Skip to content

سیاهچاله ها ،جهان های موازی و افق رویداد

پارس دانش:مکانیک کلاسیک مفاهیمی از قبیل حرکت موشک ها وآونگ ها حتی ماشین های بخار و یا حرکت سیاره ها را در بر می گرفت . بی شک پدیده هایی از جمله سفر نور در خلاء و همچنین ماهیت دقیق گرانش و گریز از آن نیاز به توضیحات علمی بیشتری داشت .

آلبرت اینشتین  دانشمند بزرگ  در سال ۱۹۰۵ تئوری نسبیت خاص خود را شرح داد و مدتی بعد او تئوری جدیدی بیان کرد که همه ی ابعاد جهان را شرح می داد ، این تئوری نسبیت عام نام داشت و اولین تئوری برای شرح گرانش می بود .

16-06-albert-einstein

در تئوری نسبیت عام جهان در چهار بعد توضیح داده می شود که سه بعد آن فضایی است و چهارمی زمان است که با ابعاد فضایی زوجیت دارد . در این تئوری هر جسم جرم داری در بافت فضا – زمان اطرافش پیچ و تاب یا خمیدگی ایجاد می کند . گرانش می تواند نتیجه ی نیروی رمز آلود و نامرئی باشد که کارش خمیدگی فضا می باشد .

04939595355460831757

در این تئوری همه چیز از ذرات زیر اتمی که کهکشان های غول پیکر را می سازند ساخته شده است . این اجرام ساخته شده باعث خمیدگی بافت فضا – زمان می شوند . بنابر نظریه ی نسبیت گرانش اثر هندسی جرم بر فضای اطراف خود است . برای درک این موضوع که اجرام بافت فضا زمان را خمیده می سازند می توان ورقه ای پلاستیکی را به عنوان بافت فضا – زمان تصور کرد و یک گلوله که بر روی این صفحه قرار می گیرد را خورشید در بافت فضا – زمان تصور کرد .

اگر گلوله مکان مشخصی داشته باشد آن گاه در آن مکان پیچ و تابی ایجاد می شود و این فرمی جالب برای توجیه گرانش است دقیقا” همین حالت در بافت فضا زمان ایجاد می شود . بنابراین مدار سیارات می تواند نتیجه ی گرانش خورشید باشد .برای شرح هر چه بهتر گرانش به چهار بعد ساختاری نیازمند هستیم .بعد از مدت کوتاهی از انتشار نظریه نسبیت عام پژوهش های دانشمندان در زمینه این نظریه ی جدید و عجیب آغاز شد . درک این نظریه بسیار مشکل و محاسبات ریاضی پیشرفته و مشکلی در آن به کار رفته است ، این موضوع به گونه ای است که امروزه دانشمندان با بعضی از محاسبات و معادلات این نظریه ی قوی مشکل دارند . در سال ۱۹۱۶ فیزیکدان آلمانی کارل شوارتزشیلد راه حلی برای معادلات پیشرفته نسبیت عام ارائه کرد .

سیاهچاله های شوارتز شیلد

(کارل شواترزشیلد (به انگلیسی: Karl Schwarzschild) فیزیکدان و اخترشناس آلمانی بود. شهرت وی بیش از هر چیز مدیون پیدا کردن نخستین جواب دقیق و غیربدیهی معادلات میدان اینشتین در نسبیت عام است وی .چندی پس از ارائهٔ معادلاتش در نسبیت عام در ۱۱ مه ۱۹۱۶ در سن ۴۲ سالگی درگذشت.)

)schwarzschild

شوارتز شیلد به این موضوع پی برد که اگر یک جرم به اندازه ی کافی شعاعش کوچک شود ، فضا – زمان اطرافش به شدت تحریف می شود و حالت کج و کولگی به خود می گیرد و از دام این جسم هیچ چیز حتی نور که سرعتی در حدود ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه دارد و حد سرعت ها محسوب می شود و یکی از پایه های نسبیت است نمی تواند بگریزد . این اجرام از ستاره هایی پدید می آیند که حداقل ۲ تا ۳ برابر خورشید جرم داشته باشند .

