یکشنبه, ۲۴ تیر, ۱۴۰۳ / 14 July, 2024
مجله ویستا

سیاهچاله چیست


سیاهچاله چیست
● گرانش :
كره زمین و دیگر كرات و سیارات تشكیل دهنده جهان ما همگی دارای نیرویی هستند كه اشیاء را به سوی خود جذب می‌كنند این نیرو را گرانِش یا جاذبه می‌‌نامیم، كه نیوتن آن را كشف كرد. از دیر باز همواره دو مسئله مورد توجه بود: تمایل اجسام به سقوط به طرف زمین هنگام رها شدن. حركات سیارات،از جمله خورشید و ماه كه در آن زمان سیاره بشمار می‌آمدند. در گذشته این دو موضوع را جدا از هم میدانستند.یكی از دستاوردهای بزرگ آیزاك نیوتن این بود كه نتیجه گرفت: این دو موضوع در واقع امر واحدی هستند و از قوانین یكسانی پیروی می‌كنند. در سال ۱۶۶۵ ،پس از تعطیلی مدرسه به خاطر شیوع طاعون، نیوتن، كه در آن زمان ۲۳ سال داشت،از كمبریج به لینكلن شایر رفت.او در حدود پنجاه سال بعد نوشت:....در همان سال (۱۶۶۵) این فكر به نظرم آمد كه نیروی لازم برای نگه داشتن ماه در مدارش و نیروی گرانش در سطح زمین با تقریب خوبی با هم مشابهند. ویلیام استوكلی، یكی از دوستان جوان ایزاك نیوتن می‌‌نویسد، وقتی با آیزاك نیوتن زیر درختان سیب یك باغ مشغول صرف چای بوده است نیوتن به او گفته كه ایده گرانش در یك چنین حایی به ذهنش خطور كرده است. استوكس می‌‌نویسد:«او در حالی كه نشسته و در فكر فرو رفته بود سقوط یك سیب توجهش را جلب می‌كند و به مفهوم گرانش پی می‌‌برد. پس از آن به تدریج خاصیت گرانش را در مورد حركت زمین و اجسام سماوی به كار می‌‌برد........» البته باید گفت: اینكه سیب مذكور به سر آیزاك نیوتن خورده است یا خیرمعلوم نیست! آیزاك نیوتن تا سال ۱۶۷۸ ،یعنی تقریبا تا ۲۲ سال پس از درك مفهوم اساسی گرانش نتایج محاسبات خود را به طور كامل منتشر نكرد. در این سال دستاوردهایش را در كتاب مشهور اصول كه از آثار بزرگ اوست منتشر كرد. از دلایلی كه باعث می‌‌شد او نتایج خود را انتشار ندهد، می‌توان به دو دلیل اشاره :یكی شعاع زمین ،كه برای انجام محاسبات لازم بود و آیزاك نیوتن آن را نمی‌دانست و دیگری، آیزاك نیوتن به طور كلی از انتشار نتایج كار خود ابا داشت زیرا مردی كمرو و درونگرا بود واز بحث و جدل نفرت داشت. راسل در مورد او می‌‌گوید:«اگر او با مخالفت‌هایی كه گالیله با آن‌ها مواجه بود ،روبرو می‌‌شد، شاید هرگز حتی یك سطر هم منتشر نمی‌كرد. در واقع ،ادموند هالی(كه ستاره دنباله دار هالی به نام اوست) باعث شد آیزاك نیوتن كتاب اصول را منتشر كند. آیزاك نیوتن در كتاب اصول از حد مسائل سیب-زمین فراتر می‌‌رود و قانون گرانش خود را به تمام اجسام تعمیم می‌دهد. گرانش را می‌توان در سه قلمرو مطالعه كرد: جاذبه بین دو جسم مانند دو سنگ و یا هر دو شیئ دیگر.اگر جه نیروی بین اجسام به روش‌های دقیق قابل اندازه گیری است ولی بسیار ضعیف تر از آن است كه ما با حواس معمولی خود آن را درك كنیم.
