مقدمه اي بر وجود سياهچاله ها

تا قبل از سال 1905 فضا و زمان مطلق محسوب مي شدند . بالغ بر 250 سال تجربه ها و آزمايش هاي دانشمند بزرگ فيزيك سر ايزاك نيوتن در فيزيك حكمفرمايي مي كرد ؛ از حركت موشك ها وآونگ ها گرفته و حتي ماشين هاي بخار و يا حركت سياره ها را در بر مي گرفت . تا اين زمان اين موضوعات با تئوري هاي فيزيك وابسته به قرن هفدهم شرح داده مي شدند . بي شك پديده هايي از جمله سفر نور در خلاء و همچنين ماهيت دقيق گرانش و گريز از آن نياز به توضيحات علمي بيشتري داشت .

آلبرت اينشتين دانشمند بزرگ تمام قرون فيزيك كه شخصي آلماني بود در سال 1905 تئوري نسبيت خاص خود را شرح داد و مدتي بعد دكتر اينشتين تئوري جديدي بيان كرد كه همه ي ابعاد جهان را شرح مي داد ، اين تئوري نسبيت عام نام داشت و اولين تئوري براي شرح گرانش مي بود .

 در تئوري نسبيت عام جهان در چهار بعد توضيح داده مي شود كه سه بعد آن فضايي است و چهارمي زمان است كه با ابعاد فضايي زوجيت دارد . در اين تئوري هر جسم جرم داري در بافت فضا – زمان اطرافش پيچ و تاب يا خميدگي ايجاد مي كند . گرانش مي تواند نتيجه ي نيروي رمز آلود و نامرئي باشد كه كارش خميدگي فضا مي باشد . در اين تئوري همه چيز از ذرات زير اتمي كه كهكشان هاي غول پيكر را مي سازند ساخته شده است . اين اجرام ساخته شده باعث خميدگي بافت فضا – زمان مي شوند . بنابر نظريه ي نسبيت گرانش اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است . براي درك اين موضوع كه اجرام بافت فضا زمان را خميده مي سازند مي توان ورقه اي پلاستيكي را به عنوان بافت فضا – زمان تصور كرد و يك گلوله كه بر روي اين صفحه قرار مي گيرد را خورشيد در بافت فضا – زمان تصور كرد . اگر گلوله  مكان مشخصي داشته باشد آن گاه در آن مكان پيچ و تابي ايجاد مي شود و اين فرمي جالب براي توجيه گرانش است دقيقا" همين حالت در بافت فضا زمان ايجاد مي شود . بنابراين مدار سيارات مي تواند نتيجه ي گرانش خورشيد باشد .براي شرح هر چه بهتر گرانش به چهار بعد ساختاري نيازمند هستيم .بعد از مدت كوتاهي از انتشار نظريه نسبيت عام پژوهش هاي دانشمندان در زمينه اين نظريه ي جديد و عجيب آغاز شد . درك اين نظريه بسيار مشكل و محاسبات رياضي پيشرفته و مشكلي در آن به كار رفته است ، اين موضوع به گونه اي است كه امروزه دانشمندان با بعضي از محاسبات و معادلات اين نظريه ي قوي مشكل دارند . در سال 1916 فيزيكدان آلماني كارل شوارتزشيلد راه حلي براي معادلات پيشرفته نسبيت عام ارائه كرد .