bh_structure

هنگامی که این ستاره ها فروریزند از خود چنین رفتاری نشان می دهند . این در حالی است که سوخت قابل دسترسشان به اتمام رسد ، در این هنگام حتی انرژی هسته های اتم ستاره قادر نیستند از فروریزش ستاره در خودش جلوگیری کنند . در این حالت تمام جرم ستاره در نقطه ای که تکینگی خوانده می شود متمرکز می شود . در این نقطه خاص از فضا – زمان فشردگی ماده بی نهایت است همچنین چگالی بی نهایت می باشد . می توان گرانش این ناحیه را بی نهایت تصور کرد . در محدوده ی تکینگی بافت فضا – زمان بی نهایت خمیده است ؛ هرچند علم در این شرایط قادر به شرح درون تکینگی نیست . در این ناحیه تمام قوانین فیزیک از میان می روند ، البته کارهای شوارتز شیلد وضع نور را در اطراف این محدوده ممنوعه ی آسمانی مشخص ساخته است .

اگر انقباض ستاره آغاز شود جرم آن به طور فزاینده ای در منطقه ی کوچکی از فضا متمرکز می شود و اثر گرانش نیز به طور مشخص اظهار وجود می کند . زمانی که شعاع ستاره ی در حال رمبش به شعاع بحرانی یا شعاع شوارتز شیلد رسید از دیدگاه ما ناپدید می شود ، زیرا سرعت گریز آن از سرعت نور فراتر رفته است . با بهره گیری از کارهای اینشتین می فهمیم که سرعت هیچ چیز نمی تواند از سرعت نور فراتر رود ، اگر این گونه شود قوانین نسبیت به زیر پا گذاشته شده است . در این حال سیاهچاله پدید آمده است . لبه ی بیرونی این حفره را افق رویداد می خوانیم ، چون شناختی از آن سوی افق رویداد نداریم پس امکان سفر به بیرون جهان در زمان حال امکان پذیر نیست و شاید هرگز هم امکان پذیر نباشد . فاصله ای در حدود۱/۵ برابر شعاع افق رویداد منطقه ی کاذبی وجود دارد که به فوتون اسفر یا کره ی فوتون ها معروف است . در این ناحیه گرانش سیاهچاله برای کشیدن نور به طرف خود کافی نیست و نور هنوز نیروی کافی برای گریز دارد . بیشتر فوتون هاب نور در این منطقه صید می شوند تا تقدیرشان برای همیشه در دست مدار سیاهچاله باشد . فرض کنید شخصی داوطلب برای سفر به سیاهچاله های شوارتز شیلد پیدا شود ، او چه تجربه خواهد کرد ؟ او از میان فوتون اسفر می گذرد آیا او با نور وارد می شود ؟ در حال داوطلب ما روشنی را وداع گفته و وارد تاریکی محض شده است . او احساس می کند با سرعتی باورنکردنی می چرخد . به طور قریب الوقوع در افق رویداد فضانورد ما تابع نیروی جذر و مد در مقیاس نجومی است . او این احساس را خواهد داشت که پاهایش میلیاردها برابر از سرش سنگین تر خواهد بود در یک لحظه ی سریع و خیره کننده داوطلب ما در اتم ها متلاشی خواهد شد ، او با تکینگی برخورد خواهد کرد و باقیمانده فانی او به طور شتاب زده از وجود ساقط می شود و خورد می شود .

سیاهچاله با تکانه زوایه ای

سیاهچاله های شوارتز شیلد شاید از این جهت جالب به نظر آیند که هرگز نمی توان آنها در طبیعت جستجو کرد . برای هر سیاهچاله ی کشف شده می توان اسپین را فرض کرد این موضوع می تواند شاهدی بر حل معادلات اینشتین باشد . معادلات اینشتین برای تکانه ی زاویه ای ( اسپین ) تا سال ۱۹۶۳ کشف نشده بود . روی پی کر که ریاضیدانی استرالیایی این راه حل ها را تصادفا” کشف کرد . این راه حل ها زمانی کشف شدند که برروی مشکلات دیگر کار می شد ؛ چرخش آنها سریع است درست مانند سیاهچاله های شوارتز شیلد البته با کمی تفاوت که آنها را جذاب تر می کند . اولین چیزی که یک مسافر سیاهچاله در خواهد یافت کشیده شدن به دور سیاهچاله و گردش آن است .

fig3

در چرخش یک سیاهچاله یک مرز نامرئی وجود دارد که به حد ثابت معروف است . در حد ثابت هیچ چیز قادر به گریز نیست و به طرف سیاهچاله کشیده می شود ، مگر اینکه از نور سریع تر سفر کند که با قوانین نسبیت متناقض است . در واقع در حد ثابت یک شخص باید سرعتش فراتر از نیروی گریز سیاهچاله شود . منطقه ی بین حد ثابت و افق رویداد ارگوسفر نام دارد . جالب است که این نکته از لحاظ نظری درست است که ماده از ارگوسفر بگریزد ولی عملا” امکان پذیر نیست . ارگوسفر یک شکل غیر عادی دارد و این خاصیت در افق رویداد و قطب ها نیز حس می شود و معادل شعاع سیاهچاله های شوارتز شیلد وابسته به جرم آن کشش دارد .