جاذبه زمین بر ما و اجسام اطراف ما كه یك عامل تعیین كننده در زندگی ماست و فقط با اقدامات فوق العاده می‌توانیم از آن رهایی پیدا كنیم. مانند پرتاب فضاپیماهایی كه باید از قید جاذبه زمین رها شوند. در مقیاس كیهانی یعنی در قلمرو منظومه خورشیدی و بر هم كنش سیاره‌ها و ستاره ها،گرانش نیروی غالب است. آیزاك نیوتن توانست حركت سیارات در منظومه خورشیدی و حركت در حال سقوط در نزدیكی سطح زمین را با یك مفهوم بیان كند.به این ترتیب مكانیك زمینی و مكانیك سماوی را كه قبلا از هم جدا بودند در یك نظریه واحد با هم بیان كند.از نظریه‌های دیگر می‌توان به نظریه گرانش اینشتین یا همان نسبیت عام و همچنین نظریه‌های كوانتومی اشاره كرد كه در اكثر آنها (نظریه‌های كونتومی) عامل انتقال گرانش ذرات بوزونی بنام گرویتون (Graviton) هستند....... ..... تئوری نسبیت عام انیشتین: نیوتون فرض می كرد كه نیروی گرانش به طور لحظه ای عمل می كرد . نظر او این بود كه اعمال شدن كشش خورشید بر روی زمین محتاج زمان نیست ، و بر هم كنش های گرانشی ، حتی در فواصل نامحدود ستارگان ، در آنی روی می دهد . انیشتین به نادرست بودن این نظر پی برد ، چرا كه هیچ بر هم كنشی ( و همچنین هیچ جسمی ) نمی تواند سریع تر از سرعت نور منتشر شود .
از این رو ، انیشتین تكمیل نظریه ی جدیدی را در باره ی گرانش آغاز كرد كه در آن هم سرعت انتشار گرانش همان سرعت نور باشد و هم بتواند حركت های سیارات را به خوبی نظریه ی نیوتون توضیح دهد. به فرجام رساندن این كار ، نه از نظر فرمول بندی ریاضی آسان بود و نه به راحتی در تصور می آمد . انیشتین مجبور بود كه پیش از ترسیم تصویر كاملی از گرانش ، بعضی از تصورات پیشین درباره ی ماهیت فضا ، زمان و حركت را كنار بگذارد . وی لازم دید كه منظره ی ساده و به راحتی قابل تصوری كه از فضا داریم ، یعنی فضای مسطح سه بعدی ، را نیز كنار بگذارد . در عوض ، آنچه از جانب انیشتین مطرح و نشان داده شد این بود كه میدان گرانشی در فضا ، مثلا میدان ناشی از وجود خورشید ، به اعوجاجی در فضا می انجامد ، كه شدت آن به میزان جرم جسم بستگی دارد .
علاوه بر این ، انیشتین دریافت كه صرفا در قالب جهان سه بعدی نمی توان به راحتی این موضوع را درك كرد و از این رو ، در معادلات خود ، زمان را به منزله ی بعد چهارم به كار برد. ما معمولا فرض می كنیم كه یك رویداد تنها در فضا روی می دهد و بنابراین فكر می كنیم كه هر رویداد را تنها به كمك سه عدد ، كه مختصات فضایی آن را نشان می دهد ، می توان وصف كرد . انیشتین رویداد ها را در فضا-زمان توصیف كرد ، اما باز قدمی جلوتر نهاد و فرض كرد كه چهار بعد فضا-زمان می تواند خمیده باشد. سرانجام ، در ۱۹۱۶ ، نظریه ی نسبیت عام به طور كاملا ریاضی بسط داده شد ، كه شامل معادلات توصیف كننده ی انحنای فضا-زمان در پیرامون یك جسم پر جرم بود. برای این كه این مساله را راحت تر تجسم كنید ، لحظه ای فكر كنید كه فضا-زمان ، به عوض چهار بعدی بودن ، دو بعدی است . ما می توانیم این فضا-زمان دو بعدی را به صورت یك صفحه ی مسطح ، كه هیچ جسم دارای جرم در مجاورت آن نیست ، نشان دهیم . اما در حضور یك جسم ، مانند خورشید ، صفحه ی مسطح معوج می شود . فرورفتگی ظاهر می گردد كه نشانگر انحنای فضا-زمان در نتیجه ی میدان گرانشی جسم است . هر چه جرم جسم بیشتر باشد ، به فرورفتگی بزرگتری در فضا-زمان می انجامد .
