سياهچاله چيست

گرانش :

كره زمين و ديگر كرات و سيارات تشكيل دهنده جهان ما همگي داراي نيرويي هستند كه اشياء را به سوي خود جذب مي‌كنند اين نيرو را گرانِش يا جاذبه مي‌‌ناميم، كه نيوتن آن را كشف كرد. از دير باز همواره دو مسئله مورد توجه بود: تمايل اجسام به سقوط به طرف زمين هنگام رها شدن. حركات سيارات،از جمله خورشيد و ماه كه در آن زمان سياره بشمار مي‌آمدند. در گذشته اين دو موضوع را جدا از هم ميدانستند.يكي از دستاوردهاي بزرگ آيزاك نيوتن اين بود كه نتيجه گرفت: اين دو موضوع در واقع امر واحدي هستند و از قوانين يكساني پيروي مي‌كنند. در سال ۱۶۶۵ ،پس از تعطيلي مدرسه به خاطر شيوع طاعون، نيوتن، كه در آن زمان ۲۳ سال داشت،از كمبريج به لينكلن شاير رفت.او در حدود پنجاه سال بعد نوشت:....در همان سال (۱۶۶۵) اين فكر به نظرم آمد كه نيروي لازم براي نگه داشتن ماه در مدارش و نيروي گرانش در سطح زمين با تقريب خوبي با هم مشابهند. ويليام استوكلي، يكي از دوستان جوان ايزاك نيوتن مي‌‌نويسد، وقتي با آيزاك نيوتن زير درختان سيب يك باغ مشغول صرف چاي بوده است نيوتن به او گفته كه ايده گرانش در يك چنين حايي به ذهنش خطور كرده است. استوكس مي‌‌نويسد:«او در حالي كه نشسته و در فكر فرو رفته بود سقوط يك سيب توجهش را جلب مي‌كند و به مفهوم گرانش پي مي‌‌برد. پس از آن به تدريج خاصيت گرانش را در مورد حركت زمين و اجسام سماوي به كار مي‌‌برد........» البته بايد گفت: اينكه سيب مذكور به سر آيزاك نيوتن خورده است يا خيرمعلوم نيست! آيزاك نيوتن تا سال ۱۶۷۸ ،يعني تقريبا تا ۲۲ سال پس از درك مفهوم اساسي گرانش نتايج محاسبات خود را به طور كامل منتشر نكرد. در اين سال دستاوردهايش را در كتاب مشهور اصول كه از آثار بزرگ اوست منتشر كرد. از دلايلي كه باعث مي‌‌شد او نتايج خود را انتشار ندهد، مي‌توان به دو دليل اشاره :يكي شعاع زمين ،كه براي انجام محاسبات لازم بود و آيزاك نيوتن آن را نمي‌دانست و ديگري، آيزاك نيوتن به طور كلي از انتشار نتايج كار خود ابا داشت زيرا مردي كمرو و درونگرا بود واز بحث و جدل نفرت داشت. راسل در مورد او مي‌‌گويد:«اگر او با مخالفت‌هايي كه گاليله با آن‌ها مواجه بود ،روبرو مي‌‌شد، شايد هرگز حتي يك سطر هم منتشر نمي‌كرد. در واقع ،ادموند هالي(كه ستاره دنباله دار هالي به نام اوست) باعث شد آيزاك نيوتن كتاب اصول را منتشر كند. آيزاك نيوتن در كتاب اصول از حد مسائل سيب-زمين فراتر مي‌‌رود و قانون گرانش خود را به تمام اجسام تعميم مي‌دهد. گرانش را مي‌توان در سه قلمرو مطالعه كرد: جاذبه بين دو جسم مانند دو سنگ و يا هر دو شيئ ديگر.اگر جه نيروي بين اجسام به روش‌هاي دقيق قابل اندازه گيري است ولي بسيار ضعيف تر از آن است كه ما با حواس معمولي خود آن را درك كنيم. جاذبه زمين بر ما و اجسام اطراف ما كه يك عامل تعيين كننده در زندگي ماست و فقط با اقدامات فوق العاده مي‌توانيم از آن رهايي پيدا كنيم. مانند پرتاب فضاپيماهايي كه بايد از قيد جاذبه زمين رها شوند. در مقياس كيهاني يعني در قلمرو منظومه خورشيدي و بر هم كنش سياره‌ها و ستاره ها،گرانش نيروي غالب است. آيزاك نيوتن توانست حركت سيارات در منظومه خورشيدي و حركت در حال سقوط در نزديكي سطح زمين را با يك مفهوم بيان كند.به اين ترتيب مكانيك زميني و مكانيك سماوي را كه قبلا از هم جدا بودند در يك نظريه واحد با هم بيان كند.