بين النجوم العلمي: كيفية السقوط في الثقب الأسود ولماذا قد يكون هوكينغ مخطئًا

كيف يتصرف الزمكان بجانب نجم

لفهم ما هو الثقب الأسود، تحتاج

تحديد كيفية انحناء الزمكان.مهمتي هي رسم شبكة إحداثياتالزمكان، ولهذا أستخدم خطوطًا خيالية، مثل خطوط الطول والتوازيات على سطح الأرض. يمكنك رسم نفس الخريطة في الزمكان: أولاً بدون ثقب أسود، ثم بحضوره. لهذا سأستخدم أشعة الضوء. والسبب هو ما يلي، وهذا معروف منذ زمن هيرون السكندري: الضوء يتحرك في مسار خلال أقل قدر من الزمن. باستخدام هذا المبدأ، من الممكن، على سبيل المثال، حساب مؤشرات الانكسار، أو بالأحرى، معرفة مؤشرات الانكسار، يمكن حساب مدى تشويه الضوء عند المرور من الزجاج إلى الهواء أو من الماء إلى الهواء. إذا لم تتغير خصائص الوسط، يتحرك الضوء في أقصر مسار.

مثال على الفضاء المتجانس هو الفراغ: فراغ لا توجد فيه جزيئات.والضوء الموجود فيها، بحسب مبدأ فيرما، يجب أن يتحركعلى طول أقصر طريق. إذا تحرك الضوء في فضاء مسطح، أي ثنائي الأبعاد وغير منحني، فإن أقصر مسار سيكون خطًا مستقيمًا. ولكن اتضح أنه في وجود الأجسام الجاذبة، لا يتحرك الضوء في خط مستقيم: تنحني أشعة الضوء. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الأجسام الجاذبة تحني الزمكان.

في ميكانيكا نيوتن ، يتم قياس المسافة في الفضاء بشكل منفصل ويتم قياس الوقت بشكل منفصل.لماذا نحتاج هذا؟على سبيل المثال، تحديد مسار طيران جسيم أو نواة أو صاروخ أو طائرة. تنص النظرية النسبية الخاصة على أنه لا توجد طريقة منفصلة لقياس المسافة والزمن، ولكن هناك طريقة واحدة لقياس المسافات في الزمكان. عندما نتحدث عن استمرارية الزمان والمكان، فإننا نتحدث عن مكان رباعي الأبعاد: ثلاثة إحداثيات بالإضافة إلى إحداثيات زمنية. لكن ليس من الواضح تمامًا كيفية رسم الزمكان رباعي الأبعاد على سطح ثنائي الأبعاد. نحن نعلم أنه يمكن تحديد الموقع في الفضاء بثلاثة إحداثيات: x، y، z هي الإحداثيات الديكارتية. ومن ناحية أخرى، يمكننا تحديد موضع أي نقطة في الفضاء بدقة باستخدام الإحداثيات الكروية. لذلك، يمكن استخدام إحداثي r وإحداثي الوقت فقط. والنتيجة هي نصف مستوى، لأن r دائمًا أكبر من 0، ويمكن أن يكون الوقت من ناقص إلى زائد ما لا نهاية. نقطة في هذا الفضاء هي هذه الكرة. على سبيل المثال، في الوقت t0، إذا كنت أعتبر نقطة r0 على هذا النصف المستوي، فهي ببساطة نوع من الكرة نصف القطر r0، مأخوذة في الوقت t0.

هناك كرة نصف قطرها r0 ،ومن أي نقطة في هذه الكرة تنبعث أشعة الضوء، تدخل وتخرج.أي ، يتم الحصول على مقدمة موجة من الضوء تتجه إلى الداخل - كرة متقلصة ، وتتجه للخارج - كرة متوسعة. لكن تخيل أنه في أي لحظة تكون المساحة مقسمة إلى طبقات

مثل البصل.في الوقت t0، يتم أخذ كرة نصف قطرها r0، والتي تنبعث من سطحها الأشعة. تلك التي تتجه نحو الداخل تشكل جبهة نصف قطرها r0 - Δr، وتلك التي تتجه نحو الخارج تشكل جبهة نصف قطرها r0 + Δr. وميل هذه الخطوط بالنسبة للمحور الرأسي هو 45 درجة لأن سرعة الانتشار تساوي سرعة الضوء.

