بالنسبة لعائلته الأرضية هو جزء أساسي من المؤامرة.

روايات الخيال العلمي مثل بوابة بواسطة فريدريك بول و عالم خارج الزمن بقلم لاري نيفن ، استفد أيضًا من تباطؤ الوقت بالقرب من الثقوب السوداء كنقاط تحول رئيسية في القصة. للحصول على قائمة بقصص الخيال العلمي المبنية على علم الفلك الجيد ، يمكنك الانتقال إلى www.astrosociety.org/scifi.

رحلة إلى الثقب الأسود

حقيقة أن العلماء لا يمكنهم رؤية الثقوب السوداء داخلها لم تمنعهم من محاولة حساب شكلها. أحد الأشياء الأولى التي أظهرتها هذه الحسابات هو أن تشكل الثقب الأسود يطمس تقريبًا جميع المعلومات حول النجم الذي انهار ليشكله. يحب الفيزيائيون أن يقولوا "الثقوب السوداء ليس لها شعر" ، مما يعني أنه لا شيء يخرج من الثقب الأسود ليعطينا أدلة حول نوع النجم الذي أنتجه أو المواد التي سقطت بداخله. المعلومات الوحيدة التي يمكن أن يكشفها الثقب الأسود عن نفسه هي كتلته ودورانه وما إذا كان يحتوي على أي شحنة كهربائية.

ماذا يحدث لنواة النجم المنهارة التي كونت الثقب الأسود؟ تتنبأ أفضل حساباتنا بأن المادة ستستمر في الانهيار تحت ثقل وزنها ، وتشكل ما لا نهاية له سكوزين نقطة - مكان حجمه صفر وكثافة لانهائية - نطلق عليها اسم التفرد. عند التفرد ، لم يعد الزمكان من الوجود. قوانين الفيزياء كما نعرفها تنهار. ليس لدينا حتى الآن الفهم المادي أو الأدوات الرياضية لوصف التفرد نفسه ، أو حتى إذا حدثت التفردات بالفعل. من الخارج ، ومع ذلك ، يمكن وصف البنية الكاملة للثقب الأسود الأساسي (الذي لا يدور) على أنها حالة فردية محاطة بأفق الحدث. بالمقارنة مع البشر ، فإن الثقوب السوداء هي في الحقيقة أشياء بسيطة للغاية.

حسب العلماء أيضًا ماذا سيحدث إذا سقط رائد فضاء في ثقب أسود. لنأخذ موقع مراقبة على مسافة طويلة وآمنة بعيدًا عن أفق الحدث ونشاهد رائد الفضاء هذا يسقط باتجاهه. في البداية يبتعد عنا ، يتحرك بشكل أسرع ، كما لو كان يقترب من أي نجم ضخم. ومع ذلك ، عندما يقترب من أفق الحدث للثقب الأسود ، تتغير الأشياء. سيجعل مجال الجاذبية القوي حول الثقب الأسود ساعاته تعمل بشكل أبطأ ، عند رؤيتها من منظورنا الخارجي.

إذا كان ، وهو يقترب من أفق الحدث ، يرسل إشارة مرة واحدة في الثانية وفقًا لساعته ، فسنرى أن التباعد بين إشاراته يزداد أطول وأطول حتى يصبح طويلًا بشكل غير محدود عندما يصل إلى أفق الحدث. (بالتذكير بمناقشتنا حول الانزياح الأحمر الجاذبي ، يمكننا القول أنه إذا استخدم رائد الفضاء الضوء الأزرق لإرسال إشاراته كل ثانية ، فسنرى الضوء يزداد احمرارًا وأكثر احمرارًا حتى يصبح طول موجته غير محدود تقريبًا). يقترب من اللانهاية ، سيظهر لنا أن رائد الفضاء يقترب ببطء من التوقف ، متجمدًا في الوقت المناسب في أفق الحدث.

بالطريقة نفسها ، ستظهر أيضًا كل المادة التي تسقط في الثقب الأسود لمراقب خارجي لتتوقف عند أفق الحدث ، مجمدة في مكانها وتستغرق وقتًا لانهائيًا لتسقط خلاله. لكن لا تعتقد أن سقوط المادة في الثقب الأسود سيكون بالتالي مرئيًا بسهولة في أفق الحدث. سوف يجعل الانزياح الأحمر الهائل من الصعب للغاية مراقبة أي إشعاع من ضحايا "التجميد" للثقب الأسود.

ومع ذلك ، هذه هي الطريقة التي نرى بها الأشياء بعيدًا عن الثقب الأسود. بالنسبة لرائد الفضاء ، يمر وقته بمعدله الطبيعي ويسقط مباشرة عبر أفق الحدث في الثقب الأسود. (تذكر أن هذا الأفق ليس حاجزًا ماديًا ، ولكنه فقط منطقة في الفضاء حيث يجعل انحناء الزمكان الهروب أمرًا مستحيلًا).