سياهچاله هاي شوارتز شيلد

دكتر شوارتز شيلد به اين موضوع پي برد كه اگر يك جرم به اندازه ي كافي شعاعش كوچك شود ، فضا – زمان اطرافش به شدت تحريف مي شود و حالت كج و كولگي به خود مي گيرد و از دام اين جسم هيچ چيز حتي نور كه سرعتي در حدود  300000 كيلومتر بر ثانيه دارد و حد سرعت ها محسوب مي شود و يكي از پايه هاي نسبيت است نمي تواند بگريزد . اين اجرام از ستاره هايي پديد مي آيند كه حداقل 2 تا 3 برابر خورشيد جرم داشته باشند . هنگامي كه اين ستاره ها فروريزند از خود چنين رفتاري نشان مي دهند . اين در حالي است كه سوخت قابل دسترسشان به اتمام رسد ، در اين هنگام حتي انرژي هسته هاي اتم ستاره قادر نيستند از فروريزش ستاره در خودش جلوگيري كنند . در اين حالت تمام جرم ستاره در نقطه اي كه تكينگي خوانده مي شود متمركز مي شود . در اين نقطه خاص از فضا – زمان فشردگي ماده بي نهايت است همچنين چگالي بي نهايت مي باشد . مي توان گرانش اين ناحيه را بي نهايت تصور كرد . در محدوده ي تكينگي بافت فضا – زمان بي نهايت خميده است ؛ هرچند علم در اين شرايط قادر به شرح درون تكينگي نيست . در اين ناحيه تمام قوانين فيزيك از ميان مي روند ، البته كارهاي شوارتز شيلد وضع نور را در اطراف اين محدوده ممنوعه ي  آسماني مشخص ساخته است .  

اگر انقباض ستاره آغاز شود جرم آن به طور فزاينده اي در منطقه ي كوچكي از فضا متمركز مي شود و اثر گرانش نيز به طور مشخص اظهار وجود مي كند . زماني كه شعاع ستاره ي در حال رمبش به شعاع بحراني يا شعاع شوارتز شيلد رسيد از ديدگاه ما ناپديد مي شود ، زيرا سرعت گريز آن از سرعت نور فراتر رفته است . با بهره گيري از كارهاي اينشتين مي فهميم  كه سرعت هيچ چيز نمي تواند از سرعت نور فراتر رود ، اگر اين گونه شود قوانين نسبيت به زير پا گذاشته شده است . در اين حال سياهچاله پديد آمده است . لبه ي بيروني اين حفره را افق رويداد مي خوانيم ، چون شناختي از آن سوي افق رويداد نداريم پس امكان سفر به بيرون جهان در زمان حال امكان پذير نيست و شايد هرگز هم امكان پذير نباشد . فاصله اي در حدود 5/1 برابر شعاع افق رويداد منطقه ي كاذبي وجود دارد كه به فوتون اسفر يا كره ي فوتون ها معروف است . در اين ناحيه گرانش سياهچاله براي كشيدن نور به طرف خود كافي نيست و نور هنوز نيروي كافي براي گريز دارد . بيشتر فوتون هاب نور در اين منطقه صيد مي شوند تا تقديرشان براي هميشه در دست مدار سياهچاله باشد .  فرض كنيد شخصي داوطلب براي سفر به سياهچاله هاي شوارتز شيلد پيدا شود ، او چه تجربه خواهد كرد ؟ او از ميان فوتون اسفر مي گذرد آيا او با نور وارد مي شود ؟ در حال داوطلب ما روشني را وداع گفته و وارد تاريكي محض شده است . او احساس مي كند با سرعتي باورنكردني مي چرخد . به طور قريب الوقوع در افق رويداد فضانورد ما تابع نيروي جذر و مد در مقياس نجومي است . او اين احساس را خواهد داشت كه پاهايش ميلياردها برابر از سرش سنگين تر خواهد بود در يك لحظه ي سريع و خيره كننده داوطلب ما در اتم ها متلاشي خواهد شد ، او با تكينگي برخورد خواهد كرد و باقيمانده فاني او به طور شتاب زده از وجود ساقط مي شود و خورد مي شود .

