مقدمه ای بر وجود سیاهچاله ها

تا قبل از سال ۱۹۰۵ فضا و زمان مطلق محسوب می شدند بالغ بر ۲۵۰ سال تجربه ها و آزمایش های دانشمند بزرگ فیزیک سر ایزاک نیوتن در فیزیک حکمفرمایی می کرد از حرکت موشک ها وآونگ ها گرفته و حتی ماشین های بخار و یا حرکت سیاره ها را در بر می گرفت تا این زمان این موضوعات با تئوری های فیزیک وابسته به قرن هفدهم شرح داده می شدند بی شک پدیده هایی از جمله سفر نور در خلاء و همچنین ماهیت دقیق گرانش و گریز از آن نیاز به توضیحات علمی بیشتری داشت

آلبرت اینشتین دانشمند بزرگ تمام قرون فیزیک که شخصی آلمانی بود در سال ۱۹۰۵ تئوری نسبیت خاص خود را شرح داد و مدتی بعد دکتر اینشتین تئوری جدیدی بیان کرد که همه ی ابعاد جهان را شرح می داد ، این تئوری نسبیت عام نام داشت و اولین تئوری برای شرح گرانش می بود .در تئوری نسبیت عام جهان در چهار بعد توضیح داده می شود که سه بعد آن فضایی است و چهارمی زمان است که با ابعاد فضایی زوجیت دارد . در این تئوری هر جسم جرم داری در بافت فضا – زمان اطرافش پیچ و تاب یا خمیدگی ایجاد می کند . گرانش می تواند نتیجه ی نیروی رمز آلود و نامرئی باشد که کارش خمیدگی فضا می باشد . در این تئوری همه چیز از ذرات زیر اتمی که کهکشان های غول پیکر را می سازند ساخته شده است . این اجرام ساخته شده باعث خمیدگی بافت فضا – زمان می شوند . بنابر نظریه ی نسبیت گرانش اثر هندسی جرم بر فضای اطراف خود است . برای درک این موضوع که اجرام بافت فضا زمان را خمیده می سازند می توان ورقه ای پلاستیکی را به عنوان بافت فضا – زمان تصور کرد و یک گلوله که بر روی این صفحه قرار می گیرد را خورشید در بافت فضا – زمان تصور کرد . اگر گلوله مکان مشخصی داشته باشد آن گاه در آن مکان پیچ و تابی ایجاد می شود و این فرمی جالب برای توجیه گرانش است دقیقا" همین حالت در بافت فضا زمان ایجاد می شود . بنابراین مدار سیارات می تواند نتیجه ی گرانش خورشید باشد .برای شرح هر چه بهتر گرانش به چهار بعد ساختاری نیازمند هستیم .بعد از مدت کوتاهی از انتشار نظریه نسبیت عام پژوهش های دانشمندان در زمینه این نظریه ی جدید و عجیب آغاز شد . درک این نظریه بسیار مشکل و محاسبات ریاضی پیشرفته و مشکلی در آن به کار رفته است ، این موضوع به گونه ای است که امروزه دانشمندان با بعضی از محاسبات و معادلات این نظریه ی قوی مشکل دارند . در سال ۱۹۱۶ فیزیکدان آلمانی کارل شوارتزشیلد راه حلی برای معادلات پیشرفته نسبیت عام ارائه کرد .

سیاهچاله های شوارتز شیلد

دکتر شوارتز شیلد به این موضوع پی برد که اگر یک جرم به اندازه ی کافی شعاعش کوچک شود ، فضا – زمان اطرافش به شدت تحریف می شود و حالت کج و کولگی به خود می گیرد و از دام این جسم هیچ چیز حتی نور که سرعتی در حدود ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه دارد و حد سرعت ها محسوب می شود و یکی از پایه های نسبیت است نمی تواند بگریزد . این اجرام از ستاره هایی پدید می آیند که حداقل ۲ تا ۳ برابر خورشید جرم داشته باشند . هنگامی که این ستاره ها فروریزند از خود چنین رفتاری نشان می دهند . این در حالی است که سوخت قابل دسترسشان به اتمام رسد ، در این هنگام حتی انرژی هسته های اتم ستاره قادر نیستند از فروریزش ستاره در خودش جلوگیری کنند . در این حالت تمام جرم ستاره در نقطه ای که تکینگی خوانده می شود متمرکز می شود . در این نقطه خاص از فضا – زمان فشردگی ماده بی نهایت است همچنین چگالی بی نهایت می باشد . می توان گرانش این ناحیه را بی نهایت تصور کرد . در محدوده ی تکینگی بافت فضا – زمان بی نهایت خمیده است ؛ هرچند علم در این شرایط قادر به شرح درون تکینگی نیست . در این ناحیه تمام قوانین فیزیک از میان می روند ، البته کارهای شوارتز شیلد وضع نور را در اطراف این محدوده ممنوعه ی آسمانی مشخص ساخته است .