هر جسمی كه به قدر كافی به این فرو رفتگی نزدیك شود مجبور است كه مسیر خود را تغییر دهد . اگر حركت جسم بسیار آرام و كاملا به سمت مركز فرورفتگی باشد ، به درون حفره ی فرورفتگی می افتد و در ته آن ساكن می شود . اگر جسم به هنگام حركت به سوی خورشید ، سرعت كافی داشته باشد ، خورشید را پشت سر می گذارد ، اما مسیر آن خط راست نخواهد بود . جسم ، موقعی كه از فرورفتگی عبور می كند ، مستقیم ترین مسیر ممكن را طی می كند ( خط ژئودزیك) ، اما آشكا است كه این خط نمی تواند خط مستقیم باشد ، زیرا صفحه ای كه جسم در آن حركت می كند ، خمیده است. از این رو ، جسمی مانند یك دنباله دار ، هنگامی كه از كنار خورشید می گذرد ، در اثر گرانش خورشید چنان تغییر مسیر می دهد كه پس از عبور از مجاورت آن ، راستایی كاملا متفاوت را در پیش می گیرد . به همین ترتیب ، سیاره ای مانند زمین ، علی رغم سرعت بسیار زیادی كه در فضا دارد ، گرفتار فرورفتگی فضا-زمان خورشید می شود و در میان دامنه های این فرورفتگی برای همیشه گردش می كند. .......● سیاه چاله چیست؟
به طور ساده سیاه چاله قسمتی از فضا است كه جرم متمركز بسیار زیادی دارد بطوری كه هیچ جسمی شانسی برای فرار از جاذبه ی آن ندارد. تا به امروز بهترین تئوری برای جاذبه تئوری نسبیت اینشتین است و ما باید در نتایج این نظریه به اندازه ی كافی د قیق شویم تا بتوانیم سیاه چاله ها را در جزئیات این نظریه پیدا كنیم . فرض كنید شما روی سطح سیاره ای ایستاده اید و سنگی را به هوا می اندازید اگر آنو به اندازه ی كافی با شدت به بالا پرتاب نكنید آن سنگ به اندازه كمی بالا می رود اما بعد از مدتی به علت شتاب جاذبه زمین آن سنگ شروع به سقوط می كنه اگر شما به اندازه ی كافی آن سنگ رو محكم به هوا پرتاب كنید شما می توانید آن رو از دام جاذبه ی آن سیاه خارج كنید و آن تا ابد در حال اوج گیری نسبت به آن سیاره به حركت خود ادامه می دهد به سرعتی كه شما لازم دارید تا سنگ از جاذبه ی آن سیاره فرار كند " سرعت گریز " گفته می شود همان طور كه حدس زده می شود سرعت گریز به جرم سیاره بستگی داره اگر سیاره به اندازه ی كافی جرم زیاد داشته باشد قاعدتا سرعت گریز بیشتری را طلب می كند البته این تنها عامل سرعت گریز نیست بلكه فاصله ما تا مركز سیاره هم شرط دیگری است كه بر سرعت گریز تاثیر می گذارد رابطه ی فاصله با سرعت گریز رابطه ی عكس است برای مثال سرعت گریز از سطح سیاره ی زمین ۱۱/۲ كیلومتر بر ثانیه است یا ۲۵۰۰۰ مایل بر ساعت در صورتی كه سرعت گریز از سطح ماه فقط ۲/۴ كیلومتر بر ثانیه است یا ۵۳۰۰ مایل بر ساعت (برای تبدیل این سرعت ها از سیستمی كه در پایین صفحه قرار دارد می توانید استفاده كنید) حال تصور كنید كه جسمی با جرمی فوق العاده زیاد و شعاع فوق العاده كم داریم كه سرعت گریز از سطح آن به اندازه ی سرعت نور است سرعت گریز را از رابطه ی زیر محاسبه می گردد : V۲=MG/R كه در آن V سرعت گریز از مركز ، M جرم سیاره ، G ثابت گرانش و R فاصله ما تا مركز سیاره است كه اگر ما روی سطح آن قرار گرفته باشیم برابر با شعاع آن سیاره خواهد شد.