سياهچاله با تكانه زوايه اي

سياهچاله هاي شوارتز شيلد شايد از اين جهت جالب به نظر آيند كه هرگز نمي توان آنها در طبيعت جستجو كرد . براي هر سياهچاله ي كشف شده مي توان اسپين را فرض كرد اين موضوع مي تواند شاهدي بر حل معادلات اينشتين باشد . معادلات اينشتين براي تكانه ي زاويه اي ( اسپين ) تا سال 1963 كشف نشده بود . روي پي كر كه رياضيداني استراليايي اين راه حل ها را تصادفا" كشف كرد . اين راه حل ها زماني كشف شدند كه برروي مشكلات ديگر كار مي شد ؛ چرخش آنها سريع است درست مانند سياهچاله هاي شوارتز شيلد البته با كمي تفاوت كه آنها را جذاب تر مي كند . اولين چيزي كه يك مسافر سياهچاله در خواهد يافت كشيده شدن به دور سياهچاله و گردش آن است . در چرخش يك سياهچاله يك مرز نامرئي وجود دارد كه به حد ثابت معروف است . در حد ثابت هيچ چيز قادر به گريز نيست و به طرف سياهچاله كشيده مي شود ، مگر اينكه از نور سريع تر سفر كند كه با قوانين نسبيت متناقض است . در واقع در حد ثابت يك شخص بايد سرعتش فراتر از نيروي گريز سياهچاله شود . منطقه ي بين حد ثابت و افق رويداد ارگوسفر نام دارد . جالب است كه اين نكته از لحاظ نظري درست است كه ماده از ارگوسفر بگريزد ولي عملا" امكان پذير نيست . ارگوسفر يك شكل غير عادي دارد و اين خاصيت در افق رويداد و قطب ها نيز حس مي شود و معادل شعاع سياهچاله هاي شوارتز شيلد وابسته به جرم آن كشش دارد .

سياهچاله هاي كر

هر چند سياهچاله ها چهره ي خارجي خوبي به نمايش نمي گذارند اما در افق رويداد تقريبا" تعبير عدم چرخش متفاوت است . تكينگي فرمي از حلقه را به خود مي گيرد دانشمندان به اين امر پي برده اند كه تكينگي زمان مانند است اما در سياهچاله هاي شوارتز شيلد دقيقا" عكس اين موضوع است يعني حلقه ي تكينگي فضا مانند است . اين بدان معنا است كه اشيائي كه داخل افق رويداد روي سطح صاف استوا در تكينگي نابود مي شوند ، قسمتي از راه حل هاي كر اين امر را به نمايش مي گذارد كه منطقه ي مرز با حلقه ي تكينگي جايي است كه دانشمندان اغلب براي نمايش آن از نمودار فضا زمان براي جهان گرافيكي عجيب نسبيت عام از آن استفاده مي كنند .

در اين منطقه فضا – زمان منفي يا معكوس است و به عقيده تعداد زيادي از دانشمندان در اين مكان گرانش رانشي حكمفرما است ، يعني به جاي اينكه جسمي در سطح صفحه ي پلاستيكي موجب فرورفتگي شود باعث بالازدگي مي شود . ديگر تئوري ها ادعا مي كنند كه در اين منطقه اجسام شعاع منفي دارند . متأسفانه هيچ يك از تئوري هاي فيزيك قادر به جستجوي چنين مفهومي نيست .

عرياني تكينگي

يكي از خاصترين  رول هاي  غيرعادي سياهچاله ها امكان تكامل برهنگي تكينگي است . چرخش يك سياهچاله بايد چرخشي باشد كه هيچ گاه سريعتر از كاهش شعاعش نباشد . هر جيز بخواهد مقدار تكانه زاويه اي براي گذر از سياهچاله داشته باشد بايد سرعت آن از سرعت نور فراتر رود و اگر اين گونه نشود در نقطه اي از افق رويداد از نگاه ها پنهان مي شود و در نزديكي تكينگي تنها مي ماتد . غياب افق رويداد به معناب سفر به فضاي بيروني تكينگي است . شايد به توان به اين صورت گفت كه نمي توانيم از عرياني تكينگي خارج شويم . بيشتر دانشمندان به اين امر تمايل دارند . در اين ناحيه از جهان قوانين طبيعت كاربرد ندارد و قوانين خاص بر روي يكديگر و جهان تأثير مي گذارند .

جهان هاي موازي

از تمام خواص عجيب و غريب سياهچاله ها هيچ يك عجيب تر از حل معادلات اينشتين نيست ؛ اين معادلات به ما مي گويند  كه اين چاله ها در فضا – زمان مي توانند همچون پلي به ديگر جهان ها عمل كنند . اين گفته مي تواند سوژه ي خوبي براي داستان هاي علمي تخيلي باشد . قضيه ي جهان هاي موازي به صورتي است كه مي گويد جهان هاي كاملا" مجزايي از جهان ما وجود دارد . . در ميان بسياري از تفكرها همچون طبيعت اين جهان ها ، اين عقيده وجود دارد كه اگر ما در اين جهان ها ساكن شويم آنگاه زندگي مان اندكي تفاوت خواهد كرد . هر چند امكان دارد نسخه هاي موازي براي جهان  وجود داشته باشند و يا نباشند . اين نظريه غير عاقلانه به نظر نمي آيد زماني كه با معادلات ناشناس مكانيك كوانتوم ارتباط برقرار مي كند . هر چند كه هستي اين جهان ها در زمان حال صرفا" تعبيري تئوريكال است .

