الفلك

لماذا تعطي الفيزياء النيوتونية نصف القطر الصحيح للثقب الأسود؟

لماذا تعطي الفيزياء النيوتونية نصف القطر الصحيح للثقب الأسود؟

عند حساب المسافة التي تكون عندها سرعة الهروب مساوية لسرعة الضوء ، تكون النتيجة مساوية لنصف قطر شوارزشيلد. هل هذه مجرد مصادفة ، أم أن هناك سببًا ماديًا يجعل التقريب النيوتوني يعطي النتيجة الصحيحة؟

إذا لم تكن هذه مصادفة ، فلماذا إذن من المقبول استخدام الفيزياء النيوتونية هنا؟


كما هو موضح في هذه الإجابة ، يشير تحليل الأبعاد إلى أن هذا الشعاع يعتمد على $ GM $ وعلى سرعة مربعة. ومع ذلك ، فإن حقيقة أن الكميتين متساويتان تمامًا ، بدلاً من أن يكون هناك عامل ثابت بين الاثنين هو مجرد مصادفة.


هناك عاملان أعرفهما. أولاً ، وهو أقل أهمية ، يتطلب التغلب على الاحتكاك الساكن قوة أكبر من الاحتكاك الحركي. ينطبق هذا على جميع الأجزاء الداخلية التي يجب أن تتخطى بعضها البعض ، وربما على الاحتكاك المتدحرج للإطارات.

ومع ذلك ، فإن السبب الرئيسي يتعلق بكيفية عمل السيارات القائمة على محركات الاحتراق الداخلي. انظر ، محرك الاحتراق الداخلي يمكنه فقط توفير عزم الدوران والطاقة عندما يكون متحركًا بالفعل. لهذا السبب تحتاج إلى محرك كهربائي لبدء تشغيل المحرك عند بدء تشغيل السيارة. فكر الآن فيما إذا كان المحرك مرتبطًا مباشرة بالعجلات بواسطة التروس - فهذا يعني أنه إذا توقفت السيارة ، فإن المحرك لا يعمل. للتغلب على هذه المشكلة ، تحتوي السيارات على قابض بداخلها ينقل عزم الدوران من المحرك إلى صندوق التروس وعمود القيادة. عندما يتم تعشيق القابض بالكامل ، يتم نقل كل عزم الدوران والطاقة. كما هو الحال في عملية الانخراط ، على الرغم من ذلك ، يتم نقل جزء فقط من الطاقة. هذا مهم بشكل خاص عند البدء من السكون لأن هذا الاشتباك الجزئي هو الذي يسمح للعجلات بالوصول إلى السرعة التي يمكن للمحرك توفير عزم الدوران بها دون توقف.

لذا ، خلاصة القول ، يجب أن يكون المحرك قادرًا على توفير المزيد من عزم الدوران بمعدلات دوران منخفضة من أجل تحريك السيارة لأنه لا يتم نقل كل الطاقة إلى مجموعة القيادة بواسطة القابض.

مع وجود محرك كهربائي ، هذه ليست مشكلة - يمكنهم توفير 100٪ من عزم الدوران حتى عند الدوران الصفري.


الإجابات والردود

لقد صادف أننا نعيش في عالم حيث الفيزياء النيوتونية ليست دقيقة. من الممكن تمامًا تخيل عالم تكون فيه القوانين دقيقة في جميع السرعات (قد تواجه فيزياء الجسيمات وبعض المجالات الأخرى مشاكل ، لكن دعونا نتجاهل الجزء المجهري هنا) ، لكن التجارب تظهر أننا لا نعيش في مثل هذا العالم.

لست من ذوي الخبرة في النسبية ، لذلك لست متأكدًا ، لكن أليست القوة الأربعة موازية للتسارع الرابع (ما لم تتغير الكتلة الباقية)؟

الكتلة العددية المعتمدة على السرعة

ليست هناك حاجة إلى نوع من & quotvector mass & quot.

كما قلت في المنشور رقم 7 ، إذا تم التعبير عنه من حيث القوة 4 و 4 ، فإن قانون نيوتن الثاني يتم استرداده كما هو.

قدم نيوتن بعض الافتراضات حول الطبيعة التي تبين أنها غير صحيحة. على سبيل المثال ، مفهوم نيوتن للوقت في التعريفات الواردة في مبادئ ككمية تتحرك للأمام بشكل مستقل بغض النظر عن الحركة (أعيد صياغتها هنا) تم استجوابها لاحقًا من قبل ماخ الذي أثر على أينشتاين. عرف أينشتاين أيضًا أن معادلات ماكسويل تنبأت بموجات كهرومغناطيسية تنتقل جميعها بنفس السرعة. لكن نسبة إلى ماذا؟ بعد رفض الأثير المضيء يرجع ذلك إلى حد كبير إلى تجربة ميشيلسون مورلي ، حيث اقترح أينشتاين افتراضين للنسبية الخاصة - أحدهما هو أن سرعة الضوء هي نفسها لجميع المراقبين بغض النظر عن حالة حركتهم. إحدى نتائج هذه الفرضية (التي لا تفترض أن الوقت يسري على نفس المنوال بالنسبة للجميع) هو أن مقدار الوقت المنقضي يعتمد على حالة حركة المراقبين. هذا (وعواقب أخرى) للنسبية الخاصة مهم فقط عندما تقترب سرعات الأجسام من سرعة الضوء. إذا كانت السرعات منخفضة ، فإن التنبؤات التي قدمتها SR تنخفض إلى ميكانيكا نيوتن.

