على الرغم من تعقيد الموضوع قيد الدراسة ، يقدم الأستاذ بجامعة برينستون ستيفن جاسر مقدمة رحبة ومسلية ومسلية لهذا واحد من أكثر المجالات التي نوقشت في الفيزياء اليوم. الثقوب السوداء هي أشياء حقيقية ، وليس مجرد تجربة فكرية! الثقوب السوداء مريحة للغاية من وجهة نظر النظرية ، لأنها رياضيات أبسط بكثير من معظم الكائنات الفيزيائية الفلكية ، مثل النجوم. تبدأ الشذوذ عندما يتضح أن الثقوب السوداء ليست في الواقع سوداء.
ما هو حقا داخلها؟ كيف يمكن للمرء أن يتخيل الوقوع في ثقب أسود؟ أو ربما نحن بالفعل نقع في ذلك وفقط لا نعرف عن ذلك حتى الآن؟
في هندسة كير ، هناك مدارات جيوديسية محاطة تمامًا في بيئة العمل مع الخاصية التالية: للجسيمات التي تتحرك على طولها طاقات سلبية محتملة تفوق الكتلة المطلقة للباقي والطاقات الحركية لهذه الجسيمات مجتمعة. هذا يعني أن الطاقة الإجمالية لهذه الجزيئات سلبية. هذا هو الظرف الذي يستخدم في عملية Penrose. كونها داخل الغلاف الجوي ، تقوم السفينة التي تنتج الطاقة بإطلاق القذيفة بحيث تتحرك على طول أحد هذه المدارات بالطاقة السلبية. وفقًا لقانون حفظ الطاقة ، تتلقى السفينة طاقة حركية كافية لتعويض كتلة الراحة المفقودة ، أي ما يعادل طاقة المقذوف ، بالإضافة إلى الحصول على مكافئ موجب لصافي الطاقة السالبة للقذيفة. بما أن القذيفة يجب أن تختفي بعد تسديدة في ثقب أسود ، سيكون من الجيد إخراجها من بعض النفايات. من ناحية ، لا يزال الثقب الأسود يأكل أي شيء ، لكن من ناحية أخرى ، سيعود إلينا بالكثير من الطاقة أكثر مما استثمرنا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الطاقة التي اكتسبناها ستكون "خضراء"!
تعتمد كمية الطاقة القصوى التي يمكن استخراجها من الثقب الأسود Kerr على سرعة دوران الثقب. في الحالة الأكثر تطرفًا (بأعلى سرعة دوران ممكنة) ، تستهلك طاقة الدوران في الفضاء حوالي 29٪ من إجمالي طاقة الثقب الأسود. قد تعتقد أن هذا ليس كثيرًا ، لكن لا تنسَ أن هذا جزء بسيط من إجمالي كتلة الراحة! وللمقارنة ، تذكر أن المفاعلات النووية العاملة على طاقة الانحلال الإشعاعي تستخدم أقل من عُشر في المئة من الطاقة المكافئة للكتلة الباقية.