إذا كنا نتعامل مع هذا الجسيملا ينتشر بسرعة الضوء ، ثم لا يمكنه التحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء ، وبالتالي يمكنه التحرك في أي اتجاه ضمن هذه الزاوية.

.إذا رسمنا أشعة ضوئية تخيلية باستخدام مخططنا ، فسنحصل على شبكة تخيلية.توضح هذه الصورة سبب اختياري للأشعةسفيتا. تخيل أنني سأختار بدلاً من الضوء بعض الجسيمات الأخرى التي لها كتلة، عندها سيظهر غموض في شبكة الإحداثيات: يمكن للجسيمات أن تتحرك بأي سرعة. ما هي فوائد الضوء؟ لأن هناك خيارًا غامضًا في الاتجاه: إما إلى الخارج أو إلى الداخل، وبعد ذلك يتم تثبيت الشبكة بشكل لا لبس فيه.

كيف يغير وجود النجم الإشعاع؟دعونا نتخيل أن هناك نجمًا معهنصف قطر الجسم rbody وهذا يعني أنه يملأ كل أنصاف الأقطار حتى الجسم، لأنه يوجد مادة ما بداخله. في لحظة معينة من الزمن - على سبيل المثال، t = 0 - يبدو النجم ببساطة وكأنه قطعة. إذا كنت تفكر في جميع النقاط في الوقت المناسب، فستحصل على شريط. الآن دعونا نتخيل ماذا سيحدث لأشعة الضوء في وجود جسم جاذب. يتم رسم أشعة الضوء باللون الأحمر كما تبدو في غياب النجم. والبنفسجي - أشعة الضوء في وجود جسم جاذب. من الاعتبارات العامة، يمكن استخلاص عدة استنتاجات: الجسم الجاذب يشوه أشعة الضوء، وتلك الأشعة الأقرب إلى النجم تكون مشوهة بقوة أكبر من تلك البعيدة. لذلك، بعيدًا عن النجم، لا تختلف الأشعة البنفسجية عمليًا عن الأشعة الحمراء.

تخيل أن كتلة الجسم ستبدأ في التغير، وسيكون نصف القطر ثابتًا.سوف تنمو الكتلة، وكلما كانت أكبر، كلما كانت أقوىسوف يؤثر الجسم على الأشعة. وفي مرحلة ما ستزداد الكتلة بدرجة كبيرة بحيث تحدث الظاهرة التالية. في مرحلة ما، ستكون بعض الزاوية على مؤخرتها، أي ببساطة عموديا. لقد أخذت نقطة انبعاث الأشعة البنفسجية ليس في نصف قطر الأفق، ولكن قليلاً في الداخل، وبالتالي فإن الشعاع لا يسير عموديًا، ولكنه مشوه.

في الوقت الحالي، لا توجد حدود لزيادة كتلة الثقب الأسود. على الأقل نحن لا نعرف.ولعل النقطة هي أن أينظرية العلوم الطبيعية لها حدود في قابلية التطبيق، مما يعني أن النظرية النسبية، على وجه الخصوص، تفقد قابليتها للتطبيق في مكان ما داخل الثقب الأسود. تفقد النسبية العامة إمكانية تطبيقها بالقرب من المنطقة التي تتركز فيها كتلة الثقب الأسود تقريبًا. ولكن في أي نصف قطر يحدث هذا وما يحل محل النظرية النسبية العامة غير معروف. ولا يمكن أيضًا استبعاد أنه إذا زادت كتلة الثقب الأسود كثيرًا، فسيتغير شيء ما.

السؤال الأول الذي يجب أن يطرح نفسه: أين ذهب النجم؟منذ مسار أي جسيم مع كتلة يمكنيكون داخل هذه الزاوية فقط، ويتحرك هكذا (اللون الأحمر - "تقنية عالية") ويضرب المركز. إذا اصطدم جسيم ذو كتلة حتمًا بالمركز من أي نقطة، فسيتم ضغط الكتلة بأكملها، أي جسم النجم بأكمله، في المركز.

المشكلة هي أن إحداثيات r وct لا تنطبق إلا في منطقة معينة، وبعد ذلك لم تعد قابلة للتطبيق.تخيل ما لديك على سطح الأرضهناك خطوط الطول والمتوازيات ، وبمساعدتهم يمكنك العثور على موضع أي كائن. لكن يوجد على السطح كهف أعمق ، والمهمة هي تحديد موضع الذبابة في هذا الكهف. لم يعد خط الطول وخط العرض مناسبين لذلك ، فأنت الآن بحاجة إلى إدخال شبكة إحداثيات جديدة. هناك بعض الاستبدال: لقد رسمت صورة باستخدام r و t لإظهار الظاهرة ، لكن من المهم عدم وجود إحداثيات r و t ، ولكن هناك بعض الإحداثيات الأخرى التي تصف السلوك داخل الثقب الأسود. هذا يعني أن الوقت لا يتم توجيهه عموديًا ، بل يتدفق باتجاه المحور ، وهذا ما يظهر من خلال هذه الزوايا.