وبالتالي. للإجابة على السؤال. الافتراضات البديهية هي التي تسبب المشاكل

كما قال آخرون ، لا تزال قوانين نيوتن قابلة للتطبيق في SR إذا قمت بتغيير تعريف القوة والزخم ليكون تعريفاتهم ذات الأربعة ناقلات. ومع ذلك ، من خلال تجربتي المحدودة مع SR ، لاحظت أن مفهوم القوة (بالمعنى النيوتوني) ليس مناسبًا للغاية لمجرد مدى الفوضى التي قد تحصل عليها عند تطبيق تحولات لورنتز. يبدو شكل القوانين متماثلاً عند استخدام المتجهات الأربعة (وهو على الأرجح أحد الأسباب التي أدت إلى تحديد الزخم الأربعة بالطريقة التي كان عليها!) ، لكنني سأجادل بأن هذا ليس حقًا نيوتن القوانين بعد الآن.


انحناء ضوء النجوم هو ضعف التنبؤ النيوتوني

ينطبق مبدأ التكافؤ محليًا فقط ، لذا ستُظهر القياسات المحلية التي يقوم بها مراقب يحوم ما تتوقعه. ومع ذلك ، فإن انحراف ضوء النجم ليس تأثيرًا محليًا - فالضوء ينتقل من اللانهاية ، ويمر بالقرب من الشمس ، ثم يصعد مرة أخرى إلى الأرض. لذلك يجب ألا تتوقع نجاح الحجج القائمة على مبدأ التكافؤ.

التبسيط الذي تقوم به لمعادلات مجال أينشتاين من أجل استعادة الجاذبية النيوتونية تتضمن إهمال ما قد تسميه الانحناء المكاني ، مع الاحتفاظ فقط بمعادلة الوقت والوقت. لذا ، بشكل تقريبي ، الحل هو أن القياسات المحلية ستقيس انحرافًا صغيرًا & quot؛ نيوتن & quot ؛ ولكن إذا قمت بجمعها معًا فإنك تهمل الانحناء المكاني. لن تتناسب مجموعة من المعامل الصغيرة على طول مسار الضوء مع بعضها تمامًا بالطريقة التي يقول إقليدس أنها مناسبة لها - وهذا الفشل في التوافق معًا هو النصف الإضافي من الانحراف.

ينطبق مبدأ التكافؤ محليًا فقط ، لذا ستُظهر القياسات المحلية التي يقوم بها مراقب يحوم ما تتوقعه. ومع ذلك ، فإن انحراف ضوء النجم ليس تأثيرًا محليًا - فالضوء ينتقل من اللانهاية ، ويمر بالقرب من الشمس ، ثم يصعد مرة أخرى إلى الأرض. لذلك يجب ألا تتوقع نجاح الحجج القائمة على مبدأ التكافؤ.

التبسيط الذي تقوم به لمعادلات مجال أينشتاين من أجل استعادة الجاذبية النيوتونية تتضمن إهمال ما قد تسميه الانحناء المكاني ، مع الاحتفاظ فقط بمعادلة الوقت والوقت. لذا ، بشكل تقريبي ، الحل هو أن القياسات المحلية ستقيس انحرافًا صغيرًا & quot؛ نيوتن & quot ؛ ولكن إذا قمت بجمعها معًا فإنك تهمل الانحناء المكاني. لن تتناسب مجموعة من المعامل الصغيرة على طول مسار الضوء مع بعضها تمامًا بالطريقة التي يقول إقليدس أنها مناسبة لها - وهذا الفشل في التوافق معًا هو النصف الإضافي من الانحراف.

يمكن أن أجد في النص المفتوح
https://web.mit.edu/6.055/old/S2009/notes/bending-of-light.pdf
& quot؛ نظرية نيوتن هي حدود النسبية العامة التي تأخذ في الاعتبار فقط انحناء الوقت ، والنسبية العامة نفسها تحسب أيضًا انحناء الفضاء. & quot يمكنك الحصول على مزيد من التفاصيل من خلال قراءتها.

[تعديل]
عندما يقترب المرء من الشمس
الوقت يمر ببطء
يصبح المحيط / نصف القطر أطول
هذه التأثيرات المزدوجة مهمة.

لست متأكدًا من المقياس الذي تفكر فيه لحالة الزي الموحد.

ملخص:: لماذا تتنبأ GR بانحناء ضوء النجوم لنيوتن مرتين؟

هل هذا يعني أن انحناء الضوء في مجال جاذبية موحد هو 2g / c في تناقض واضح لمبدأ التكافؤ؟

لا. في مجال الجاذبية المنتظم ، يكون الانحناء هو القيمة النيوتونية المعتادة التي ذكرتها. يسري مبدأ التكافؤ في جميع أنحاء مجال موحد.

ومع ذلك ، فإن مجال الجاذبية للشمس غير منتظم. هذا هو "الانحناء" في GR. ينطبق مبدأ التكافؤ محليًا فقط بالقرب من الشمس ، على مناطق صغيرة بما يكفي للنظر في التوحيد. ليس على المسار كله. عامل الحسابين لعدم الانتظام على المسار بأكمله.

لا. في مجال الجاذبية المنتظم ، يكون الانحناء هو القيمة النيوتونية المعتادة التي ذكرتها. يسري مبدأ التكافؤ في جميع أنحاء مجال موحد.

ومع ذلك ، فإن مجال الجاذبية للشمس غير منتظم. هذا هو "الانحناء" في GR. ينطبق مبدأ التكافؤ محليًا فقط بالقرب من الشمس ، على مناطق صغيرة بما يكفي للنظر في التوحيد. ليس على المسار كله. عامل الحسابين لعدم الانتظام على المسار بأكمله.

انحناء. يعتقد الكثير من الناس أن جميع تأثيرات الجاذبية في GR ترجع إلى الانحناء. لكن الانحناء في الواقع هو على وجه التحديد تأثيرات جاذبية المد والجزر أو الجاذبية غير المنتظمة.

