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 أنهما لا يتفقان كثيرًا. عُرف الضوء على أنه ظاهرة كهرومغناطيسية ، لكنه لم يطيع نفس قوانين الميكانيكا مثل المادة. أظهرت التجارب التي أجراها ألبرت أ.ميشيلسون وآخرون في ثمانينيات القرن التاسع عشر أنه كان يتحرك دائمًا بنفس السرعة ، بغض النظر عن سرعة مصدره.

النظرية النسبية الخاصة

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

لكي يعمل هذا ، يكون المكان والزمان أكبرلا يمكن أن تكون مستقلة. بدلاً من ذلك ، "يتحولون" إلى بعضهم البعض بحيث تظل سرعة الضوء ثابتة لجميع المراقبين. لهذا يبدو أن الأجسام المتحركة تتقلص ، كما اقترح فيتزجيرالد ولورينتز ، ولماذا يمكن للمراقبين المتحركين قياس الوقت بطرق مختلفة ، كما اقترح بوانكاريه. المكان والزمان نسبيان ، أي أنهما يعتمدان على حركة الراصد الذي يقيسهما - والضوء أكثر أهمية من كليهما. هذا هو أساس نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (تشير كلمة "خاص" إلى تقييد الحركة الموحدة).

مبدأ التكافؤ

بعد وقت قصير من الانتهاء من نظريته الخاصةكان لدى أينشتاين "أسعد فكرة في حياته". حدث هذا في عام 1907 ، عندما كان جالسًا على كرسيه في مكتب براءات الاختراع في برن وتساءل عما سيكون عليه الحال عند محاولة إسقاط كرة تسقط من جدار المبنى. أدرك أينشتاين أن الشخص الذي يسرع للأسفل بالكرة لا يمكنه اكتشاف تأثير الجاذبية عليها. يمكن للمراقب "تحويل" الجاذبية (على الأقل في المنطقة المجاورة مباشرة) عن طريق الانتقال ببساطة إلى هذا الإطار المرجعي المتسارع - بغض النظر عن الجسم الذي تم إسقاطه. الجاذبية (محليًا) تعادل التسارع. هذا هو مبدأ التكافؤ.

لفهم كم هو رائع حقامبدأ التكافؤ ، تخيل ما سيكون عليه الحال إذا تصرفت الجاذبية بنفس الطريقة مثل القوى الأخرى. إذا كانت الجاذبية مثل الكهرباء ، على سبيل المثال ، فإن الكرات ذات الشحنة الأعلى ستنجذب بقوة أكبر إلى الأرض وبالتالي تسقط أسرع من الكرات ذات الشحنة الأقل. لن تكون هناك طريقة لتحويل هذه التأثيرات بالانتقال إلى نفس الإطار المرجعي المتسارع لجميع الكائنات. لكن الجاذبية "عمياء عن المادة" - فهي تؤثر على جميع الأشياء بالتساوي. من هذه الحقيقة ، توصل أينشتاين إلى استنتاج مثير للإعجاب مفاده أن الجاذبية لا تعتمد على خصائص المادة (على سبيل المثال ، تعتمد الكهرباء على الشحنة الكهربائية). بدلا من ذلك ، يجب أن تأتي ظاهرة الجاذبية من بعض خصائص الزمكان.

الجاذبية هي منحنى الزمكان

في النهاية ، حدد أينشتاين الخاصيةالزمكان ، وهو المسؤول عن الجاذبية مثل انحناءه. لم يعد المكان والزمان في كون أينشتاين مسطحين (كما افترض نيوتن ضمنيًا) ، ولكن يمكن سحبها وتمديدها وتشويهها بواسطة المادة. تظهر الجاذبية بقوة أكبر في الأماكن التي يكون فيها الزمكان منحنيًا ، ويختفي حيث يكون الزمكان مسطحًا. هذا هو جوهر نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، والتي غالبًا ما يمكن التعبير عنها بالكلمات: "تملي المادة على الزمكان كيفية الانحناء ، 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؟

إن جاذبية الثقب الأسود قوية جدًاينحني الفضاء. تعمل كنوع من العدسة المكبرة ، مما يجعل ظل هذا الجسم الكوني يبدو أكبر مما هو عليه بالفعل. درس العلماء في Event Horizon Telescope (EHT) هذا التشويه البصري ووجدوا أن الحجم الفعلي لظل الثقب الأسود M87 يطابق تنبؤات نظرية النسبية العامة لأينشتاين.

