على الرغم من تعقيد الموضوع، يقدم البروفيسور ستيفن جوبسر من جامعة برينستون مقدمة موجزة وسهلة المنال ومسلية لأحد أكثر مجالات الفيزياء إثارة للجدل اليوم. الثقوب السوداء هي كائنات حقيقية، وليست مجرد تجربة فكرية! تعتبر الثقوب السوداء مريحة للغاية من الناحية النظرية، لأنها أبسط بكثير من الناحية الرياضية من معظم الأجسام الفيزيائية الفلكية، مثل النجوم. تصبح الأمور غريبة عندما يتبين أن الثقوب السوداء ليست بهذا السواد على الإطلاق.
ما هو حقا داخلهم؟ كيف يمكنك أن تتخيل الوقوع في الثقب الأسود؟ أو ربما وقعنا فيه بالفعل ولم نعرف عنه بعد؟
في هندسة كير، هناك مدارات جيوديسية، محاطة بالكامل بالإرغوسفير، وتتميز بالخاصية التالية: الجسيمات التي تتحرك على طولها لها طاقات كامنة سلبية تفوق في القيمة المطلقة كتل الراحة والطاقات الحركية لهذه الجسيمات مجتمعة. وهذا يعني أن الطاقة الإجمالية لهذه الجزيئات سلبية. هذا هو الظرف الذي يتم استخدامه في عملية بنروز. أثناء وجودها داخل الإرغوسفير، تطلق السفينة التي تستخرج الطاقة مقذوفًا بطريقة تتحرك على طول أحد هذه المدارات بطاقة سلبية. وفقًا لقانون حفظ الطاقة، تكتسب السفينة طاقة حركية كافية لتعويض كتلة السكون المفقودة بما يعادل طاقة المقذوف، بالإضافة إلى اكتساب المعادل الموجب لصافي الطاقة السالبة للقذيفة. وبما أن المقذوف يجب أن يختفي في الثقب الأسود بعد إطلاقه، فسيكون من الجيد صنعه من نوع ما من النفايات. من ناحية، سيظل الثقب الأسود يأكل أي شيء، ولكن من ناحية أخرى، سيعود إلينا طاقة أكبر مما استثمرناه. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة التي نشتريها ستكون "خضراء"!
يعتمد الحد الأقصى لكمية الطاقة التي يمكن استخلاصها من ثقب كير الأسود على مدى سرعة دوران الثقب. في الحالة القصوى (عند أقصى سرعة دوران ممكنة)، تمثل الطاقة الدورانية للزمكان حوالي 29% من إجمالي طاقة الثقب الأسود. قد لا يبدو هذا كثيرًا، لكن تذكر أنه يمثل جزءًا صغيرًا من إجمالي كتلة الراحة! للمقارنة، تذكر أن المفاعلات النووية التي تعمل بطاقة الاضمحلال الإشعاعي تستخدم أقل من عُشر واحد بالمائة من الطاقة المكافئة للكتلة الساكنة.
تختلف هندسة الزمكان داخل أفق الثقب الأسود الدوار بشكل كبير عن زمكان شوارزشيلد. دعونا نتابع تحقيقنا ونرى ما سيحدث. في البداية، يبدو كل شيء مشابهًا لقضية شوارزشيلد. وكما كان الحال من قبل، يبدأ الزمكان في الانهيار، ساحًا كل شيء معه نحو مركز الثقب الأسود، وتبدأ قوى المد والجزر في النمو. لكن في حالة كير، قبل أن يصل نصف القطر إلى الصفر، يتباطأ الانهيار ويبدأ في الاتجاه المعاكس. وفي الثقب الأسود الذي يدور بسرعة، سيحدث هذا قبل وقت طويل من أن تصبح قوى المد والجزر قوية بما يكفي لتهديد سلامة المسبار. لكي نفهم بشكل حدسي سبب حدوث ذلك، دعونا نتذكر أنه في الميكانيكا النيوتونية، أثناء الدوران، تنشأ ما يسمى بقوة الطرد المركزي. هذه القوة ليست من القوى الفيزيائية الأساسية: إنها تنشأ نتيجة للعمل المشترك للقوى الأساسية، وهو أمر ضروري لضمان حالة الدوران. ويمكن اعتبار النتيجة قوة فعالة موجهة نحو الخارج، وهي قوة الطرد المركزي. تشعر به عند منعطف حاد في سيارة سريعة الحركة. وإذا كنت قد ركبت عربة دوارة من قبل، فأنت تعلم أنه كلما دارت بشكل أسرع، كلما كان عليك إحكام قبضتك على القضبان لأنه إذا تركتها، فسيتم طردك. هذا التشبيه للزمكان ليس مثاليًا، لكنه يوصل الفكرة بشكل صحيح. يوفر الزخم الزاوي في الزمكان لثقب كير الأسود قوة طرد مركزي فعالة تتصدى لسحب الجاذبية. عندما يسحب الانهيار داخل الأفق الزمكان إلى أنصاف أقطار أصغر، تزداد قوة الطرد المركزي وتصبح في النهاية قادرة على مواجهة الانهيار أولاً ثم عكسه.