ولكن يمكنك القيام بتقريب آخر ، بتعيين ## 2M / r simeq 2 M / R = text## ، على الرغم من أنني لا أعتقد أنه من المنطقي في انحناء الضوء على النجم ، لأنك تفكر هناك في المدار غير المنضم (الذي يشبه القطع الزائد) لـ & quotphoton & quot.

رياضيًا ، لا يزال لديك كلا الانحرافين عن Minkowski في المقياس ، أي في كلا المكونين ## g_ <00> ## ، ## g_ <11> ##. لم أقم بحساب انحناء الضوء في هذا التقريب مطلقًا ، لكن ألا يوجد نفس العامل 2 لزاوية الانحراف مقارنة بالتقريب الساذج ## g_ <11> = -1 ##؟

الحساب ليس تافها. إنه موجود في كتاب هارتل ، وبلغ ذروته في المعادلة $ delta phi = frac <4GM>$ حيث ## delta phi ## هو الانحراف الزاوي و ## b ## هو معامل التأثير.

سنحتاج إلى إجراء الحساب المكافئ لجسيم في قوة التربيع العكسية النيوتونية ، يتحرك بسرعة الضوء. لا أعتقد أنني حصلت على ذلك في ملاحظاتي في أي مكان!

ملاحظة: يمكن العثور على انحراف المربع العكسي الكلاسيكي هنا ، المعادلة (4.20):

$ delta phi = 2 tan ^ <-1> ( frac) $ إذا أخذنا الحالة التي ## frac## صغير (كانت معادلة Hartle صريحة لهذه الحالة) واستخدم توسعة Taylor لـ ## tan ^ <-1> ## ، نحصل على:
$ delta phi = frac <2GM>$ وهو نصف المبلغ المحسوب من GR.

لاحظ أيضًا أن هذه تقديرات تقريبية للحالة الخاصة لانحراف بسيط. الرياضيات ، كما يحدث غالبًا ، تصبح فوضوية.

ملاحظة: الحساب الكلاسيكي موجود هنا أيضًا (على الرغم من أنه يقتبس فقط نتيجة GR).

ملاحظة: الحساب الكلاسيكي موجود هنا أيضًا (على الرغم من أنه يقتبس فقط نتيجة GR).

الفيزياء غير الرياضية طريق مسدود. قد تكون قادرًا على إقناع نفسك بهذا أو ذاك أو ذاك ، لكن ليس لديك طريقة مؤكدة لمعرفة أين سيقودك تفكيرك إلى الضلال.

بمجرد أن يكون لديك أساس رياضي ، سيكون هناك كل ما يمكن قوله.

على أي حال ، الملاحظات التي ربطتها بها نكون الفيزياء الجامعية. تعتمد الفيزياء على الرياضيات وليس على التفكير الصوفي. عبارات مثل & quot ؛ التشوهات المقتبسة & quot ، & quot ؛ & quot ؛ اقتباس مجال الجاذبية & quot ، & quot ؛ سحب الضوء & quot ، كلها غير دقيقة لدرجة أنها لا معنى لها.

الفيزياء غير الرياضية طريق مسدود. قد تكون قادرًا على إقناع نفسك بهذا أو ذاك أو ذاك ، لكن ليس لديك طريقة مؤكدة لمعرفة أين سيقودك تفكيرك إلى الضلال.

بمجرد أن يكون لديك أساس رياضي ، سيكون هناك كل ما يمكن قوله.

على أي حال ، الملاحظات التي ربطتها بها نكون الفيزياء الجامعية. تعتمد الفيزياء على الرياضيات وليس على التفكير الصوفي. عبارات مثل & quot ؛ التشوهات المقتبسة & quot ، & quot ؛ & quot ؛ اقتباس مجال الجاذبية & quot ، & quot ؛ سحب الضوء & quot ، كلها غير دقيقة لدرجة أنها لا معنى لها.

من الأفضل عدم التفكير في أن الضوء ينحني ، بل يتحرك في خط مستقيم عبر الزمكان المنحني.

تخيل أنك تقف عند خط استواء الأرض وتبدأ بالسير في خط مستقيم s باتجاه الشمال. أفعل نفس الشيء في نفس الوقت ، إلا أن نقطة البداية هي على بعد أمتار قليلة من يسارك. ستجد أنه على الرغم من أن مساراتنا كانت متوازية في البداية ، إلا أن طريقي يتجه نحوك تدريجيًا حتى نصطدم بالقطب الشمالي. يمكنك تفسير ذلك إما بالقول إنك تمشي في خط مستقيم أثناء انحناء طريقي أو بالقول إننا نتحرك في خط مستقيم ولكن سطح الأرض منحني بحيث تقترب المسارات المتوازية في البداية وتتقاطع.
شخص ما يسير في خط مستقيم على فضاء منحني ثنائي الأبعاد (سطح الأرض) ليس تشبيهًا رائعًا لوميض من الضوء يتحرك في خط مستقيم من خلال زمكان رباعي الأبعاد منحني ، ولكنه تفسير جيد. كما يمكننا الاستغناء عن الرياضيات.

هذا أكثر تعقيدًا مما يبدو ، لأنه في GR مفهوم & quotgravitational field & quot؛ محدودة للغاية.

يوجد شيء مشابه لحقل الجاذبية الكلاسيكي في عدد قليل (مهم ومناقش بشكل متكرر - الزمكان حول جسم ضخم مثل الشمس واحد) ، ولا يتضمن أي من هذه الحالات نوع الدوران الذي تفكر فيه. بالنسبة للحالات الأكثر عمومية ، نحدد من حيث المبدأ توزيع الإجهاد والطاقة ، ونقوم بإدخال ذلك في معادلات مجال أينشتاين (64 معادلات تفاضلية جزئية غير خطية مقترنة) ، وحلها للموتر المتري ، ثم نحسب مسارات الأشياء (كائنات في السقوط الحر ، ومضات من الضوء) أثناء تحركها عبر الزمكان الموصوف بواسطة موتر متري - a & quot؛ مجال الجاذبية & quot الذي نعتبره يمارس قوة على الأشياء فقط ليس في أي مكان في الحل.