تختلف هندسة الزمكان داخل أفق الثقب الأسود الدوار اختلافًا كبيرًا عن الزمكان Schwarzschild. اتبع التحقيق لدينا ومعرفة ما يحدث. في البداية ، كل شيء يشبه قضية شوارزشيلد. كما كان من قبل ، يبدأ الزمكان في الانهيار ، وسحب كل شيء من تلقاء نفسه نحو مركز الثقب الأسود ، وقوى المد والجزر في النمو. ولكن في حالة كير ، قبل أن يتلاشى نصف القطر ، يتباطأ الانهيار ويبدأ في الانعكاس. في حفرة سوداء تدور بسرعة ، سيحدث ذلك قبل وقت طويل من أن تصبح قوى المد والجزر كبيرة بما يكفي لتهديد سلامة المسبار. من أجل فهم سبب حدوث ذلك بشكل حدسي ، نذكر أنه في الميكانيكا النيوتونية أثناء الدوران توجد قوة ما يسمى بالطرد المركزي. هذه القوة ليست واحدة من القوى المادية الأساسية: إنها تنشأ نتيجة للعمل المشترك للقوى الأساسية ، وهو أمر ضروري لضمان حالة الدوران. يمكن تمثيل النتيجة كقوة فعالة موجهة إلى الخارج - قوة طرد مركزي. تشعر أنها في منعطف حاد في سيارة سريعة الحركة. وإذا ركبت دوّارًا على الإطلاق ، فأنت تعلم أنه كلما كان الدوران أسرع ، كلما كان من الصعب عليك الإمساك بالدرابزين ، لأنه إذا سمحت لهم بالرحيل ، فسيتم طردك. هذا التشبيه للفضاء ليس مثاليًا ، لكنه ينقل الجوهر بشكل صحيح. توفر لحظة الزخم في المكان المخصص للثقب الأسود لـ Kerr قوة طرد مركزي فعالة تتصدى لجاذبية الجاذبية. عندما يتقلص الانهيار داخل الأفق الزماني إلى نصف القطر الأصغر ، تزداد قوة الطرد المركزي وفي النهاية تصبح قادرة على مواجهة الانهيار ومن ثم عكسه.
في اللحظة التي يتوقف فيها الانهيار ، يصل المسبار إلى مستوى يسمى الأفق الداخلي للثقب الأسود. في هذه المرحلة ، تكون قوى المد والجزر صغيرة ، ويحتاج المسبار ، بعد اجتيازه لأفق الحدث ، إلى بعض الوقت المحدود للوصول إليه. ومع ذلك ، فإن مجرد توقف انهيار الزمان والمكان لا يعني أن مشاكلنا قد تأخرت وأن الدوران أدى بطريقة ما إلى القضاء على التفرد داخل الثقب الأسود لشوارزشيلد. حتى الآن حتى الآن! في الواقع ، في منتصف الستينيات من القرن الماضي ، أثبت روجر بنروز وستيفن هوكينج نظامًا من النظريات حول التفرد ، وقد تبع ذلك أنه إذا حدث انهيار جاذبية ، حتى لو كان قصيراً ، فينبغي أن يتشكل شكل من أشكال التفرد نتيجة لذلك. في حالة Schwarzschild ، هذا تفرد شامل وساحق يقهر كل الفضاء داخل الأفق. في قرار كير ، يتصرف التفرد بشكل مختلف ، ويجب أن يقال ، بشكل غير متوقع. عندما يصل المسبار إلى الأفق الداخلي ، يكشف تفرد Kerr عن وجوده - لكن اتضح أن هذا يحدث في الماضي المسبب لخط التحقيق العالمي. يبدو الأمر كما لو أن التفرد كان دائمًا هناك ، لكن الآن فقط شعرت المجس كيف وصل تأثيره. سوف تقول أنه يبدو رائعا ، وهذا صحيح. وهناك العديد من التناقضات في صورة الزمكان ، ومن الواضح أيضًا أن هذه الإجابة لا يمكن اعتبارها نهائية.