آينده در نمودار فضا – زمان  در نوك نمودار قرار گرفته است . تمام حركت ها در فضا بايد سيري در 45 درجه ي خط زمان كه عمودي است داشته باشد . مسيرهايي كه كجي آنها بزرگتر از 45 درجه است فضا مانند هستند كه سريعتر از مسافرت نور است همانطور در منطقه ي زير خط 45 درجه سايه اي خاكستري و نشاني ممنوع پرتو افكنده است . پروفسور راجر پن رُز از دانشگاه آكسفرد نوع پيشرفته اي از نمودار فضا – زمان را ترسيم كرده است كه براي يافتن راه حل هاي معادلات سياهچاله ها بسيار مفيد است . اين نمودار به سرعت اتصال سياهچاله ها را با جهان هاي موازي نشان مي دهد . تصوير شش نمودار پن روز براي سياهچاله هاي شوارتز شيلد است . در نگاه اول از نمودار شكل پنج به نظر پيچيده تر مي آيد . اما واقعا" اين طور نيست . فقط در آن تمام راه هاي ميان فضا بايد كجي شان كمتر از 45 درجه از محور قائم باشد . تكينگي سياهچاله بر دندانه هاي كوسه شكل دلالت مي كند كه در زاويه 90 درجه واقع مي شود پس فضا مانند است . افق رويداد يك راه طبيعي است كه با خميدگي هاي تيز به نمايش در آمده است . در اين نمودار راه سفر به سياهچاله با خط خميده به نمايش در آمده است كه از ميان افق رويداد گذشته است دو چيز غير طبيعي در اين نمودار خودنمايي مي كند ؛ اول آنكه يك تكينگي اضافي در گذشته وجود دارد ( در قسمت زيرين نمودار ) و ديگر آنكه جهاني اضافي در سمت چپ آن به چشم مي خورد .                                                                         

تكينگي اضافي واقع در نمودار همچون گذشته فضا مانند است ، اين تكينگي معروف به سفيد چاله است . به صورت ساده تر مي توان گفت كه كاربرد سفيد چاله مخالف كاربرد سياهچاله است . در واقع سياهچاله هر چيز كه نزديكش مي آيد آن را فرامي گيرد ولي سفيد چاله ماده را دفع مي كند . تعدادي از فيزيكدانان به اين نظريه پايبند هستند كه سياهچاله در باز شده اي به سوي ديگر جهان ها است . و يا اينكه ماده ي جذب شده در جهان ما در جايي ديگر بيرون ريخته مي شود و آن داراي هيچ ارزشي نيست . هر چند كه ستاره شناسان هرگز يك سفيد چاله را مشاهده نكرده اند و در وجودشان شك و ترديد وجود دارد .

پن رز در نمودار ديگري سياهچاله هاي كر نمايش مي دهد . چرخش يك سياهچاله چند شكل جالب و جذاب به نمايش مي گذارد ، همچنين تكينگي حلقه اي يا همان حلقه ي تكينگي در منطقه ي فضا زمان منفي قرار دارد . اين محل منطقه اي است كه در آن سفر به گذشته امكان پذير مي شود . حلقه ي تكينگي بر گردي دندانه هاي تيز كه براي نمايش يك قسمت كه براي عفو از عدم چرخش منسوبش دلالت مي كنند . اين موضوع بايد آشكار شود كه تكينگي عمودي است ( زمان مانند ) اين بدان معنا است كه هر شخص مي تواند با سرعتي كمتر است سرعت نور از آن بگريزد . منطقه اي كه محصوري منفي دارد جايي است كه فقط مي تواند در تكينگي باشد . گرفتن اين مطلب بسيار ساده است ، اين منطقه سدي نرمال بين گذشته و آينده است . يك مسافر اين منطقه مي تواند در مكاني در گذشته يا آينده قرار گيرد اين يك راه طبيعي از افق رويداد نمي باشد . فقط آنسوي منطقه حلقه ي زمان مانند  دروغ است منطقه اي فضا منفي است . هرچند اين گونه از حفره ها كه مطالبي به اين گونه با دركي مشكل دارند همتايي ندارند . يكي از دو راهي كه تمايل به جلوگيري از سفر مسافر ما دارد اين است كه سفر به اين جهان ديگر هرگز ممكن نمي باشد . هرچند هدف از اين نمودار ديددار با جهان ديگري است . نمودار پن روز در زمينه سياهچاله هاي كر  چهار جهان ( سه جهان موازي به همراه جهان خودمان ) را به نمايش مي گذارد البته اين نمودار اين امكان را دارد كه تا بي نهايت در قالب جهان هاي گذشته و آينده گسترش يابد .