يمكن تطبيق Paraboloid Flamm's على موقف معين واحد فقط: جسم متماثل كروي غير متحرك ومعزول مثل الشمس. لن يكون من المفيد محاولة تخيل أي شيء آخر.


المتابعة رقم 3: ما هي حركة الجسم الساقط على القمر؟

مشابه لذلك هنا على الأرض باستثناء أن قوة الجاذبية تبلغ سدس قوة قوتنا. قد تتذكر مشاهدة مقاطع من فيلم نيل أرمسترونج وهي تقفز على سطح القمر.
سبب ضعف جاذبية القمر هو أن القوة الناتجة عن الجاذبية على سطح جسم كروي تتناسب طرديًا مع كتلة الجسم مضروبة في G ، ثابت نيوتن ، وتتناسب عكسيًا مع مربع نصف قطر الجسم. بتجميعها معًا تحصل على سدس قوة جاذبية الأرض.


كيف أعاد اكتشاف الثقب الأسود لستيفن هوكينج كتابة فيزياء الزمكان

اشتهر عالم الفيزياء الرياضية وعالم الكونيات ستيفن هوكينغ بعمله في استكشاف العلاقة بين الثقوب السوداء وفيزياء الكم. الثقب الأسود هو بقايا نجم فائق الكتلة يحتضر ، وقد سقطت هذه البقايا في حجم صغير لدرجة أن الجاذبية قوية جدًا حتى أن الضوء لا يستطيع الهروب منها. الثقوب السوداء تلوح في الأفق بشكل كبير في الخيال الشعبي و [مدش] أطفال المدارس يتأملون لماذا لا ينهار الكون كله في واحد. لكن العمل النظري الدقيق لهوكينج ملأ بعض الثغرات في معرفة الفيزيائيين عن الثقوب السوداء.

لماذا توجد الثقوب السوداء؟

الإجابة المختصرة هي: لأن الجاذبية موجودة ، وسرعة الضوء ليست لانهائية.

تخيل أنك تقف على سطح الأرض وتطلق رصاصة في الهواء بزاوية. الرصاصة القياسية ستعود للأسفل ، في مكان ما بعيدًا. لنفترض أن لديك بندقية قوية جدًا. بعد ذلك ، قد تكون قادرًا على إطلاق الرصاصة بمثل هذه السرعة التي بدلاً من النزول بعيدًا ، ستفتقد الأرض بدلاً من ذلك. تتساقط باستمرار ، وتفتقد السطح باستمرار ، ستكون الرصاصة في الواقع في مدار حول الأرض. إذا كانت بندقيتك أقوى ، فقد تكون الرصاصة سريعة جدًا لدرجة أنها تترك جاذبية الأرض تمامًا. هذا ما يحدث أساسًا عندما نرسل صواريخ إلى المريخ ، على سبيل المثال.

تخيل الآن أن الجاذبية أقوى بكثير. لا يمكن لأي بندقية تسريع الرصاص بما يكفي لمغادرة هذا الكوكب ، لذلك قررت بدلاً من ذلك إطلاق النار. في حين أن الفوتونات (جزيئات الضوء) ليس لها كتلة ، إلا أنها لا تزال تتأثر بالجاذبية ، وتثني مسارها تمامًا كما ينحني مسار الرصاصة بفعل الجاذبية. حتى أثقل الكواكب لن يكون لديها جاذبية قوية بما يكفي لثني مسار الفوتون بما يكفي لمنعه من الهروب.

لكن الثقوب السوداء ليست مثل الكواكب أو النجوم ، فهي بقايا نجوم ، معبأة في أصغر الكرات ، على سبيل المثال ، نصف قطرها بضعة كيلومترات. تخيل أنك تستطيع الوقوف على سطح ثقب أسود مسلحًا بمسدس الأشعة. أنت تطلق النار لأعلى بزاوية وتلاحظ أن شعاع الضوء ينحني بدلاً من ذلك وينزل ويفتقد السطح! الآن الشعاع في "مدار" حول الثقب الأسود ، على مسافة تقريبًا ما يسميه علماء الكون نصف قطر شوارزشيلد ، "نقطة اللاعودة".

وبالتالي ، بما أنه لا يمكن حتى للضوء الهروب من المكان الذي تقف فيه ، فإن الكائن الذي تسكنه (إذا أمكنك) سيبدو أسود تمامًا لشخص ينظر إليه من بعيد: ثقب أسود.

لكن هوكينج اكتشف أن الثقوب السوداء ليست سوداء بالكامل؟

استخدم توصيفي السابق للثقوب السوداء لغة الفيزياء الكلاسيكية و mdashbasically ، وهي نظرية نيوتن المطبقة على الضوء. لكن قوانين الفيزياء في الواقع أكثر تعقيدًا لأن الكون أكثر تعقيدًا.

في الفيزياء الكلاسيكية ، تعني كلمة "فراغ" الغياب التام والكامل لأي شكل من أشكال المادة أو الإشعاع. لكن في فيزياء الكم ، يكون الفراغ أكثر إثارة للاهتمام ، لا سيما عندما يكون بالقرب من ثقب أسود. بدلاً من أن يكون فارغًا ، يعج الفراغ بأزواج الجسيمات والجسيمات المضادة التي يتم إنشاؤها بشكل عابر بواسطة طاقة الفراغ ، ولكن يجب أن يقضي على بعضهم البعض بعد ذلك بوقت قصير ويعيد طاقتهم إلى الفراغ.