كما ذكر Keiichi Asada ، عضو المجلس العلمي لـ EHTوخبير في الملاحظات الراديوية للثقوب السوداء في معهد علم الفلك والفيزياء الفلكية أكاديميا سينيكا ، فإن طريقتهم هي "طريقة جديدة تمامًا لاختبار النسبية العامة باستخدام الثقوب السوداء فائقة الكتلة."

كيف توصل العلماء إلى استنتاجاتهم؟

عندما تم نشر أول مرة في أبريل 2019صورة لثقب أسود ، أصبحت تأكيدًا قويًا لنظرية ألبرت أينشتاين في الجاذبية أو النسبية العامة. لا تصف النظرية كيفية تشويه المادة للزمكان فحسب ، بل تتنبأ أيضًا بوجود الثقوب السوداء ذاتها ، بما في ذلك حجم الظل الذي يلقيه الثقب الأسود على قرص لامع من مادة تدور حول بعض الأجسام الكثيفة.

لإجراء الاختبار ، استخدم الفريق الأولالصورة الملتقطة دائمًا لثقب أسود هائل في مركز المجرة القريبة M87 ، على بعد حوالي 55 مليون سنة ضوئية ، تم التقاطها بواسطة EHT العام الماضي.

الصورة الأيقونية لثقب أسود فائق الكتلةأظهر أن الظل يتوافق تمامًا مع توقعات النسبية العامة فيما يتعلق بحجمه. بعبارة أخرى ، كان أينشتاين محقًا - 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."

تصوير مستشعر جديد مصمم لاختبار تنبؤات نظريات الجاذبية المعدلة مقابل قياس حجم ظل M87.
حقوق الصورة: د. بسالتيس ، جامعة أريزونا ؛ EHT

للتأكد من النتائج أيها العلماءاستخدم حجم الثقب الأسود لإجراء ما يسمى باختبار "الدرجة الثانية" للنسبية العامة. "من المستحيل القيام بذلك في النظام الشمسي" لأن مجال الجاذبية ضعيف جدًا ، 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 حاليًا نوعان منفصلانمجموعة من القواعد التي توضح كيفية عمل الطبيعة. هناك نظرية عامة للنسبية تشرح الجاذبية بشكل مثالي وكل ما تحدده: دوران الكواكب ، تصادم المجرات ، ديناميكيات الكون المتوسع ككل. هذا هو "علم الكبير".

وهناك أيضًا ميكانيكا الكم التي تتعامل معهامع ثلاث قوى أخرى - الكهرومغناطيسية وقوتين نوويتين. تعتبر نظرية الكم بارعة للغاية في وصف ما يحدث عندما تتحلل ذرة اليورانيوم أو عندما تصطدم جزيئات الضوء بالخلية الشمسية. هذا هو "علم الصغير".

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 الفصل بيننظرية النسبية والأنظمة الكمومية بأنها "سلسة" و "قصيرة". في النسبية العامة ، الأحداث مستمرة وحتمية ، مما يعني أن كل سبب يتوافق مع تأثير محلي معين.

في ميكانيكا الكم ، الأحداث التي تسببهاتحدث تفاعلات الجسيمات دون الذرية في قفزات (نعم ، قفزات كمية) ذات نتائج احتمالية وليست محددة. تسمح القواعد الكمية بالاتصالات التي تحظرها الفيزياء الكلاسيكية. تم إثبات ذلك في تجربة تمت مناقشتها على نطاق واسع. أظهر العلماء بعد ذلك أن جسيمين - في هذه الحالة الإلكترونات - يمكن أن يؤثروا على بعضهم البعض على الفور ، حتى لو كانوا على بعد ميل واحد. عندما تحاول تفسير قوانين النسبية السلسة (قوانين النسبية) بأسلوب كمي موجز ، أو العكس ، فإن الأشياء 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 بالكاملزاوية جديدة لاختبار نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، يشرح 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

إشعار فيسبوك للاتحاد الأوروبي! تحتاج إلى تسجيل الدخول لعرض ونشر تعليقات الفيسبوك!