للحصول على شبكة إحداثيات للزمكان للثقب الأسود ، يمكنك التقاط صورة ثابتة وتكرار واحدة تلو الأخرى ، "لصق" واحدة بالأخرى.يتم رسم الأشعة الصادرة باللون الأرجواني، والأحمر - أولئك الذين يدخلون إلى الداخل. الشعاع العمودي هو أيضًا شعاع الضوء، الأفق. وتنقسم هذه الخطوط الأرجوانية إلى مجموعتين. تلك التي يتم توجيهها إلى الخارج تذهب إلى ما لا نهاية، وتلك التي يتم توجيهها إلى الداخل وتذهب إلى r تساوي 0. هذه الظاهرة هي ثقب أسود.

ماذا يحدث لجسم ما عندما يقع في ثقب أسود

تخيل أن شيئًا ما معلقًا فوق ثقب أسود ، وساعته تدق ، أو أن الجسم طار إلى الثقب الأسود وعاد ، وكانت ساعته تدق أيضًا.أستطيع أن أقول كم من الوقت مرت على مدار الساعةكل من هذه الكائنات. سأقوم فقط بحساب طول الخط الذي رسمه في هذا المخطط وتقسيمه على سرعة الضوء. الذي كان معلقًا يتحرك تارة، والذي يطير يركض تارة أخرى. على سبيل المثال، قد يستغرق الأمر عدة ساعات بالنسبة لشخص ما، بينما قد يستغرق الأمر سنوات بالنسبة لشخص آخر. كما في فيلم Interstellar. نرى ظاهرة مماثلة على الأرض، لكنها لا تؤدي إلى انحناء الزمكان كثيرًا. وهذا ملحوظ في أنظمة تحديد المواقع العالمية: فالساعات الموجودة على الأقمار الصناعية التي تشارك في نظام تحديد المواقع العالمي تظهر توقيتًا مختلفًا. إذا سافرت إلى قمر صناعي وعدت، فستعرض ساعتي وقتًا مختلفًا عن القمر الصناعي. وتؤخذ هذه الظاهرة بعين الاعتبار لكي يعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

وفقًا لساعة مراقب معلق فوق ثقب أسود ، يمر وقت طويل بلا حدود بينما يراقب جسمًا يسقط في ثقب أسود.الجسم الذي يقع في الثقب الأسود لا يحدث أبدًايعبر أفق الحدث. إنه يقترب أكثر فأكثر، مثل أخيل خلف السلحفاة، لكنه يستطيع الوصول إليها. وفقا لساعة الكائن، فإن الوقت النهائي سوف يمر. كيفية تحديد هذا؟ قياس طول الخط العالمي بين المتوازيات وخطوط الطول المتساوية. كلما زاد طول هذا الجزء، زاد انحناءه. الكائن يطير، والفواصل الزمنية تدق على ساعته - على الرسم البياني، هذه متوازيات متباعدة على طول الخط العالمي بفواصل زمنية متساوية Δt. ولكن حيثما يكون الراصد، فإن الفاصل الزمني ينمو، وعندما يقترب المرء من أفق الحدث، فإن الفاصل الزمني ينمو بلا حدود. في اللحظة التي يعبر فيها جسم ما أفق الحدث للثقب الأسود، ينتقل شعاع ضوئي وهمي عموديًا على طول الأفق ولا يعبر هذا الخط أبدًا. ولذلك فإن الراصد لن يرى أبدًا لحظة التقاطع، ومن وجهة نظر الجسم الساقط، يمر عدد محدود من الفواصل الزمنية. تبدو هذه الظاهرة غامضة، ولكن عندما يقولون أن الوقت يتدفق بطرق مختلفة. هذا ليس صحيحا تماما. الوقت لا يتباطأ، الكائن لا يبدأ في التحرك بشكل أبطأ. كان الوقت يمضي ويمضي، كل ما في الأمر أنه وفقًا لساعتي هناك شيء واحد يدق، ووفقًا لساعات الآخرين هناك شيء آخر يدق.