ستجد جميع أنواع أزواج الجسيمات المضادة للجسيمات منتجة ، لكن الأثقل منها تحدث بشكل نادر جدًا. من الأسهل إنتاج أزواج الفوتونات لأنها لا تملك كتلة. يجب دائمًا إنتاج الفوتونات في أزواج حتى تبتعد عن بعضها البعض ولا تنتهك قانون حفظ الزخم.

تخيل الآن أنه تم إنشاء زوج على تلك المسافة من مركز الثقب الأسود حيث يدور "آخر شعاع ضوئي": نصف قطر شوارزشيلد. قد تكون هذه المسافة بعيدة عن السطح أو قريبة ، اعتمادًا على مقدار كتلة الثقب الأسود. وتخيل أن زوج الفوتون قد تم إنشاؤه بحيث يشير أحدهما إلى الداخل و mdasht نحوك ، في مركز الثقب الأسود ، ممسكًا بمسدس الأشعة الخاص بك. الفوتون الآخر يشير إلى الخارج. (بالمناسبة ، من المحتمل أن تسحقك الجاذبية إذا حاولت هذه المناورة ، لكن دعنا نفترض أنك خارق.)

الآن هناك مشكلة: الفوتون الذي تحرك داخل الثقب الأسود لا يمكن أن يعود للخارج ، لأنه يتحرك بالفعل بسرعة الضوء. لا يمكن لزوج الفوتون أن يقضي على بعضهما البعض مرة أخرى ويعيد طاقته إلى الفراغ الذي يحيط بالثقب الأسود. لكن يجب على شخص ما أن يدفع للممرض ، ويجب أن يكون هذا هو الثقب الأسود نفسه. بعد أن رحب الثقب الأسود بالفوتون في أرض اللاعودة الخاصة به ، يجب أن يعيد الثقب الأسود بعض كتلته إلى الكون: نفس القدر من الكتلة مثل الطاقة التي "استعارها" زوج الفوتونات ، وفقًا للمساواة الشهيرة لأينشتاين E = mc & sup2.

هذا هو أساسًا ما أظهره هوكينج رياضيًا. الفوتون الذي يغادر أفق الثقب الأسود سيجعله يبدو كما لو كان الثقب الأسود به وهج خافت: سمي إشعاع هوكينغ باسمه. في الوقت نفسه ، قال إنه إذا حدث هذا كثيرًا ، ولفترة طويلة ، فقد يفقد الثقب الأسود الكثير من الكتلة بحيث يمكن أن يختفي تمامًا (أو بشكل أكثر دقة ، يصبح مرئيًا مرة أخرى).

هل الثقوب السوداء تجعل المعلومات تختفي إلى الأبد؟

إجابة مختصرة: لا ، هذا مخالف للقانون.

بدأ العديد من علماء الفيزياء في القلق بشأن هذا السؤال بعد وقت قصير من اكتشاف هوكينج للتوهج. مصدر القلق هو أن القوانين الأساسية للفيزياء تضمن أن كل عملية تحدث "إلى الأمام في الوقت المناسب" يمكن أن تحدث "إلى الوراء في الوقت المناسب".

يبدو هذا مخالفًا للحدس ، حيث أن البطيخ المتناثر على الأرض لن يعيد تجميع نفسه بطريقة سحرية. لكن ما يحدث للأجسام الكبيرة مثل البطيخ تمليه قوانين الإحصاء. لكي يعيد البطيخ تجميع نفسه ، سيتعين على العديد من الجسيمات من الجسيمات الذرية أن تفعل الشيء نفسه إلى الوراء ، واحتمال ذلك هو صفر في الأساس. لكن بالنسبة لجسيم واحد ، فهذه ليست مشكلة على الإطلاق. لذلك بالنسبة للأشياء الذرية ، كل ما تراقبه للأمام يمكن أن يحدث بشكل عكسي.

تخيل الآن أنك تطلق أحد فوتونين في الثقب الأسود. إنها تختلف فقط بعلامة يمكننا قياسها ، لكن هذا لا يؤثر على طاقة الفوتون (وهذا ما يسمى "الاستقطاب"). لنسمي هذه "الفوتونات اليسرى" أو "الفوتونات اليمنى". بعد أن يعبر الفوتون الأيمن أو الأيسر الأفق ، يتغير الثقب الأسود (لديه الآن المزيد من الطاقة) ، لكنه يتغير بنفس الطريقة سواء تم امتصاص الفوتون الأيمن أو الأيسر.

أصبح تاريخان مختلفان الآن مستقبلًا واحدًا ، ولا يمكن عكس هذا المستقبل: كيف يمكن لقوانين الفيزياء أن تعرف أيًا من الماضيين يجب أن تختار؟ يسار او يمين؟ هذا هو انتهاك للثبات عكس الوقت. يشترط القانون أن يكون لكل ماضٍ مستقبل واحد بالضبط ، ولكل مستقبل ماضٍ واحد بالضبط.

اعتقد بعض الفيزيائيين أنه ربما يحمل إشعاع هوكينغ بصمة اليسار / اليمين حتى يعطي مراقبًا تلميحًا لما كان عليه الماضي ، لكن لا. يأتي إشعاع هوكينغ من الفراغ الخافت الذي يحيط بالثقب الأسود ، ولا علاقة له بما ترميه. يبدو كل شيء ضائعًا ، لكن ليس بهذه السرعة.

