سیاه چاله :: شگفتی های جهان هستی

سیاه چاله

دوشنبه, ۲۸ دی ۱۳۹۴، ۰۴:۵۱ ب.ظ

درسال ۱۹۱۵ آلبرت اینشتین که پیش تر نشان داده بود که گرانش، نور را تحت تاثیر قرار می‌دهد، نظریه گرانش خود به نام نسبیت عام را مطرح کرد. چند ماه بعد یک فیزیکدان آلمانی بنام کارل شوارتزشیلد برای نخستین بار موفق به یافتن یکی از پاسخ های دقیق معادله میدان اینشتین در نسبیت عام شد. این پاسخ مربوط به یک جرم کروی ایستا بود. محاسبات شوارشیلد نشان می داد چنین جرمی را تا حد مشخصی فشرده کنیم، چگالی جرم و در نتیجه میزان انحنای فضا – زمان اطراف آن ( یا به عبارتی، شدت میدان گرانشی آن ) به حدی زیاد می شود که حتی نور هم نمی تواند از سطح آن بگریزد. گویی حاله ای بی انتها در فضا- زمان پدید آمده که چون نوری از آن بیرون نمی آید، تاریک است. به همین دلیل این پدیده « سیاه چاله » نام گرفت.

این حد مشخص فشردگی – که به افتخار کارل شوارتزشیلد اصطلاحا « شعاع شوارتزشیلد » نامیده می شود – مستقیما با میزان جرم جسم متناسب است. به عنوان مثال شعاع شوارتزشیلد خورشید تقریبا سه کیلومتر است. بنابراین برای تبدیل خورشید به یک سیاه چاله کافی است آن را به حدی فشرده کنیم که شعاع آن از ۷۰۰ هزار کیلومتر به حدود سه کیلومتر کاهش یابد. به همین ترتیب شعاع شوارتزشیلد برای کره زمنی ۹ میلی متر است! یعنی اگر به طریقی بتوانیم کل کره زمین را به اندازه یک فندق فشرده کنیم، زمین به یک سیاه چاله تبدیل خواهد شد.

اما نکته مهم دیگری هم در مورد شعاع شوارتزشیلد وجود دارد. در واقع فیزیکدان ها دریافته اند که اگر جسمی را تا حد شعاع شوارتزشیلد آن فشرده کنیم. چگالی و در نتیجه شدت میدان گرانشی آن به حدی افزایش می یابد که عملا دیگر هیچ نیرویی در جهان قادر به جلوگیری از فروپاشی کامل جسم مزبور به واسطه گرانش متقابل مابین ذرات آن نخواهد بود و بنابراین این جسم بطور کامل فروپاشیده و تمامی جرم آن در یک نقطه متمرکز خواهد شد. از آنجایی که چگالی جرم این نقطه بی نهایت زیاد است فیزیکدان ها این نقطه را اصطلاحا « نقطه تکینگی » نامیده اند.

بدین ترتیب پاسخ شوارتزشیلد معادله میدان اینشتین نشان داد که سیاه چاله های ایستا دو ویژگی مهم دارند، اول آنکه تمامی جرم هر سیاه چاله ایستا بصورت نقطه ای در مرکز آن متمرکز شده است و دوم اینکه اگر از فاصله مشخصی – یعنی شعاع شوارتزشیلد سیاه چاله – به نقطه مرکزی آن سیاه چاله نزدیکتر شویم دیگر حتی نور هم امکان فرار از چنگال میدان گرانشی قدرتمند سیاه چاله را نخواهد داشت و بنابراین رویدادهای واقع شده در درون این حوزه فضا- زمانی برای همیشه از نگاه ما پنهان خواهد ماند ( برای همین هم فیزیکدان ها این حوزه را اصطلاحا « افق رویداد» سیاه چاله نامیه اند. )

پس از کارل شوارتزشیلد تحقیق بر ویژگی های سیاه چاله همچنان ادامه یافت. چیزی نگذشت که فیزیکدان ها احتمال وجود نوع دیگری از سیاه چاله ها یعنی سیاه چاله های باردار الکتریک را هم مطرح کردند. در اوایل دهه ۱۹۶۰ یک ریاضیدان و فیزیکدان نیوزیلندی بنام « روی کر » با کمک معادلات میدان اینشتین از وجود نوعی سومی از سیاه چاله ها یعنی سیاه چاله های چرخان هم نام برد. سیاه چاله هایی که به مراتب عجیب تر و شگفت انگیز تر از سیاه چاله های ایستا هستند.

در سال ۱۹۷۴ استیون هاوکینگ با استفاده از نظریه کوانتوم نشان داد که سیاه‌چاله‌ها هم باید تابش داشته باشند. این نتیجه‌ای از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که بیان می‌کند هرگز نمی‌توان مطمئن بود که یک فضای به ظاهر تهی، واقعا خالی باشد. در عوض ذرات مجازی همواره به صورت جفت ظاهر می‌شوند. این جفت ذرات از ماده و پادماده متناظر آن ساخته شده‌اند که لحظه‌ای بسیار کوتاه دوام می‌آورند و پس از آن، به سرعت همدیگر را خنثی کرده و ناپدید می‌شوند. قبل از هاوکینگ، دانشمندان معمولا این ذرات را نادیده می‌گرفتند.

با این حال اگر یک جفت از این فوتون‌ها در افق رویداد سیاه‌چاله تشکیل شوند، این فرصت پیش می‌آید که در همان زمان بسیار کوتاه، یکی از ذرات از سیاه‌چاله فرار کند و فقط یکی به درون سیاه‌چاله کشیده شود. به این ترتیب هر کدام از این ذرات در یک سمت سیاه‌چاله قرار می‌گیرند. یکی از آنها در خارج از سیاه‌چاله آزادانه حرکت می‌کند و دیگری برای ابد در سیاه‌چاله به دام می‌افتد. این پدیده مانع از آن می‌شود که دو ذره مجددا با یکدیگر ادغام و نابود شوند و بنابراین، به نظر می‌رسد که سیاه‌چاله در حال تابش و از دست دادن انرژی است.

هاوکینگ پیش‌بینی کرد که سیاه‌چاله‌ها باید شدت ثابتی از این تابش داشته باشند، مساله‌ای که از سوی اغلب دانشمندان مورد پذیرش قرار گرفت. هاوکینگ بیان داشت که یک سیاه‌چاله می‌تواند کوچک شده و در نهایت کاملاً از بین برود. هنگامی که ذرات فرار می‌کنند سیاه‌چاله مقداری از جرم و در نتیجه انرژی خود را (طبق E=mc۲) از دست می‌دهد. توان ساطع شده به وسیله یک سیاه‌چاله در قالب تابش هاوکینگ را به آسانی می‌تواند تخمین بزند.

امروزه می دانیم که بدون شک سیاه چاله ها را باید از شگفت انگیز ترین و اسرا آمیز ترین پدیده های کیهان محسوب کرد. سیاه چاله با میدان گرانشی خارق العاده خود چنان تاثیرات حیرت انگیز و باور نکردنی را در فضا- زمان پیرامون خود ایجاد می کنند که برخی از آنها تا پیش از این صرفا در افسانه ها و اسطوره ها شنیده بودیم. سیاه چاله در عصر حاضر به یکی لز مهمترین موضوعات پژوهشی و تحقیقاتی در عرصه فیزیک و اختر فیزیک تبدیل شده اند و توان ذهنی بزرگترین فیزیکدان های جهان را همچنان به چالش می کشد.

منبع:http://bigbangpage.com