شروع اولیه ی مطالعه ی چگالی شدید سیاه چاله ها در سده ی ۱۸ شروع شد ، تقریبا به فاصله ی كمی از انتشار نظریه ی نسبیت اینشتین كارل شوارتسشیلد موفق به حل معادله ای شد كه در مورد یك شی بحث می كرد بعد ها اشخاصی مانند اپنهایمر ، ولكف و اشنایدر در سال ۱۹۳۰ متوجه وجود شی ای به نام سیاه چاله در جهان شدند (البته واژه ی سیاه چاله در سال ۱۹۶۹ توسط دانشمندی به نام جان آرچیبالد ویلر ابداع شد) این دانشمندان نشان دادند كه وقتی ستارگان پر جرم سوخت خود را به طور كامل از دست می دهند نمی توانند خود را تحمل كنند و نیروی جاذبه خودشان بر خودشان غلبه می كند و آنها را به اصطلاح رمبیده می كند به درون خود. در جهان نسبیت گرانش خود را در لباس خمش فضا و زمان نشان می دهد .
اجرام پر جرم فضا زمان را خمیده می كنند ، به این دلیل است كه هندسه نمی تواند آن را توصیف كند در كنار سیاه چاله خمش فضا بسیار شدید است و به همین دلیل خصوصیتهای سیاه چاله عجیب به نظر می رسد سیاه چاله ها دارای خصوصیتی به نام افق رویداد است این افق رویداد سطحی كروی شكل است كه از آن به مرز سیاه چاله ها نام برده می شود شما می توانید داخل آن شوید اما نمی توانید از آن خارج شوید در واقع به محض آنكه شما وارد آن شوید شما محكوم شده اید كه به سمت مركز تكینگی كه در مركز سیاه چاله واقع شده است كشیده شوید .
شما می توانید فكر كنید كه افق رویداد مكانی است كه سرعت گریز از آن برابر با سرعت نور است قاعدتا خارج است افق رویداد سرعت گریز كمتر از سرعت نور است برای یك رصدگر وقتی كه به افق رویداد نگاهی می اندازیم البته نه با امكانات رصد چشمی بلكه رادیویی و ... افق رویداد را سطحی كاملا كروی ثابت خواهیم یافت ولی اگر به آن كمی نزدیك تر شویم متوجه تندی آن می شویم در واقع آن دارد با سرعت نور حركت می كند پس ما برای اینكه بتوانیم از سیاهچاله فرار كنیم باید سرعتی مافوق نور داشته باشیم . هنگامی كه به افق وارد شوید مختصات وضعیت فاصله شما از مركز به طور شتابداری كم می شود ولی در عوض به خاطر هندسه ی منحصر به فرد سیاه چاله ها مختصات زمان شما به طور شتابدار به سمت جلو می رود به طوری كه شما فلواقع در آینده به سر خواهید برد . ............
● انواع سیاهچاله :
▪ شوارتس شیلد: ساده ترین نوع سیاهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها یك افق رویداد و یك فوتون كره دارد، از آن نمی توان انرژی استخراج كرد. شامل تكینگی ، نقطه‌ای است كه در آن ماده تا چگالی نامحدود در هم فرو رفته است.........
▪ رایزنر- نورد شتروم: هم بار دارد وهم چرخش ، می تواند دو افق رویداد داشته باشد ، اما تنها یك فوتون كره دارد. شامل یك تكینگی نقطه ای است كه وجود آن در طبیعت نامحتمل است، زیرا بارهای آن همدیگر را خنثی می كنند......
▪ كر: چرخش دارد، اما بار ندارد. بیضی و از بیرونی حد استاتیك است. منطقه تیره میان افق رویداد و حد استاتیك ارگوسفر است، كه می توان از آن انرژی استخراج كرد. می تواند دو افق رویداد و دو حد استاتیك داشته باشد. دو فوتون كره دارد. شامل یك تكینگی حلقه‌ای است........... ..