في عام 1917 ، أظهر ألبرت أينشتاين أن المادة (حتى الفراغ المجاور للمادة) تتفاعل في الواقع مع الأشياء الواردة ، بطريقة غريبة جدًا. يتم "دغدغة" الفراغ المجاور لتلك المادة لإنتاج زوج جسيم ومضاد يشبه نسخة طبق الأصل مما جاء للتو. بالمعنى الحقيقي جدًا ، يحفز الجسيم الوارد المادة لإنشاء زوج من النسخ من نفسه & mdashactually a نسخة ومضادة للنسخ. تذكر ، يتم إنشاء أزواج عشوائية من الجسيمات والجسيمات المضادة في الفراغ طوال الوقت ، لكن الأزواج المدغدغة ليست عشوائية على الإطلاق: فهي تشبه تمامًا الدغدغة.

تُعرف عملية النسخ هذه بتأثير "الانبعاث المحفز" وهي أصل كل أنواع الليزر. من ناحية أخرى ، فإن توهج هوكينغ للثقوب السوداء هو بالضبط ما أسماه أينشتاين تأثير "الانبعاث التلقائي" ، الذي يحدث بالقرب من ثقب أسود.

تخيل الآن أن الدغدغة تخلق هذه النسخة ، بحيث يدغدغ الفوتون الأيسر زوجًا من الفوتون الأيسر ، ويعطي الفوتون الأيمن زوجًا من الفوتون الأيمن. نظرًا لأن أحد الأزواج المدغدغة يجب أن يظل خارج الثقب الأسود (مرة أخرى من الحفاظ على الزخم) ، فإن هذا الجسيم يخلق "الذاكرة" المطلوبة حتى يتم الاحتفاظ بالمعلومات: ماض واحد له مستقبل واحد فقط ، ويمكن عكس الوقت ، و قوانين الفيزياء آمنة.

في حادث كوني ، توفي هوكينج في عيد ميلاد أينشتاين ، الذي تحدثت نظريته عن الضوء و [مدشيت] تمامًا و [مدش] يدعم نظرية هوكينج للثقوب السوداء.

كريستوف آدمي ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك وأستاذ علم الأحياء الدقيقة وعلم الوراثة الجزيئية ، جامعة ولاية ميشيغان


لماذا تفشل الفيزياء النيوتونية في تغطية ما تفعله ميكانيكا الكم؟

تتعامل ميكانيكا الكم مع المادة على المستوى دون الذري ، وكنت أتساءل لماذا لا تنطبق فيزياء نيوتن في هذه الحالة.

هذا سؤال محمّل جدًا ، والإجابة الكاملة تتطلب العديد من مجالات الفيزياء. ومع ذلك ، سأحاول تقديم إجابة واضحة ومباشرة لك.

لذلك ، استمد نيوتن قوانينه من خلال الملاحظة ، في الغالب. بدون الأدوات الحديثة التي لدينا الآن ، كان كل ما يمكن لنيوتن أن يلاحظه هو أشياء كبيرة وعيانية. لذلك من خلال ملاحظاته ، توصل إلى قوانين تصف كيف تتصرف الأشياء العيانية الكبيرة.

الآن ، سأقوم بتبديل الموضوعات قليلاً ، لكنني أعدك & # x27ll بربطها معًا (أو على الأقل أحاول!). لذا ، فإن الشيء الذي تعلمناه عن الفيزياء هو أن جميع النتائج المحتملة من المرجح أن تحدث بشكل متساوٍ. & # x27ll نستخدم العملات المعدنية المتقلبة على سبيل المثال. لنفترض أنني رميت قطعة نقود أربع مرات. من المحتمل أن أحصل على تسلسل H-T-H مثل H-T-H-T ، أو T-H-T أو أي مجموعة أخرى ، بما في ذلك تلك التي نعتقد أنها & quot ؛ مثل H-H-H أو T-T-T. ولكن لماذا من المرجح أن نحصل ، على سبيل المثال ، على رأسين وذيولين عند قلب عملة معدنية 4 مرات أكثر من جميع الرؤوس الأربعة؟ نظرًا لوجود طريقة & اقتباس فقط & quot للحصول على جميع الرؤوس الأربعة ، فهذا هو الحصول على H-H-H-H. ومع ذلك ، هناك 6 طرق للحصول على رأسين وذيولين ، على سبيل المثال T-T-H-H ، H-H-T-T ، H-T-H-T ، وما إلى ذلك ، وبالتالي ، فمن المرجح أن نحصل على رأسين وذيولين أكثر بست مرات كما يجب أن نحصل على الرؤوس الأربعة. & quot إلى أين يحدث هذا؟ & quot قد تسأل. حسنًا ، تخيل الآن بدلاً من تقليب العملات المعدنية ، فإننا نتحدث عن جزيئات الهواء في صندوق. يمكن أن يكون كل جسيم في أي مكان في الصندوق. وبالتالي من الممكن أن تتكدس كل جزيئات الهواء في زاوية واحدة. لكن لماذا لا يحدث هذا أبدا؟ لأنه إحصائيًا ، هناك العديد من الطرق لترتيب جزيئات الهواء في جميع أنحاء الصندوق بالكامل أكثر من تلك الموجودة في ترتيب جزيئات الهواء كلها في زاوية واحدة. وعندما تتحدث عن الملايين من جزيئات الهواء في الصندوق ، فإن الاحتمالات ليست سوى جزئين صغيرين بحيث في أي وقت ستكون جميع الجزيئات في زاوية واحدة. وهكذا لدينا قانون يقول & quot ؛ عندما يكون هناك عدد كبير من الجسيمات ، فإن التركيبة الأكثر احتمالًا هي التي ستحدث. & quot ؛ أو باستخدام نقرة العملة مرة أخرى. عند التعامل مع 4 عملات فقط ، من الممكن أن تقوم & # x27ll بقلب الرؤوس الأربعة. ولكن إذا كنت تقلب عملة معدنية 10 ملايين مرة ، فلن تقلب أبدًا 10 ملايين مرة. في الواقع ، سوف تقلب ما يقرب من 5 ملايين رأس في كل مرة. لا سحر هنا ، مجرد إحصائيات.