براي مثال يك مسافر در سياهچاله هاي كر مي تواند اين امكان را دارد تا به دو صورت به سفر بپردازد كه در نمودار به نمايش در آمده است هرچند كه راه دو به جهان ديگر مي رود .

آيا سياهچاله ها واقعا" وجود دارند ؟

اگر يك سياهچاله با طبيعت خود همه ي ماده ي اطرافش را جذب مي كند چطور ممكن است يكي از آنها را بيابيم و شايد بخواهيم در زمان كوتاهي در آن فرو افتيم؟ ستاره شناسان مداركي را براي متقاعد كردن هر شخص در رابطه با اين اجسام يافته اند اين اطلاعات در طول 15 سال اخير توسط تلسكوپ هاي اشعه ي ايكس به دست آورده اند . يك سياهچاله ماده ي ستاره هاي نزديك به مدارش را به سرعت به طرف خود مي كشد اين ماده به دور سياهچاله همچون آب وان به درون لوله فاضلآب راه مي يابد البته اين ماده همچون گردابي مي شود كه معروف به ديسك تراكمي يا افزايشي است .

ماده اي كه از اجرام اختري مي آيد تا اينكه در سياهچاله فرو افتد مقصد پاياني اش افق رويداد است . اين ماده افزايش سرعت پيدا مي كند افزايش حرارت اين ماده آغاز مي شود در اين شرايط فوتون هاي انرژي الكترومغناطيسي آزاد مي شود . آنتن هاي فضايي انرژي شديد اشعه ي ايكس ساتع شده از اين اجرام را دريافت مي كنند . ستاره شناسان در آسمان منابع قدرتمند اشعه ي ايكس را جستجو مي كنند تا مكان يك منبع خاص را تعيين كنند ، اگر اين منبع قسمتي از يك سيستم دوتايي باشد آنها مي توانند جرم اين همدم نامرئي را مشخص كنند . اين كار شبه وار آناليزي بصري و يا مؤلفه اي بصري از سيستم هاي دوتايي است . اگر منبع اشعه ي ايكس رديابي شده داراي حداقل 2تا 3 برابر جرم خورشيد باشد مطمئنا" در مي يابند كه سياهچاله اي را نشانه رفته اند .

در كل سياهچاله ها  عضو اولين كشفيات بودند اما نه در خارج فضا بلكه از نتايج حل معادلات درخشان دكتر اينشتين در نسبيت بود . در تاريخ بيشتر دانش ما از اين اجسام رمز آلود باقيمانده ي تئوري هاي فيزيك است . تغيير شكل ساختار فضا – زمان علتي چون اين اين اجرام رمز آلود دارند . ما هنور جاي كاوش براي مثال هاي گفته شده مثل تئوري جهان هاي موازي وعرياني تكينگي و ..... داريم . ستاره شناسان و فيزيكدانان به اين مسئله باور دارند كه اين اجسام از مرگ ستارگان غول پيكر پاي به عرصه ي وجود مي گذارند . اين تئوري مي تواند تجربه اي براي كشف هاي جديد و توضيح وجود سياهچاله ها باشد .

 
نويسنده : امير سجاد رضايي

نقل از سي پي اچ

ارسال شده توسط بهزاد طهماسب زاده