أكد الثقب الأسود أن أينشتاين كان على حق. لكن مشكلة "الكم" باقية

كيف جميعا لم تبدأ؟

في نهاية القرن التاسع عشر، وجدت الفيزياء نفسها في أزمة: كان هناك الكمال

نظريات الميكانيكا (نيوتن) والكهرومغناطيسية(ماكسويل)، لكن يبدو أنهم لا يتفقون كثيرًا. كان الضوء يُعرف بأنه ظاهرة كهرومغناطيسية، لكنه لم يخضع لنفس القوانين الميكانيكية التي تخضع لها المادة. أظهرت التجارب التي أجراها ألبرت أ. ميشيلسون وآخرون في ثمانينيات القرن التاسع عشر أنها تتحرك دائمًا بنفس السرعة، بغض النظر عن سرعة مصدرها.

النظرية النسبية الخاصة

ومع ذلك، لا أحد من هؤلاء الفيزيائيين البارزينتمكنت من تجميع القصة بأكملها معًا. بقي الأمل مع الشاب ألبرت أينشتاين، الذي كان في ذلك الوقت قد بدأ بالفعل في التعامل مع المشكلة بطريقة جديدة. في سن السادسة عشرة، تساءل كيف سيكون السفر مع شعاع من الضوء؟ وبحلول عام 1905، كان قد أظهر أن نتائج فيتزجيرالد ولورنتز تنبع من افتراض واحد بسيط ولكنه جذري: يجب أن تكون قوانين الفيزياء وسرعة الضوء هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين الذين يتحركون بشكل منتظم، بغض النظر عن حالة حركتهم النسبية.

لكي "يعمل" هذا، هناك مساحة ووقت أكبرلا يمكن أن تكون مستقلة. بل إنها "تتحول" إلى بعضها البعض بطريقة تجعل سرعة الضوء ثابتة بالنسبة لجميع المراقبين. ولهذا السبب تبدو الأجسام المتحركة وكأنها تتقلص، كما افترض فيتزجيرالد ولورنتز، ولماذا يمكن للمراقبين المتحركين قياس الوقت بشكل مختلف، كما اقترحت نظرية بوانكاريه. المكان والزمان نسبيان، أي. أي أنها تعتمد على حركة الراصد الذي يقيسها، والضوء أكثر أهمية من كليهما. هذا هو أساس نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (يشير مصطلح "خاص" إلى محدودية الحركة المنتظمة).

مبدأ التكافؤ

بعد وقت قصير من الانتهاء من نظريته الخاصةكان لأينشتاين "أسعد فكرة في حياته". حدث ذلك في عام 1907 بينما كان يجلس على كرسيه في مكتب براءات الاختراع في برن ويتساءل عما سيكون عليه الحال عند محاولة إسقاط كرة أثناء السقوط من جانب المبنى. أدرك أينشتاين أن الشخص الذي يتسارع بالكرة إلى الأسفل لن يتمكن من اكتشاف تأثير الجاذبية عليها. يمكن للمراقب "التحويل" الجاذبية (على الأقل في المنطقة المجاورة مباشرة) بمجرد الانتقال إلى هذا الإطار المرجعي المتسارع - بغض النظر عن الجسم الذي تم إسقاطه. الجاذبية (محليًا) تعادل التسارع. وهذا هو مبدأ التكافؤ.

لفهم كم هو رائع حقامبدأ التكافؤ، تخيل ماذا سيحدث إذا تصرفت الجاذبية بنفس الطريقة التي تعمل بها القوى الأخرى. فإذا كانت الجاذبية مثل الكهرباء، على سبيل المثال، فإن الكرات ذات الشحنة الأكبر سوف تنجذب بقوة أكبر إلى الأرض، وبالتالي تسقط بشكل أسرع من الكرات ذات الشحنة الأقل. لن تكون هناك طريقة لتحويل هذه التأثيرات من خلال الانتقال إلى نفس الإطار المرجعي المتسارع لجميع الكائنات. لكن الجاذبية "عمياء عن المادة"، فهي تؤثر على جميع الأشياء بالتساوي. ومن هذه الحقيقة، توصل أينشتاين إلى استنتاج مثير للإعجاب مفاده أن الجاذبية لا تعتمد على خصائص المادة (كما تعتمد الكهرباء، على سبيل المثال، على الشحنة الكهربائية). بل إن ظاهرة الجاذبية يجب أن تنشأ من بعض خصائص الزمكان.