لذا ، فإن ميكانيكا الكم تتحدث عن ما يحدث للذرات المفردة ، أو مجموعات الذرات الصغيرة. تمكنا من اكتشاف ذلك باستخدام أدوات أكثر تطورًا لم يكن لدى نيوتن & # x27t. وتظهر ميكانيكا الكم أن بعض الأشياء الغريبة حقًا يمكن أن تحدث مع جسيمات مفردة. ولكن يمكنك التفكير في تلك الأشياء الغريبة حقًا مثل تقليب عملتين فقط. عند قلب عملة 2x ، تتوقع الحصول على رأس واحد وذيول واحد ، لكنك لن تشعر بالصدمة إذا قلبت كلا الرأسين ، أليس كذلك؟ لأنه مع وجود عدد قليل من الأشياء ، يمكن أن تحدث أشياء غير محتملة إحصائيًا. لكن شيئًا مثيرًا للاهتمام يحدث في الكم. يمكنك أن تأخذ قيمة التوقع لأي معادلة كمومية (قيمة التوقع هي نفسها قول & quot الشيء الأكثر احتمالية حدوثه ، إحصائيًا & quot) وستحصل & # x27 على معادلة تتوافق مع قوانين نيوتن & # x27s. وإذا حصلت على عدد كافٍ من الذرات في مكان واحد ، في حين أن كل ذرة قد تفعل شيئًا غريبًا ، فإنها في المتوسط ​​ستأخذ قيمة توقعها.

للتلخيص ، معادلات نيوتن هي في الحقيقة مجرد قيم توقع للمعادلات الكمومية. هم ليسا في صراع ، لقد اكتشف نيوتن فقط نسخ المعادلات التي تعمل مع أعداد كبيرة من الذرات. هذا منطقي من الناحية التاريخية لأن نيوتن كان يفتقر إلى الأدوات اللازمة لمعرفة كيف تتصرف الذرات الفردية.


ELI5: لماذا تنقسم فيزياء نيوتن على مستوى كمي؟

لم يتم تفكيكها كثيرًا ، بل إنها فيزياء نيوتن هي تقريب لكيفية عمل العالم بشكل غير صحيح تمامًا ، ولكن في كثير من الحالات تكون دقيقة بما يكفي لتكون مفيدة بشكل لا يصدق. في مثل هذه الظروف (مثل الحركة العادية للبيسبول) ، تكون عدم الدقة منخفضة للغاية بحيث تكون غير محسوسة عمليًا ، على الرغم من أنها لا تزال موجودة. عندما تصبح الأشياء صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا أو سريعة جدًا ، فإن النموذج النيوتوني يكون غير دقيق للغاية.

تقريب لكيفية عمل العالم ليس صحيحًا تمامًا

هل هذا يعني أن F = Ma لا تعمل & # x27t أكثر أو شيء من هذا القبيل؟ أم أحد القوانين الأخرى؟

إذن نيوتن حقًا & # x27s القانون الثاني F = ما ليس & # x27t قانونًا على الإطلاق؟

سؤال جاد وأنا & # x27m بعيدًا عن دوري ، لذا احمل معي هنا:

عند مناقشة إمكانية السفر إلى الفضاء بشكل غير تقليدي ، هل يمكن للناس استخدام الفيزياء المعروفة لفهم شيء قد يكون له مجموعة جديدة كاملة من القوانين؟

هل هناك إصرار على قبول أنه قد تكون هناك قوانين جديدة / مختلفة للفيزياء ، أو مجرد فراغ معترف به من الفهم يتم دراسته بشغف؟

ماذا عن النسبية وإدارة الجودة؟

أشعر أن الكثير من الناس هنا لا يجيبون حقًا على سؤالك بخصوص ذلك لماذا ينهار. أسهل طريقة لشرح ذلك هي بالأمثلة. إحدى الطرق الأولية التي اكتشفنا بها ميكانيكا الكم هي من خلال استكشاف الذرة. في البداية ، قمنا بصياغة فكرة الذرة التي كانت صلبة ، وهي لبنة بناء للجزيئات ، والتي تم إنشاؤها من قوى نيوتن. عندما اكتشفنا المزيد والمزيد عن الذرة ، أصبح هذا التفسير أقل اتساقًا بشكل متزايد مع البيانات الفعلية. على سبيل المثال ، اكتشفنا أن الذرات كانت عبارة عن أجسام صلبة & # x27t ، لكنها في الواقع مساحة فارغة في الغالب ، مرتبطة ببعضها البعض بواسطة قوى وصفها & # x27t في الفيزياء النيوتونية (القوى القوية والضعيفة). من هناك ، اكتشفنا المبادئ التي قادت الكثير من بنية الذرة إلى الاستناد إلى الاحتمالية (احتمال أن يكون الإلكترون في موقع معين) بدلاً من المدارات الجامدة ، والتي كان من الممكن أن تكون أكثر اتساقًا (على الرغم من أنها لا تزال غير متسقة) مع ميكانيكا نيوتن.

تتضمن بعض الأمثلة الأخرى ازدواجية الجسيمات (قدرتها على أن تكون جسيمات وموجات) ونفق الكم (تسمح هذه الثنائية لبعض الجسيمات منخفضة الكتلة بالمرور عبر الأجسام الصلبة!). يحتوي النموذج القياسي الحالي على جميع القوى التي توسطت فيها الجسيمات ، والتي لم يكن نيوتن ليحلم بها أبدًا.

النسبية تفعل الشيء نفسه ، لكنها تحطم الأفكار بشكل أساسي حول الحركة والإطار المرجعي (أو في حالة الجاذبية الأرضية).

لذا دعني أرى ما إذا كنت قد حصلت على هذا:

مع ميكانيكا الكم ، من الصعب معرفة مكان الأشياء ، وأحيانًا لا يكون لديهم كتلة. لذا فهم لا يتناسبون مع معادلات نيوتن & # x27s.