سیاهچاله های کر

هر چند سیاهچاله ها چهره ی خارجی خوبی به نمایش نمی گذارند اما در افق رویداد تقریبا” تعبیر عدم چرخش متفاوت است . تکینگی فرمی از حلقه را به خود می گیرد دانشمندان به این امر پی برده اند که تکینگی زمان مانند است اما در سیاهچاله های شوارتز شیلد دقیقا” عکس این موضوع است یعنی حلقه ی تکینگی فضا مانند است . این بدان معنا است که اشیائی که داخل افق رویداد روی سطح صاف استوا در تکینگی نابود می شوند ، قسمتی از راه حل های کر این امر را به نمایش می گذارد که منطقه ی مرز با حلقه ی تکینگی جایی است که دانشمندان اغلب برای نمایش آن از نمودار فضا زمان برای جهان گرافیکی عجیب نسبیت عام از آن استفاده می کنند .

kerrblackhole_2-600x451

در این منطقه فضا – زمان منفی یا معکوس است و به عقیده تعداد زیادی از دانشمندان در این مکان گرانش رانشی حکمفرما است ، یعنی به جای اینکه جسمی در سطح صفحه ی پلاستیکی موجب فرورفتگی شود باعث بالازدگی می شود . دیگر تئوری ها ادعا می کنند که در این منطقه اجسام شعاع منفی دارند . متأسفانه هیچ یک از تئوری های فیزیک قادر به جستجوی چنین مفهومی نیست .

عریانی تکینگی Nakedness of singularity 

images    blackholes_singularity

 

یکی از خاصترین رول های غیرعادی سیاهچاله ها امکان تکامل برهنگی تکینگی است . چرخش یک سیاهچاله باید چرخشی باشد که هیچ گاه سریعتر از کاهش شعاعش نباشد . هر جیز بخواهد مقدار تکانه زاویه ای برای گذر از سیاهچاله داشته باشد باید سرعت آن از سرعت نور فراتر رود و اگر این گونه نشود در نقطه ای از افق رویداد از نگاه ها پنهان می شود و در نزدیکی تکینگی تنها می ماتد . غیاب افق رویداد به معناب سفر به فضای بیرونی تکینگی است . شاید به توان به این صورت گفت که نمی توانیم از عریانی تکینگی خارج شویم

.bt-ph-110-9

بیشتر دانشمندان به این امر تمایل دارند . در این ناحیه از جهان قوانین طبیعت کاربرد ندارد و قوانین خاص بر روی یکدیگر و جهان تأثیر می گذارند .

جهان های موازی

 

از تمام خواص عجیب و غریب سیاهچاله ها هیچ یک عجیب تر از حل معادلات اینشتین نیست ؛ این معادلات به ما می گویند که این چاله ها در فضا – زمان می توانند همچون پلی به دیگر جهان ها عمل کنند . این گفته می تواند سوژه ی خوبی برای داستان های علمی تخیلی باشد . قضیه ی جهان های موازی به صورتی است که می گوید جهان های کاملا” مجزایی از جهان ما وجود دارد . . در میان بسیاری از تفکرها همچون طبیعت این جهان ها ، این عقیده وجود دارد که اگر ما در این جهان ها ساکن شویم آنگاه زندگی مان اندکی تفاوت خواهد کرد . هر چند امکان دارد نسخه های موازی برای جهان وجود داشته باشند و یا نباشند . این نظریه غیر عاقلانه به نظر نمی آید زمانی که با معادلات ناشناس مکانیک کوانتوم ارتباط برقرار می کند . هر چند که هستی این جهان ها در زمان حال صرفا” تعبیری تئوریکال است .