الجاذبية هي منحنى الزمكان

وفي النهاية حدد أينشتاين الخاصيةالزمكان، وهو المسؤول عن الجاذبية، وكذلك عن انحناءها. لم يعد المكان والزمان في عالم أينشتاين مسطحين (كما افترض نيوتن ضمنًا)، ولكن يمكن سحبهما وتمديدهما وتشويههما بواسطة المادة. يتم الشعور بالجاذبية بقوة أكبر عندما يكون الزمكان منحنيًا للغاية، ويختفي عندما يكون الزمكان مسطحًا. هذا هو جوهر نظرية النسبية العامة لأينشتاين، والتي غالبًا ما يمكن التعبير عنها بالكلمات: "المادة تخبر الزمكان كيف ينحني، والزمكان المنحني يخبر المادة كيف تتحرك".

الطريقة القياسية لتوضيح هذه الفكرة هي -ضع كرة بولينج (تمثل ، على سبيل المثال ، جسمًا ضخمًا مثل الشمس) على لوح مطاطي ممتد (يمثل الزمكان). إذا وضعت كرة على لوح مطاطي ، فسوف تتدحرج باتجاه كرة البولينج ويمكن حتى وضعها في "مدار" حول كرة البولينج. هذا ليس لأن الكتلة الأصغر "تنجذب" بالقوة المنبثقة من الكتلة الأكبر ، ولكن لأنها تتحرك على طول سطح مشوه بسبب وجود الكتلة الأكبر.

وبالمثل ، الجاذبية في نظرية أينشتاينلا ينشأ كقوة تنتشر في الزمكان ، ولكن بالأحرى كخاصية للزمكان نفسه. وفقًا لأينشتاين ، فإن وزنك على الأرض يرجع إلى حقيقة أن جسمك يسافر في زمكان منحني.

النظرية النسبية العامة

النظرية العامة للنسبية (النسبية العامة. allgemeine Relativitätstheorie) هي نظرية الجاذبية الهندسية التي تطور نظرية النسبية الخاصة (SRT) ، والتي تفترض أن قوى الجاذبية والقصور الذاتية لها نفس الطبيعة.

ومن ثم يتبع ذلك آثار الجاذبيةلا ينتج عن تفاعل القوة بين الأجسام والحقول في الزمكان ، ولكن بسبب تشوه الزمكان نفسه ، المرتبط ، على وجه الخصوص ، بوجود كتلة الطاقة.

تختلف النسبية العامة عن نظريات الجاذبية المترية الأخرى باستخدام معادلات أينشتاين لربط انحناء الزمكان مع المادة الموجودة فيه.

النسبية العامة هي أساس ماديعلى مبدأ التكافؤ ، لكن هذه النظرية لها أساس رياضي ثاني. يُعرف بمبدأ التغاير العام ، وهذا هو شرط أن يكون قانون الجاذبية العامة هو نفسه لجميع المراقبين ، حتى أولئك الذين يقومون بالتسارع ، بغض النظر عن الإحداثيات الموصوفة. ولهذا السبب أطلق أينشتاين على نظريته الجديدة نظرية النسبية "العامة" وليست "الخاصة" - فقد أزال القيود الموجودة سابقًا على المراقبين المتحركين بشكل موحد. تبين أن هذه هي أصعب مشكلة واجهها أينشتاين على الإطلاق. كما قال لاحقًا ، فإن التعبير عن القوانين الفيزيائية بدون إحداثيات يشبه "وصف الأفكار بدون كلمات". كان على الفيزيائي أن يتقن الرياضيات المجردة للأسطح ووصفها من حيث الموترات.

ماذا اكتشف العلماء؟

جاذبية الثقب الأسود قوية للغايةينحني الفضاء. إنه بمثابة عدسة مكبرة، ولهذا السبب يبدو ظل هذا الجسم الكوني أكبر مما هو عليه في الواقع. قام علماء تلسكوب أفق الحدث (EHT) بدراسة هذا التشوه البصري ووجدوا أن الحجم الفعلي لظل الثقب الأسود M87 يتطابق مع تنبؤات نظرية النسبية العامة لأينشتاين.