مع تصغير احتمالية معرفة مكان ظهور شيء ما ، أصبح لدينا شيء يعمل مع معادلات نيوتن & # x27s.

هناك اختلاف جوهري آخر بين ميكانيكا الكم وميكانيكا نيوتن وهو مبدأ عدم اليقين Heisenberg. تفترض ميكانيكا نيوتن أن دقة قياسات موضع أو زخم الجسيمات محدودة فقط بدقة أجهزة القياس. في الواقع ، وكما توفره إدارة الجودة ، فإن الموضع والزخم مرتبطان بحيث عندما يكون أحدهما مقيدًا بشكل ضيق (عن طريق القياس أو التفاعل) ، تصبح قيمة الآخر غير محددة. يرتبط عدم اليقين الكلي بثابت Planck & # x27s ، لذلك فهو مهم جدًا على المقاييس الذرية وغير مهم بالنسبة للكائنات الكلية.

فيما يتعلق بالسبب الذي يجعل صفات مثل الموضع / الزخم والطاقة / الوقت مرتبطة بعلاقات عدم اليقين ، فهي تنشأ من السلوك الموجي للجسيمات على المقاييس الصغيرة. قد يكون للموجة ارتفاع مستمر ، مثل الموجة على الشاطئ ، لكنها ستبدو بعد ذلك منتشرة على مساحة واسعة. عندما يتفاعل عدد من الموجات ، قد تحصل على ارتفاع موضعي أكثر ، ولكن كلما أردت أن تكون حزمة الموجة المحلية أضيق ، كلما كان نطاق الأطوال الموجية الذي تحتاجه أوسع. يتطلب حصر صفة واحدة بالضرورة تحرير الأخرى.

تحرير: بالنسبة لعبارة قصيرة تحتوي على الكثير حول إدارة الجودة: & quot عدد الطرق التي يمكن أن يحدث بها شيء ما يؤثر على ما يحدث & quot.

تتفكك النظريات عندما تصبح الفرضيات الكامنة وراءها غير صالحة. على سبيل المثال ، تفترض قوانين نيوتن & # x27s بقاء الأشياء في حالة سكون ما لم يتم التصرف بناءً عليها. على المستوى الكمي ، نعلم أن هذا & # x27t صحيحًا ، لأن الجسيمات يتم تلطيخها للتو من توزيعات احتمالية تخبرنا أنه يمكننا العثور على الجسيم في العديد من الأماكن. هذا يخبرنا أولاً أن فكرة الجسيم الصلب ليست دقيقة حقًا على المستوى الكمي ، وفكرة وجود شيء ما ثابتة ليست قابلة للتطبيق حقًا أيضًا! ميكانيكا نيوتن لا تأخذ هذا في الحسبان ، لذلك عندما تصبح تأثيرات ذلك ملحوظة ، فإنها تدمر نتائج النظرية. If we look at the non-quantum limit of systems with quantum mechanics though, we can see Newton's laws emerge as a kind of average behaviour, which is why they work at big scales.

The same thing happens when you go from quantum mechanics (which is a low energy theory) to quantum field theory (high energy). Quantum mechanics postulate a conserved number of particles (to keep wavefunctions normalised or something, I can't really remember), but that clearly isn't very physical because we know particles can be created and destroyed in real life. Quantum field theory can accommodate both all of quantum mechanics and the extra stuff that comes from moving close to the speed of light, like particle production and relativistic effects. If we take a low energy limit of QFT, we get quantum mechanics back!

The standard model itself is what's called an "Effective Field Theory", because it's only valid up to a certain scale. On very high energies, we know it isn't right because it doesn't know about quantum gravity, so we know it isn't going to give us the right answers.

TLDR Theories (like Newton's) work because the things they don't know about don't really make a difference compared to the things they do (like quantum mechanics or relativity). When the things they don't know about start to cause a big effect, they still don't know about it so give wrong answers.

It's like if you try to drive a car without knowing about the steering wheel. It's fine if you're moving on a straight road, because you don't need to know about it. But when you meet a corner, you can't do a good job.


Follow-Up #8: quantum energies

I think there's one key ingredient here that isn't close to what one would guess based on classical mechanics. It's that the kinetic energy of the electron wave depends on its shape. Specifically, it goes as the second derivative of the wave function with respect to spatial coordinates. That means that the only way to get a small kinetic energy is to have a wave which varies only slowly as a function of position. However, in order to be concentrated in a small region (needed to lower the potential energy) the wave obviously must vary rapidly as a function of position. That's why there is a trade-off.


Where do Newtonian physics stop and Einsteins' physics start? Why are they not unified?

As a rule of thumb there are three relevant limits which tells you that Newtonian physics is no longer applicable.

If the ratio v/c (where v is the characteristic speed of your system and c is the speed of light) is no longer close to zero, you need special relativity.

If the ratio 2GM/c 2 R (where M is the mass, G the gravitational constant and R the distance) is no longer close to zero, you need general relativity.

If the ratio h/pR (where p is the momentum, h the Planck constant and R the distance) is no longer close to zero, you need quantum mechanics.

Now what constitutes "no longer close to zero" depends on how accurate your measurement tools are. For example in the 19th century is was found that Mercury's precession was not correctly given by Newtonian mechanics. Using the mass of the Sun and distance from Mercury to the Sun gives a ratio of about 10 -8 as being noticeable.

Edit: It's worth pointing out that from these more advanced theories, Newton's laws do "pop back out" when the appropriate limits are taken where we expect Newtonian physics to work. In that way, you can say that Newton isn't خاطئ, but more so incomplete.


شاهد الفيديو: الثقوب السود (شهر نوفمبر 2021).