parallel-universe-520x245

آینده در نمودار فضا – زمان در نوک نمودار قرار گرفته است . تمام حرکت ها در فضا باید سیری در ۴۵ درجه ی خط زمان که عمودی است داشته باشد . مسیرهایی که کجی آنها بزرگتر از ۴۵ درجه است فضا مانند هستند که سریعتر از مسافرت نور است همانطور در منطقه ی زیر خط ۴۵ درجه سایه ای خاکستری و نشانی ممنوع پرتو افکنده است . پروفسور راجر پن رُز از دانشگاه آکسفرد نوع پیشرفته ای از نمودار فضا – زمان را ترسیم کرده است که برای یافتن راه حل های معادلات سیاهچاله ها بسیار مفید است . این نمودار به سرعت اتصال سیاهچاله ها را با جهان های موازی نشان می دهد . تصویر شش نمودار پن روز برای سیاهچاله های شوارتز شیلد است . در نگاه اول از نمودار شکل پنج به نظر پیچیده تر می آید . اما واقعا” این طور نیست . فقط در آن تمام راه های میان فضا باید کجی شان کمتر از ۴۵ درجه از محور قائم باشد . تکینگی سیاهچاله بر دندانه های کوسه شکل دلالت می کند که در زاویه ۹۰ درجه واقع می شود پس فضا مانند است . افق رویداد یک راه طبیعی است که با خمیدگی های تیز به نمایش در آمده است . در این نمودار راه سفر به سیاهچاله با خط خمیده به نمایش در آمده است که از میان افق رویداد گذشته است دو چیز غیر طبیعی در این نمودار خودنمایی می کند ؛ اول آنکه یک تکینگی اضافی در گذشته وجود دارد ( در قسمت زیرین نمودار ) و دیگر آنکه جهانی اضافی در سمت چپ آن به چشم می خورد .

تکینگی اضافی واقع در نمودار همچون گذشته فضا مانند است ، این تکینگی معروف به سفید چاله است . به صورت ساده تر می توان گفت که کاربرد سفید چاله مخالف کاربرد سیاهچاله است . در واقع سیاهچاله هر چیز که نزدیکش می آید آن را فرامی گیرد ولی سفید چاله ماده را دفع می کند . تعدادی از فیزیکدانان به این نظریه پایبند هستند که سیاهچاله در باز شده ای به سوی دیگر جهان ها است . و یا اینکه ماده ی جذب شده در جهان ما در جایی دیگر بیرون ریخته می شود و آن دارای هیچ ارزشی نیست . هر چند که ستاره شناسان هرگز یک سفید چاله را مشاهده نکرده اند و در وجودشان شک و تردید وجود دارد .

پن رز در نمودار دیگری سیاهچاله های کر نمایش می دهد . چرخش یک سیاهچاله چند شکل جالب و جذاب به نمایش می گذارد ، همچنین تکینگی حلقه ای یا همان حلقه ی تکینگی در منطقه ی فضا زمان منفی قرار دارد . این محل منطقه ای است که در آن سفر به گذشته امکان پذیر می شود . حلقه ی تکینگی بر گردی دندانه های تیز که برای نمایش یک قسمت که برای عفو از عدم چرخش منسوبش دلالت می کنند . این موضوع باید آشکار شود که تکینگی عمودی است ( زمان مانند ) این بدان معنا است که هر شخص می تواند با سرعتی کمتر است سرعت نور از آن بگریزد . منطقه ای که محصوری منفی دارد جایی است که فقط می تواند در تکینگی باشد . گرفتن این مطلب بسیار ساده است ، این منطقه سدی نرمال بین گذشته و آینده است . یک مسافر این منطقه می تواند در مکانی در گذشته یا آینده قرار گیرد این یک راه طبیعی از افق رویداد نمی باشد . فقط آنسوی منطقه حلقه ی زمان مانند دروغ است منطقه ای فضا منفی است . هرچند این گونه از حفره ها که مطالبی به این گونه با درکی مشکل دارند همتایی ندارند . یکی از دو راهی که تمایل به جلوگیری از سفر مسافر ما دارد این است که سفر به این جهان دیگر هرگز ممکن نمی باشد . هرچند هدف از این نمودار دیددار با جهان دیگری است . نمودار پن روز در زمینه سیاهچاله های کر چهار جهان ( سه جهان موازی به همراه جهان خودمان ) را به نمایش می گذارد البته این نمودار این امکان را دارد که تا بی نهایت در قالب جهان های گذشته و آینده گسترش یابد .