وفي اللحظة التي يتوقف فيها الانهيار، يصل المسبار إلى مستوى يسمى الأفق الداخلي للثقب الأسود. عند هذه النقطة، تكون قوى المد والجزر صغيرة، وبمجرد عبور المسبار لأفق الحدث، فإنه يستغرق وقتًا محدودًا فقط للوصول إليه. ومع ذلك، فإن توقف الزمكان عن الانهيار لا يعني أن مشاكلنا قد انتهت وأن الدوران قد قضى بطريقة أو بأخرى على التفرد داخل ثقب شوارزشيلد الأسود. وهذا لا يزال بعيد المنال! ففي نهاية المطاف، في منتصف الستينيات، أثبت روجر بنروز وستيفن هوكينج نظامًا من نظريات التفرد، والذي نتج عنه أنه إذا كان هناك انهيار جاذبية، حتى لو كان قصيرًا، فيجب أن يتشكل شكل من أشكال التفرد نتيجة لذلك. في حالة شوارزشيلد، هذا هو التفرد الشامل والساحق الذي يُخضع كل الفضاء داخل الأفق. في حل كير، تتصرف المتفردة بشكل مختلف، ويجب أن أقول، بشكل غير متوقع تمامًا. عندما يصل المسبار إلى الأفق الداخلي، يكشف تفرد كير عن وجوده، ولكن يتبين أنه يقع في الماضي السببي للخط العالمي للمسبار. كان الأمر كما لو أن التفرد كان موجودًا دائمًا، ولكن الآن فقط شعر المسبار بتأثيره يصل إليه. ستقول أن هذا يبدو رائعًا، وهذا صحيح. وهناك عدة تناقضات في صورة الزمكان، والتي يتضح منها أيضًا أن هذه الإجابة لا يمكن اعتبارها نهائية.
المشكلة الأولى في ظهور التفرد في الماضي لراصد يصل إلى الأفق الداخلي هي أنه في تلك اللحظة لا تستطيع معادلات أينشتاين التنبؤ بشكل فريد بما سيحدث للزمكان خارج ذلك الأفق. بمعنى أن وجود التفرد يمكن أن يؤدي إلى أي شيء. وربما ما سيحدث بالفعل يمكن تفسيره لنا من خلال نظرية الجاذبية الكمية، لكن معادلات أينشتاين لا تمنحنا أي فرصة للمعرفة. من باب الاهتمام فقط، نصف أدناه ما يمكن أن يحدث إذا طلبنا أن يكون تقاطع أفق الزمكان سلسًا قدر الإمكان رياضيًا (إذا كانت الدوال المترية، كما يقول علماء الرياضيات، "تحليلية")، ولكن لا يوجد أساس فيزيائي واضح لمثل هذا الافتراض رقم من حيث الجوهر، فإن المشكلة الثانية المتعلقة بالأفق الداخلي تشير إلى العكس تمامًا: في الكون الحقيقي، حيث توجد المادة والطاقة خارج الثقوب السوداء، يصبح الزمكان في الأفق الداخلي خشنًا للغاية، وتتطور هناك متفردة تشبه الحلقة. إنها ليست مدمرة مثل قوة المد اللانهائية للتفرد في حل شوارزشيلد، ولكن على أي حال وجودها يلقي ظلالا من الشك على العواقب التي تترتب على فكرة الوظائف التحليلية السلسة. ولعل هذا أمر جيد، إذ أن افتراض التوسع التحليلي ينطوي على أشياء غريبة للغاية.
في جوهر الأمر، تعمل آلة الزمن في منطقة منحنيات زمنية مغلقة. بعيدًا عن المتفردة، لا توجد منحنيات زمنية مغلقة، وبعيدًا عن القوى التنافرية في منطقة المتفردة، يبدو الزمكان طبيعيًا تمامًا. ومع ذلك، هناك مسارات (وهي ليست جيوديسية، لذلك تحتاج إلى محرك صاروخي) ستأخذك إلى منطقة المنحنيات المغلقة الشبيهة بالزمن. بمجرد وصولك إلى هناك، يمكنك التحرك في أي اتجاه على طول الإحداثي t، وهو وقت الراصد البعيد، ولكن في الوقت الخاص بك ستظل تتحرك للأمام دائمًا. هذا يعني أنه يمكنك الذهاب إلى أي وقت تريده، ثم العودة إلى جزء بعيد من الزمكان - وحتى الوصول إلى هناك قبل أن تذهب. بالطبع، أصبحت الآن كل المفارقات المرتبطة بفكرة السفر عبر الزمن تنبض بالحياة: على سبيل المثال، ماذا لو، من خلال المشي عبر الزمن، أقنعت نفسك الماضية بالتخلي عنها؟ ولكن ما إذا كان من الممكن وجود مثل هذا النوع من الزمكان وكيف يمكن حل المفارقات المرتبطة به، فهي أسئلة خارجة عن نطاق هذا الكتاب. ومع ذلك، تمامًا كما هو الحال مع مشكلة "التفرد الأزرق" في الأفق الداخلي، تحتوي النسبية العامة على دلائل تشير إلى أن مناطق الزمكان ذات المنحنيات الزمنية المغلقة غير مستقرة: بمجرد محاولتك دمج كمية ما من الكتلة أو الطاقة ، يمكن أن تصبح هذه المناطق مفردة. علاوة على ذلك، في الثقوب السوداء الدوارة التي تتشكل في كوننا، فإن "التفرد الأزرق" نفسه هو الذي يمكن أن يمنع تكوين منطقة ذات كتل سلبية (وجميع أكوان كير الأخرى التي تؤدي إليها الثقوب البيضاء). ومع ذلك، فإن حقيقة أن النسبية العامة تسمح بمثل هذه الحلول الغريبة أمر مثير للاهتمام. بالطبع، من السهل اعتبارها أمراضًا، لكن دعونا لا ننسى أن أينشتاين نفسه والعديد من معاصريه قالوا نفس الشيء عن الثقوب السوداء.
»لمزيد من المعلومات حول الكتاب ، يرجى زيارة
ل Khabrozhiteli خصم 25٪ على الكوبون - الثقوب السوداء
عند دفع ثمن النسخة الورقية من الكتاب، سيتم إرسال نسخة إلكترونية من الكتاب عبر البريد الإلكتروني.
المصدر: www.habr.com