اگر انقباض ستاره آغاز شود جرم آن به طور فزاینده ای در منطقه ی کوچکی از فضا متمرکز می شود و اثر گرانش نیز به طور مشخص اظهار وجود می کند . زمانی که شعاع ستاره ی در حال رمبش به شعاع بحرانی یا شعاع شوارتز شیلد رسید از دیدگاه ما ناپدید می شود ، زیرا سرعت گریز آن از سرعت نور فراتر رفته است . با بهره گیری از کارهای اینشتین می فهمیم که سرعت هیچ چیز نمی تواند از سرعت نور فراتر رود ، اگر این گونه شود قوانین نسبیت به زیر پا گذاشته شده است . در این حال سیاهچاله پدید آمده است . لبه ی بیرونی این حفره را افق رویداد می خوانیم ، چون شناختی از آن سوی افق رویداد نداریم پس امکان سفر به بیرون جهان در زمان حال امکان پذیر نیست و شاید هرگز هم امکان پذیر نباشد . فاصله ای در حدود ۵/۱ برابر شعاع افق رویداد منطقه ی کاذبی وجود دارد که به فوتون اسفر یا کره ی فوتون ها معروف است . در این ناحیه گرانش سیاهچاله برای کشیدن نور به طرف خود کافی نیست و نور هنوز نیروی کافی برای گریز دارد . بیشتر فوتون هاب نور در این منطقه صید می شوند تا تقدیرشان برای همیشه در دست مدار سیاهچاله باشد . فرض کنید شخصی داوطلب برای سفر به سیاهچاله های شوارتز شیلد پیدا شود ، او چه تجربه خواهد کرد ؟ او از میان فوتون اسفر می گذرد آیا او با نور وارد می شود ؟ در حال داوطلب ما روشنی را وداع گفته و وارد تاریکی محض شده است . او احساس می کند با سرعتی باورنکردنی می چرخد . به طور قریب الوقوع در افق رویداد فضانورد ما تابع نیروی جذر و مد در مقیاس نجومی است . او این احساس را خواهد داشت که پاهایش میلیاردها برابر از سرش سنگین تر خواهد بود در یک لحظه ی سریع و خیره کننده داوطلب ما در اتم ها متلاشی خواهد شد ، او با تکینگی برخورد خواهد کرد و باقیمانده فانی او به طور شتاب زده از وجود ساقط می شود و خورد می شود .

سیاهچاله با تکانه زوایه ای

سیاهچاله های شوارتز شیلد شاید از این جهت جالب به نظر آیند که هرگز نمی توان آنها در طبیعت جستجو کرد . برای هر سیاهچاله ی کشف شده می توان اسپین را فرض کرد این موضوع می تواند شاهدی بر حل معادلات اینشتین باشد . معادلات اینشتین برای تکانه ی زاویه ای ( اسپین ) تا سال ۱۹۶۳ کشف نشده بود . روی پی کر که ریاضیدانی استرالیایی این راه حل ها را تصادفا" کشف کرد . این راه حل ها زمانی کشف شدند که برروی مشکلات دیگر کار می شد ؛ چرخش آنها سریع است درست مانند سیاهچاله های شوارتز شیلد البته با کمی تفاوت که آنها را جذاب تر می کند . اولین چیزی که یک مسافر سیاهچاله در خواهد یافت کشیده شدن به دور سیاهچاله و گردش آن است . در چرخش یک سیاهچاله یک مرز نامرئی وجود دارد که به حد ثابت معروف است . در حد ثابت هیچ چیز قادر به گریز نیست و به طرف سیاهچاله کشیده می شود ، مگر اینکه از نور سریع تر سفر کند که با قوانین نسبیت متناقض است . در واقع در حد ثابت یک شخص باید سرعتش فراتر از نیروی گریز سیاهچاله شود . منطقه ی بین حد ثابت و افق رویداد ارگوسفر نام دارد . جالب است که این نکته از لحاظ نظری درست است که ماده از ارگوسفر بگریزد ولی عملا" امکان پذیر نیست . ارگوسفر یک شکل غیر عادی دارد و این خاصیت در افق رویداد و قطب ها نیز حس می شود و معادل شعاع سیاهچاله های شوارتز شیلد وابسته به جرم آن کشش دارد .

سیاهچاله های کر

هر چند سیاهچاله ها چهره ی خارجی خوبی به نمایش نمی گذارند اما در افق رویداد تقریبا" تعبیر عدم چرخش متفاوت است . تکینگی فرمی از حلقه را به خود می گیرد دانشمندان به این امر پی برده اند که تکینگی زمان مانند است اما در سیاهچاله های شوارتز شیلد دقیقا" عکس این موضوع است یعنی حلقه ی تکینگی فضا مانند است .

---