كما ذكر كييشي أسادا، عضو المجلس العلمي لـ EHTوخبير في الرصد الراديوي للثقوب السوداء في معهد أكاديميا سينيكا لعلم الفلك والفيزياء الفلكية، طريقتهم هي "طريقة جديدة تمامًا لاختبار النسبية العامة باستخدام الثقوب السوداء فائقة الكتلة".

كيف توصل العلماء إلى استنتاجاتهم؟

عندما تم نشر الإصدار الأول في أبريل 2019صورة للثقب الأسود، أصبحت تأكيدًا قويًا لنظرية ألبرت أينشتاين في الجاذبية، أو النسبية العامة. ولا تصف النظرية فقط كيف تشوه المادة الزمكان، ولكنها تتنبأ أيضًا بوجود الثقوب السوداء، بما في ذلك حجم الثقوب السوداء. الظل الذي يلقيه الثقب الأسود على مادة القرص اللامعة التي تدور حول بعض الأجسام الكثيفة.

لإجراء الاختبار، استخدم الفريق الأولصورة تم التقاطها دائمًا للثقب الأسود الهائل الموجود في مركز المجرة المجاورة M87 على مسافة حوالي 55 مليون سنة ضوئية، والتي التقطها تلسكوب EHT العام الماضي.

صورة أيقونية للأسود الهائلأظهر هول أن الظل يتوافق تمامًا مع تنبؤات النسبية العامة فيما يتعلق بحجمه. وبعبارة أخرى، كان أينشتاين على حق، مرة أخرى.

هذه النتيجة ، التي نشرتها Event Horizon Telescope Collaboration ، أجابت على سؤال واحد: هل حجم الثقب الأسود في M87 يتوافق مع النسبية العامة؟

لكن "من الصعب جدًا الإجابة على العكسالسؤال هو: إلى أي مدى يمكنني تعديل النسبية العامة وما زلت مطابقة لقياسات [الثقب الأسود]؟ "قال علماء فريق EHT ديميتريوس بسالتيس Dimitrios Psaltis من جامعة أريزونا في توكسون. هذا السؤال أساسي لأنه لا يزال من الممكن أن تصف نظرية أخرى عن الجاذبية الكون ، لكنها تتنكر في صورة النسبية العامة.

تم تقليل احتمالية أن يكون أينشتاين مخطئًا بمقدار 500 ضعف

في دراسة نُشرت في 1 أكتوبر في Physical Review Letters ، استخدم Psaltis وزملاؤه ظل الثقب الأسود M87 لاتخاذ خطوة مهمة نحو دحض هذه النظريات البديلة.

أجرى الفريق تحليلا واسعا جدا للكثيرينتعديلات على النسبية العامة لتحديد خاصية فريدة لنظرية الجاذبية التي تحدد حجم ظل الثقب الأسود. ركز العلماء على عدد من البدائل التي اجتازت جميع الاختبارات السابقة في النظام الشمسي.

"باستخدام المستشعر الذي طورناه ، نحنأظهر أن الحجم المقاس لظل الثقب الأسود في M87 يضيق مساحة المناورة لإجراء تعديلات على نظرية النسبية العامة لأينشتاين بحوالي 500 مرة مقارنةً بالاختبارات السابقة في النظام الشمسي ، "يوضح أستاذ الفيزياء الفلكية في Uarizona Ferial Ozel ، عضو بارز في تعاون EHT. "العديد من الطرق لتغيير النسبية العامة تفشل في اختبار ظل الثقب الأسود الجديد والأكثر صرامة."

تصور لمستشعر جديد مصمم لاختبار تنبؤات نظريات الجاذبية المعدلة مقابل قياس حجم ظل M87.
المصدر: د. بسالتيس، جامعة أريزونا؛ EHT 

ليكونوا واثقين من النتائج أيها العلماءاستخدم حجم الثقب الأسود لإجراء ما يعرف باختبار “الدرجة الثانية” للنسبية العامة. وهذا "من المستحيل القيام به في النظام الشمسي" لأن مجال الجاذبية ضعيف للغاية، كما توضح ليا ميديروس من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، وهي أيضًا عضو في EHT.

اختبارات نظرية أينشتاين

بشكل عام ، يقدم الفيزيائيون الآن نظرية عامةالنسبية كمجموعة من التصحيحات أو الإضافات لنظرية نيوتن في الجاذبية. تتنبأ النسبية العامة بما يجب أن تكون عليه هذه البنى الفوقية. إذا انحرفت قياسات كيفية عمل الجاذبية في الكون عن هذه التوقعات ، فإن علماء الفيزياء يعرفون أن النسبية العامة ليست كل شيء. كلما زادت الإضافات أو العوامل المضافة إلى الاختبار ، زادت الثقة في النتيجة. لن يمر وقت طويل على إجراء اختبارات وفحوصات جديدة على الثقوب السوداء.