المشكلة الأولى مع التفرد الذي يظهر في الماضي من المراقب الذي يصل إلى الأفق الداخلي هي أنه في هذه اللحظة لا يمكن لمعادلات أينشتاين أن تتنبأ بشكل لا لبس فيه بما سيحدث لوقت الفضاء خارج هذا الأفق. وهذا يعني ، أن التفرد يمكن أن يؤدي إلى أي شيء. ربما يمكن تفسير ما يحدث بالفعل من خلال نظرية الجاذبية الكمية ، لكن معادلات آينشتاين لا تمنحنا أي فرصة لمعرفة ذلك. بدافع الاهتمام فقط ، سوف نوضح أدناه ما يحدث إذا طلبت أن يكون تقاطع أفق الزمكان سهلاً قدر الإمكان من الناحية الرياضية (إذا كانت الدوال المترية ، كما يقول علماء الرياضيات ، "تحليلية") ، ولكن لا توجد أسباب مادية واضحة لمثل هذا الافتراض. لا. في الواقع ، المشكلة الثانية في الأفق الداخلي تفترض العكس تمامًا: في الكون الحقيقي ، حيث توجد المادة والطاقة خارج الثقوب السوداء ، يصبح الزمكان في الأفق الداخلي غير مستقر للغاية ، وهناك حالة فردية شبيهة بالحلقة تتطور هناك. لا يعمل بشكل مدمر مثل قوة المد والجزر اللانهائية للخصوصية في حل Schwarzschild ، ولكن على أي حال فإن وجوده يجعل المرء يشك في العواقب التي تنجم عن فكرة الوظائف التحليلية السلسة. ربما يكون هذا أمرًا جيدًا - فالأشياء الغريبة للغاية تستلزم افتراض التمديد التحليلي.
في جوهرها ، تعمل آلة الزمن في مجال المنحنيات ذات التوقيت المغلق. بعيدًا عن التفرد ، لا توجد منحنيات تشبه التوقيت ، وبصرف النظر عن القوى البغيضة في منطقة التفرد ، فإن الزمكان يبدو عاديًا تمامًا. ومع ذلك ، هناك مسارات للحركة (ليست جيوديسية ، لذا ستحتاج إلى محرك صاروخي) سينقلك إلى منطقة منحنيات تشبه الوقت مغلقة. بمجرد أن تصل إلى هناك ، يمكنك التحرك في أي اتجاه على طول الإحداثي t ، مما يدل على وقت المراقب البعيد ، ولكن في وقتك الخاص ، ستنتقل دائمًا إلى الأمام دائمًا. وهذا يعني أنه يمكنك الذهاب في أي وقت من الأوقات إلى الوقت الذي تريده ، ثم العودة إلى الجزء البعيد من الزمكان - وحتى الوصول إلى هناك قبل المغادرة. بالطبع ، الآن كل المفارقات المرتبطة بفكرة السفر عبر الزمن تنبض بالحياة: على سبيل المثال ، ماذا لو كنت تقضي وقتًا طويلاً في إقناع نفسك بالتخلي عنه؟ ولكن ما إذا كان يمكن أن توجد مثل هذه الأشكال من الزمان والمكان وكيف يمكن حل التناقضات ذات الصلة ، فهي قضايا خارج نطاق هذا الكتاب. ومع ذلك ، كما هو الحال بالنسبة لمشكلة "التفرد الأزرق" في الأفق الداخلي ، فإن النظرية العامة للنسبية تحتوي على مؤشرات على أن مناطق الزمكان والمنحنيات المغلقة المغلقة غير مستقرة: بمجرد محاولة دمج بعض هذه المنحنيات مع كمية الكتلة أو الطاقة ، يمكن أن تصبح هذه المناطق المفرد. علاوة على ذلك ، في الثقوب السوداء الدوارة التي تتشكل في عالمنا ، فإن "التفرد الأزرق" بحد ذاته هو الذي يمكن أن يمنع تكوين مناطق من الكتل السلبية (وجميع الأكوان الأخرى في كير التي تؤدي إليها الثقوب البيضاء). ومع ذلك ، فإن حقيقة أن النظرية العامة للنسبية تسمح بمثل هذه القرارات الغريبة تبدو مثيرة للاهتمام. بالطبع ، يتم إعلانهم بسهولة مرضية ، لكننا لن ننسى أن أينشتاين نفسه والعديد من معاصريه قالوا نفس الشيء عن الثقوب السوداء.
»يمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات حول الكتاب على
موقع الناشرخصم 25٪ على كوبون الباعة المتجولين -
Black Holesعند دفع النسخة الورقية من الكتاب ، يتم إرسال نسخة إلكترونية من الكتاب عن طريق البريد الإلكتروني.