▪ كر- نیومان: هم بار دارد و هم چرخش ، همان سیاهچاله كر است، جز اینكه بار دارد، ساختارش شبیه ساختار سیاهچاله كر است. می‌توان از آن انرژی استخراج كرد. یك تكینگی حلقه‌ای دارد... .... به نظر پژوهشگران چهارنوع سیاهچاله همچنانكه ذكر شد می تواند وجود داشته باشند. مهمترین موضوع در باب سیاه چاله آنست كه، بدانیم ماده در داخل سیاهچاله‌ای كه حاصل آمده است در نهایت به چه سرنوشتی دچار می شود؟
اختر فیزیكدانان می‌گویند: اگر مقداری ماده به داخل حفره سیاه از قبیل آنچه كه از یك ستاره وزین مرده بجای مانده بیندازید، نتیجه نهایی همواره الزاما یك چیز خواهد بود و تنها جرم ، بار الكتریكی و اندازه حركت زاویه ای كه جسم با خود حمل می كند باقی خواهند ماند. اما اگر كل جهان به داخل حفره سیاه خود بیفتد، یعنی به شكل سیاهچاله در آید، دیگر حتی كمیاب بنیادی (جرم) ، بار الكتریكی و اندازه حركت زاویه ای نیز ناپدید می گردند.
● (شعاع شوارتس شیلد : )
بعد از مدت كمی كه از انتشار نسبیت عام گذشته بود كارل شوارتسشیلد اخترشناس آلمانی با بررسی معادلات این نظریه راه حلی را یافت كه فضای اطراف جسم فشرده بسیار پر جرمی را كه میدان گرانشی بسیار شدیدی دارد توصیف می كرد این نكته مهم است كه بگوییم نیروی گرانش نه تنها به جرم بلكه به فاصله نیز بستگی دارد شوارتسشیلد دریافت كه اگر جرم یك جسم چنان متراكم شود كه در واقع تمام جرم آن در مركزش جای بگیرد آنگاه فضا-زمان در فاصله ی معینی از جسم كه همان شعاع شوارتسشیلد است هندسه ی خاصی به خود می گیرد جالب است كه بگوییم كه هیچ چیز نمی تواند از این شعاع بگذرد و آنرا پشت سر بگذارد آنچه كه در نزدیكی شعاع شوارتسشیلد روی می دهد از ۲ زاویه دید متفاوت است:
۱) از بیرون :
از بیرون از شعاع شوارتسشیلد اگر ما در جائی ساكن باشیم خواهیم دید كه آن فضاپیمائی كه به داخل سیاه چاله دارد سقوط می كند تا بینهایت باید سفر كند تا به جسم مركزی كشیده شوند
۲) از داخل :
به محض اینكه پا به داخل این شعاع مرگبار بگذارید دنیا پیش روی شما تیره و تار خواهد شد. ببینید هر جسمی شعاع شوارتسشیلد مخصوص به خود را دارد نه اینكه بگوییم فقط سیاه چاله ها دارند ...شعاع شوارتسشیلد هر جرمی از فرمول زیر محاسبه می شود... توجه داشته باشید كه r اندازه ی شعاع G ثابت جهانی گرانش M جرم ماده ی مورد نظر و در نهایت C سرعت نور است برای جرم ۳۰ منظومه شمسی شعاع شوارتسشیلد برابر است با ۱۰۰ كیلومتر!!!....... جالب اینجاست كه شخصی با نام جان میشل در سال ۱۷۸۳ نكته ای جالب را كشف كرد كه سرعت گریز از سطح این چنین جرمهایی (مانند سیاه چاله ها) را اگر در فرمول زیر قرار دهیم سرعت نور بدست خواهد آمد یعنی سرعت گریز از سطح برای یك همچین جرمهایی سرعت نور است: (V۲/۲=GM/r ............ V سرعت گریز از سطح است) همان طور كه گفته شد زمان در این شعاع با زمان جهانی فرق زیادی می كند و در واقع داخل آن به چشم ناظر خارح آن صفر است و اگر شخصی را در آنجا ببیند در حالت سكون خواهد دید این جاذبه كه زمان را در واقع نگه می دارد كار دیگری را هم انجام می دهد تا به حال كلمه ی انتقال به رنگ قرمز خطوط طیفی به گوشتان خورده است وقتی جسمی آسمانی پر جرم از خود پرتو بلند قرمز ساطع می كند این پرتو به دلیل گرانش بالای جرم آسمانی و تاثیر جاذبه روی نور به رنگ قرمز متمایل می شود بله در این جاذبه ی زیاد نور یك همچین حالتی را پیدا می كند. .......
نویسنده : كویر
منبع : شبکه فیزیکی هوپا