محاكاة عرض الثقب الأسود M87حركة البلازما وهي تدور حول الثقب الأسود. الحلقة الرقيقة اللامعة التي يمكن رؤيتها باللون الأزرق هي حافة ما نسميه ظل الثقب الأسود. الصورة: L. Medeiros؛ ك. تشان D. Psaltis؛ F. Osel ؛ أريزونا. IAS.

ومع ذلك ، إذا تم تأكيد النسبية العامة ، فلماذا بعض علماء الفيزياء غير راضين عن النتائج؟ النقطة المهمة هي أن النسبية العامة تتعارض مع ميكانيكا الكم.

النسبية مقابل ميكانيكا الكم: معركة الكون

قضى الفيزيائيون عقودًا في محاولة التوفيق بين نظريتين مختلفتين تمامًا. وإذا كان كل شيء واضحًا في النظرية العامة للنسبية ، فلماذا إذًا ترفض ميكانيكا الكم الامتثال لقوانين أينشتاين؟

لدى الفيزيائيين حاليا قسمين منفصلينمجموعة من القواعد التي تشرح كيفية عمل الطبيعة. هناك نظرية عامة للنسبية تشرح تمامًا الجاذبية وكل ما تحدده: دوران الكواكب، وتصادم المجرات، وديناميكيات الكون المتوسع ككل. هذا هو "علم الأشياء الكبيرة".

وهناك أيضًا ميكانيكا الكم التي تتعاملمع ثلاث قوى أخرى - الكهرومغناطيسية وقوتين نوويتين. إن نظرية الكم بارعة للغاية في وصف ما يحدث عندما تتحلل ذرة اليورانيوم أو عندما تدخل جزيئات الضوء الفردية إلى الخلية الشمسية. هذا هو "علم الأشياء الصغيرة".

ميكانيكا الكم - قسم النظريالفيزياء ، التي تصف الظواهر الفيزيائية التي يكون فيها الفعل مشابهًا من حيث الحجم لثابت بلانك. يمكن أن تختلف تنبؤات ميكانيكا الكم اختلافًا كبيرًا عن تنبؤات الميكانيكا الكلاسيكية.

صراع الأوصاف المتعارضة حقًا للواقع

الآن للمشكلة:تعتبر نظرية النسبية وميكانيكا الكم نظريات مختلفة اختلافًا جذريًا لها صيغ مختلفة. هذه ليست مجرد مسألة مصطلحات علمية. إنه صدام بين أوصاف غير متوافقة حقًا للواقع.

كان الصراع بين نصفي الفيزياء يتخمر منذ أكثر من قرن - أثاره اثنان من أعمال أينشتاين في عام 1905 ، يصف أحدهما نظرية النسبية والآخر ، الكم.

في الأساس يمكنك التفكير في التقسيم بينهماالنظرية النسبية والأنظمة الكمومية على أنها "سلسة" و"قصيرة". في النسبية العامة، الأحداث مستمرة وحتمية، مما يعني أن كل سبب يتوافق مع تأثير محلي محدد.

في ميكانيكا الكم الأحداث الناجمة عنتحدث تفاعلات الجسيمات دون الذرية على قدم وساق (نعم، قفزات كمية) مع نتائج احتمالية وليست محددة. تسمح القواعد الكمومية بالاتصالات التي تحظرها الفيزياء الكلاسيكية. وقد تجلى ذلك في تجربة نوقشت على نطاق واسع. ثم أثبت العلماء أن جسيمين - في هذه الحالة الإلكترونات - يمكنهما التأثير على بعضهما البعض على الفور، حتى لو كانا على بعد أميال. عندما تحاول تفسير القوانين النسبية السلسة بأسلوب كمي مقتضب، أو العكس، فإن الأمور لا تسير وفقًا للخطة.