برای مثال یک مسافر در سیاهچاله های کر می تواند این امکان را دارد تا به دو صورت به سفر بپردازد که در نمودار به نمایش در آمده است هرچند که راه دو به جهان دیگر می رود .

آیا سیاهچاله ها واقعا” وجود دارند ؟

اگر یک سیاهچاله با طبیعت خود همه ی ماده ی اطرافش را جذب می کند چطور ممکن است یکی از آنها را بیابیم و شاید بخواهیم در زمان کوتاهی در آن فرو افتیم؟ ستاره شناسان مدارکی را برای متقاعد کردن هر شخص در رابطه با این اجسام یافته اند این اطلاعات در طول ۱۵ سال اخیر توسط تلسکوپ های اشعه ی ایکس به دست آورده اند . یک سیاهچاله ماده ی ستاره های نزدیک به مدارش را به سرعت به طرف خود می کشد این ماده به دور سیاهچاله همچون آب وان به درون لوله فاضلآب راه می یابد البته این ماده همچون گردابی می شود که معروف به دیسک تراکمی یا افزایشی است .

black_hole_milkyway

ماده ای که از اجرام اختری می آید تا اینکه در سیاهچاله فرو افتد مقصد پایانی اش افق رویداد است . این ماده افزایش سرعت پیدا می کند افزایش حرارت این ماده آغاز می شود در این شرایط فوتون های انرژی الکترومغناطیسی آزاد می شود . آنتن های فضایی انرژی شدید اشعه ی ایکس ساتع شده از این اجرام را دریافت می کنند . ستاره شناسان در آسمان منابع قدرتمند اشعه ی ایکس را جستجو می کنند تا مکان یک منبع خاص را تعیین کنند ، اگر این منبع قسمتی از یک سیستم دوتایی باشد آنها می توانند جرم این همدم نامرئی را مشخص کنند . این کار شبه وار آنالیزی بصری و یا مؤلفه ای بصری از سیستم های دوتایی است . اگر منبع اشعه ی ایکس ردیابی شده دارای حداقل ۲تا ۳ برابر جرم خورشید باشد مطمئنا” در می یابند که سیاهچاله ای را نشانه رفته اند .

در کل سیاهچاله ها عضو اولین کشفیات بودند اما نه در خارج فضا بلکه از نتایج حل معادلات درخشان دکتر اینشتین در نسبیت بود . در تاریخ بیشتر دانش ما از این اجسام رمز آلود باقیمانده ی تئوری های فیزیک است . تغییر شکل ساختار فضا – زمان علتی چون این این اجرام رمز آلود دارند . ما هنور جای کاوش برای مثال های گفته شده مثل تئوری جهان های موازی وعریانی تکینگی و ….. داریم . ستاره شناسان و فیزیکدانان به این مسئله باور دارند که این اجسام از مرگ ستارگان غول پیکر پای به عرصه ی وجود می گذارند . این تئوری می تواند تجربه ای برای کشف های جدید و توضیح وجود سیاهچاله ها باشد .

  (آلبرت اینشتین به آلمان: Albert Einstein   زاده ۱۴ مارس ۱۸۷۹ – درگذشته ۱۸ آوریل ۱۹۵۵-در آلمانی آینشتاین و در انگلیسی آینستاین و در فارسی معروف به انیشتن یاانیشتین ،فیزیک‌دان نظری آلمانی بود. او بیشتر به خاطر نظریّه نسبیت و به ویژه برای هم‌ارزی جرم و انرژی (E=mc۲) (که از معروف‌ترین روابط فیزیک بین غیرفیزیک‌دان‌هاست شهرت دارد. علاوه بر این، او در بسط تئوری کوانتوم و مکانیک آماری سهم عمده‌ای داشت. اینشتین جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۱ برای خدماتش به فیزیک نظری و به خصوص به خاطر کشف قانون اثر فوتوالکتریک دریافت کرد. او به دلیل تأثیرات چشمگیرش، به عنوان یکی از بزرگ‌ترین فیزیکدانانی شناخته می‌شود که به این جهان پا گذاشته‌اند.در فرهنگ عامه، نام «اینشتین» مترادف هوش زیاد و نابغه شده‌است.)

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

پیام خود را بگذارید

پارس دانش ،درراه اعتلای دانش پارس

سوالات علمی ،درخواست تدریس ،نقد و نظر خود را بفرمایید.

وارد شوید