قد تواجه مشكلة في فكرة أن لديك (تشاهد من بعيد) ورائد الفضاء (الوقوع) أفكارًا مختلفة حول ما حدث.هذا هو سبب تسمية أفكار أينشتاين حول المكان والزمان بنظريات النسبية. يعتمد ما يقيسه كل مراقب عن العالم على (يتعلق) بإطاره المرجعي. الراصد في الجاذبية القوية يقيس الزمان والمكان بشكل مختلف عن الراصد الذي يجلس في الجاذبية الأضعف. عندما اقترح أينشتاين هذه الأفكار ، واجه العديد من العلماء أيضًا صعوبة في فكرة أن رأيين مختلفين للحدث نفسه يمكن أن يكونا صحيحين ، كل منهما في "العالم" الخاص به ، وحاولوا اكتشاف خطأ في الحسابات. لم تكن هناك أخطاء: فنحن ورائد الفضاء سنراه يسقط في ثقب أسود بطريقة مختلفة تمامًا.

بالنسبة لرائد الفضاء ، ليس هناك عودة للوراء. بمجرد دخول أفق الحدث ، سيبقى رائد الفضاء ، إلى جانب أي إشارات من جهاز الإرسال اللاسلكي الخاص به ، مخفيًا إلى الأبد عن الكون في الخارج. ومع ذلك ، لن يكون لديه وقت طويل (من وجهة نظره) ليشعر بالأسف على نفسه عندما يقترب من الثقب الأسود. افترض أنه يسقط قدميه أولاً. قوة الجاذبية التي تمارسها التفرد على قدميه أكبر من قوة الجاذبية التي تمارسها على رأسه ، لذلك سوف يتمدد قليلاً. نظرًا لأن التفرد هو نقطة ، فسيتم سحب الجانب الأيسر من جسده قليلاً نحو اليمين ، واليمين قليلاً نحو اليسار ، مما يجعل كل جانب أقرب إلى التفرد. لذلك ، سيتم ضغط رائد الفضاء قليلاً في اتجاه واحد وامتداده في الاتجاه الآخر. يحب بعض العلماء تسمية عملية التمدد والتضييق هذه السباغيتيتيف. تعتمد النقطة التي يصبح فيها رائد الفضاء مشدودًا لدرجة أنه يموت على حجم الثقب الأسود. بالنسبة للثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها مليارات المرات من كتلة الشمس ، مثل تلك الموجودة في مراكز المجرات ، يصبح التعرق السباغي مهمًا فقط بعد مرور رائد الفضاء عبر أفق الحدث. بالنسبة للثقوب السوداء ذات الكتل الشمسية القليلة ، سيتمدد رائد الفضاء وتمزيقه حتى قبل أن يصل إلى أفق الحدث.

تمارس الأرض نفس الشيء قوى المد والجزر على رائد فضاء يقوم بالسير في الفضاء. في حالة الأرض ، تكون قوى المد والجزر صغيرة جدًا لدرجة أنها لا تشكل أي تهديد لصحة وسلامة رائد الفضاء. ليس الأمر كذلك في حالة الثقب الأسود. عاجلاً أم آجلاً ، مع اقتراب رائد الفضاء من الثقب الأسود ، ستصبح قوى المد والجزر كبيرة جدًا لدرجة أن رائد الفضاء سيتمزق ، وفي النهاية يتحول إلى مجموعة من الذرات الفردية التي ستواصل سقوطها الذي لا يرحم في التفرد.

من المناقشة السابقة ، من المحتمل أن توافق على أن القفز إلى الثقب الأسود هو بالتأكيد تجربة تحدث مرة واحدة في العمر! يمكنك أن ترى تفسيرًا جذابًا لموت الثقب الأسود من قبل نيل دي جراس تايسون ، حيث يشرح تأثير قوى المد والجزر على جسم الإنسان حتى يموت عن طريق السباغيتي.

يتم تقديم نظرة عامة على الثقوب السوداء في مقتطف فيديو قناة ديسكفري.

المفاهيم الأساسية والملخص

تشير النظرية إلى أن النجوم ذات النوى النجمية التي تزيد كتلتها عن ثلاثة أضعاف كتلة الشمس في الوقت الذي تستنفد فيه وقودها النووي ستنهار لتصبح ثقوبًا سوداء. يُطلق على السطح المحيط بالثقب الأسود ، حيث تساوي سرعة الهروب سرعة الضوء ، أفق الحدث ، ويطلق على نصف قطر السطح نصف قطر شوارزشيلد. لا شيء ، ولا حتى الضوء ، يمكنه الهروب عبر أفق الحدث من الثقب الأسود. في مركزه ، يُعتقد أن لكل ثقب أسود تفرّد ، ونقطة كثافة لا نهائية وحجم صفري. تظهر المادة التي تسقط في الثقب الأسود ، كما يراها مراقب خارجي ، وكأنها تتجمد في موضعها في أفق الحدث. ومع ذلك ، إذا كنا نركب على الأمر المتعثر ، فسنمر عبر أفق الحدث. عندما نقترب من التفرد ، فإن قوى المد والجزر ستمزق أجسادنا حتى قبل أن نصل إلى التفرد.

قائمة المصطلحات


شاهد الفيديو: سناب: فيلم انترستلر ونظرية آينشتاين النسبية العامة. (شهر فبراير 2023).