إجابات لا معنى لها

تعطي النسبية إجابات لا معنى لها عندماأنت تحاول تصغيره إلى حجم كمي ، وفي النهاية تنخفض إلى قيم لا نهائية في وصفك للجاذبية. وبالمثل ، فإن ميكانيكا الكم تواجه مشاكل خطيرة عندما تضخمها إلى أبعاد كونية. تحمل الحقول الكمية قدرًا معينًا من الطاقة حتى في الفضاء الذي يبدو فارغًا ، وتزداد كمية الطاقة مع زيادة الحقول. وفقًا لأينشتاين ، الطاقة والكتلة متساويتان (هذه الرسالة هي E = mc 2) ، لذا فإن تراكم الطاقة يشبه تمامًا تراكم الكتلة. كبيرة بما يكفي ، وتصبح كمية الطاقة في الحقول الكمومية كبيرة جدًا بحيث تخلق ثقبًا أسود يجبر الكون على الانطواء داخل نفسه. ومع ذلك ، كما ترون ، هذا لا يحدث.

ببساطة ، ميكانيكا الكم غير متوافقة مع النسبية العامة ، لأنه في نظرية المجال الكمومي ، تعمل القوى محليًا من خلال تبادل الكميات المحددة جيدًا.

ما هو الحد الأدنى؟

نتيجة لذلك ، فإن النتيجة الجديدة مخيبة للآمال بعض الشيء.يأمل الفيزيائيون في العثور على تصدعات في نظرية أينشتاين. يمكن لإيجاد انحراف عن النسبية العامة أن يوجه الطريق إلى فيزياء جديدة. أو يمكن أن يساعد في الجمع بين النسبية العامة ، وفيزياء كبيرة جدًا ، وميكانيكا الكم ، النظرية الرائدة التي تصف فيزياء الأجسام الصغيرة جدًا مثل الجسيمات دون الذرية والذرات. يقول بسالتيس إن حقيقة أن النسبية العامة لا تزال ترفض الانصياع "تقلق أولئك منا الذين هم أكبر سنًا بما يكفي للأمل في الحصول على إجابة في حياتنا".

اختبار نظرية الجاذبية هو بحث مستمر:هل تنبؤات النسبية العامة جيدة بما يكفي للأجسام الفيزيائية الفلكية المختلفة بحيث لا يقلق علماء الفيزياء الفلكية بشأن أي اختلافات أو تعديلات محتملة في النسبية العامة؟

رسم توضيحي للقوى المختلفة لحقول الجاذبية ،تم استكشافه من خلال الاختبارات الكونية واختبارات النظام الشمسي والثقوب السوداء. حقوق الصورة: د. بسالتيس ، جامعة أريزونا ؛ ناسا / WMAP ؛ وكالة الفضاء الأوروبية / كاسيني ؛ EHT

ومع ذلك ، فإن الملاحظات المستقبلية مع EHT ستجعل المزيداختبارات دقيقة للنسبية العامة ، خاصة مع الصور غير المنشورة لـ Sgr A * (Sagittarius A *) ، وهو ثقب أسود في مركز مجرة ​​درب التبانة. مع قياسات أكثر دقة لكتلة Sgr A * من أي ثقب أسود فائق الكتلة ، يمكن لهذه الصورة أن تغير النسبية العامة.

القوس أ *. التقط هذه الصورة شاندرا ، مرصد الأشعة السينية التابع لناسا. يتم تمييز أصداء الضوء بعلامات حذف. الصورة الكاملة - 12.5 دقيقة قوسية (المصدر)

"صور الثقوب السوداء تكشف تمامازاوية جديدة لاختبار نظرية النسبية العامة لأينشتاين"، يوضح مايكل كرامر، مدير معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي وعضو تعاون EHT.

"جنبًا إلى جنب مع ملاحظات موجات الجاذبية ، يمثل هذا بداية حقبة جديدة في الفيزياء الفلكية للثقب الأسود" ، هذا ما يؤكده بسالتيس.

يستنتج أوزيل: "عندما نحصل على صورة لثقب أسود في مركز مجرتنا ، يمكننا أن نحد من الانحرافات عن النسبية العامة".

هل سيكون أينشتاين على حق إذن؟ وما هو مصير ميكانيكا الكم؟

اقرأ أيضًا:

من الممكن إنشاء مفاعل نووي حراري على الأرض. ما هي العواقب؟

تبين أن نهر Doomsday الجليدي أكثر خطورة مما اعتقد العلماء. نقول الشيء الرئيسي

في اليوم الثالث من المرض ، يفقد معظم مرضى COVID-19 حاسة الشم لديهم وغالبًا ما يعانون من سيلان الأنف