في Interstellar ، هناك لحظة سقط فيها الشخصية الرئيسية في ثقب أسود.كما أفهمها، طار إلى المركز ولم يكن كذلكتمزق اربا. وأثناء سقوطه، طار بالقرب من هذه المادة التراكمية، القرص التراكمي، الذي نراه، وكما أفهمه، ينبعث في نطاق الأشعة السينية الصلبة. ومع ذلك، فقد تلقى بطل الفيلم هذا الإشعاع، وربما قويًا جدًا. أولا، تم تشعيعه، وثانيا، من وجهة نظر رفاقه الذين كانوا بالخارج، طار لفترة طويلة بلا حدود. ولكن في الواقع فإنه يقع ضمن فترة زمنية محدودة. ثم ضرب المركز دون أن يتمزق. وينطلق مستشار الفيلم، الفيزيائي كيب ثورن، من حقيقة أننا لا نعرف ما يحدث تحت أفق الحدث، مما يعني أنه من الممكن أن يكون هناك أي شيء، على سبيل المثال، عالم خامس الأبعاد.

هل يمكن لمصادم أن يفرخ ثقبًا أسود؟ لم يثبت العكس!

في عام 2008 ، سمع الكثيرون عن الفيزيائي روسلر ، الذي كان يحاول بنشاط إغلاق مصادم هادرون الكبير.حتى أنه حاول مقاضاة الحكومة الألمانية.لقد كانت هذه مخاطرة جسيمة حقًا، لأنه كان بإمكانه الفوز في المحكمة، مما يعني أن 10٪ من ميزانية المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية قد تختفي ببساطة. لكن CERN ابتعدت أيضًا عن روزلر، وقال مدير معهد ماكس بلانك ذات مرة إن هذا لا ينبغي تركه للصدفة وأنه من الضروري التحدث مع روزلر. علاوة على ذلك، فإن هذا العالم مؤهل، وهو فيزيائي رياضي. حتى أنه لديه جاذب غير خطي يحمل اسمه. لقد استشهد بحقيقة مضحكة كحجة مضادة ضد LHC. أن الأشعة الكونية لديها طاقات أعلى من تلك الموجودة في CERN. ولذلك، سيصطدم شيء ما عبر الأرض، وربما يتشكل ثقب أسود، لكنه يطير خارج الكوكب بسرعة كبيرة ويطير بعيدًا في مكان ما، فلا نراه. لكن ليس كل شيء يحدث في مركز الكتلة، لذلك في حالة حدوث تصادم، قد يبقى ثقب أسود هناك على الأرض، سيجلس هناك ويلتهمنا شيئًا فشيئًا. جمع مدير معهد ألبرت أينشتاين عدة أشخاص، وأنا منهم، وكان علينا "خنق" روسلر هذا وإقناعه بأنه كان مخطئا. ومع ذلك، لم يذهب إلى المحكمة.

تتنبأ النظرية بأن هذا الثقب الأسود ، الذي يمكن أن يتشكل نتيجة تصادم في المصادم ، سوف يتفكك على الفور.وبما أنها مجهرية للغاية، فإنها سوف تفعل ذلكتنبعث بشكل مكثف للغاية وفقًا لهوكينج وسوف تتحلل بسرعة. قال روسلر إن هوكينج كان أحمقًا ومخطئًا. ستجلس الحفرة هناك وتأكل، والشيء الآخر هو أنها كانت صغيرة، لذلك لا يمكنها أن تأكل إلا ما هو أصغر منها، لكن هذا يستغرق أيضًا بعض الوقت. يجب أن يأكل أولاً شيئًا صغيرًا، ثم ينمو ببطء، ثم أكبر، وهكذا. ويبدو أن استراتيجية المحادثة هذه ناجحة حقًا، خاصة في المحكمة. نحن لا نستبعد أن يكون الثقب الأسود لا يزال يتشكل، وأن هوكينج مخطئ، وأنه لا يتحلل. نحن لم نختبر أي شيء تجريبيًا حقًا. هذه كلها مجرد مناقشات نظرية.

انظر أيضا:

تم إنشاء أول خريطة دقيقة للعالم. ما هو الخطأ مع أي شخص آخر؟

إيلون ماسك: أول سائحين إلى المريخ سيموتون

حطام كبير من محطة الفضاء الصينية "سكايلاب" يطير إلى الأرض