از نظريه‌هاي ديگر مي‌توان به نظريه گرانش اينشتين يا همان نسبيت عام و همچنين نظريه‌هاي كوانتومي اشاره كرد كه در اكثر آنها (نظريه‌هاي كونتومي) عامل انتقال گرانش ذرات بوزوني بنام گرويتون (Graviton) هستند....... ..... تئوري نسبيت عام انيشتين: نيوتون فرض مي كرد كه نيروي گرانش به طور لحظه اي عمل مي كرد . نظر او اين بود كه اعمال شدن كشش خورشيد بر روي زمين محتاج زمان نيست ، و بر هم كنش هاي گرانشي ، حتي در فواصل نامحدود ستارگان ، در آني روي مي دهد . انيشتين به نادرست بودن اين نظر پي برد ، چرا كه هيچ بر هم كنشي ( و همچنين هيچ جسمي ) نمي تواند سريع تر از سرعت نور منتشر شود . از اين رو ، انيشتين تكميل نظريه ي جديدي را در باره ي گرانش آغاز كرد كه در آن هم سرعت انتشار گرانش همان سرعت نور باشد و هم بتواند حركت هاي سيارات را به خوبي نظريه ي نيوتون توضيح دهد. به فرجام رساندن اين كار ، نه از نظر فرمول بندي رياضي آسان بود و نه به راحتي در تصور مي آمد . انيشتين مجبور بود كه پيش از ترسيم تصوير كاملي از گرانش ، بعضي از تصورات پيشين درباره ي ماهيت فضا ، زمان و حركت را كنار بگذارد . وي لازم ديد كه منظره ي ساده و به راحتي قابل تصوري كه از فضا داريم ، يعني فضاي مسطح سه بعدي ، را نيز كنار بگذارد . در عوض ، آنچه از جانب انيشتين مطرح و نشان داده شد اين بود كه ميدان گرانشي در فضا ، مثلا ميدان ناشي از وجود خورشيد ، به اعوجاجي در فضا مي انجامد ، كه شدت آن به ميزان جرم جسم بستگي دارد . علاوه بر اين ، انيشتين دريافت كه صرفا در قالب جهان سه بعدي نمي توان به راحتي اين موضوع را درك كرد و از اين رو ، در معادلات خود ، زمان را به منزله ي بعد چهارم به كار برد. ما معمولا فرض مي كنيم كه يك رويداد تنها در فضا روي مي دهد و بنابراين فكر مي كنيم كه هر رويداد را تنها به كمك سه عدد ، كه مختصات فضايي آن را نشان مي دهد ، مي توان وصف كرد . انيشتين رويداد ها را در فضا-زمان توصيف كرد ، اما باز قدمي جلوتر نهاد و فرض كرد كه چهار بعد فضا-زمان مي تواند خميده باشد. سرانجام ، در 1916 ، نظريه ي نسبيت عام به طور كاملا رياضي بسط داده شد ، كه شامل معادلات توصيف كننده ي انحناي فضا-زمان در پيرامون يك جسم پر جرم بود. براي اين كه اين مساله را راحت تر تجسم كنيد ، لحظه اي فكر كنيد كه فضا-زمان ، به عوض چهار بعدي بودن ، دو بعدي است . ما مي توانيم اين فضا-زمان دو بعدي را به صورت يك صفحه ي مسطح ، كه هيچ جسم داراي جرم در مجاورت آن نيست ، نشان دهيم . اما در حضور يك جسم ، مانند خورشيد ، صفحه ي مسطح معوج مي شود . فرورفتگي ظاهر مي گردد كه نشانگر انحناي فضا-زمان در نتيجه ي ميدان گرانشي جسم است . هر چه جرم جسم بيشتر باشد ، به فرورفتگي بزرگتري در فضا-زمان مي انجامد . هر جسمي كه به قدر كافي به اين فرو رفتگي نزديك شود مجبور است كه مسير خود را تغيير دهد . اگر حركت جسم بسيار آرام و كاملا به سمت مركز فرورفتگي باشد ، به درون حفره ي فرورفتگي مي افتد و در ته آن ساكن مي شود . اگر جسم به هنگام حركت به سوي خورشيد ، سرعت كافي داشته باشد ، خورشيد را پشت سر مي گذارد ، اما مسير آن خط راست نخواهد بود . جسم ، موقعي كه از فرورفتگي عبور مي كند ، مستقيم ترين مسير ممكن را طي مي كند ( خط ژئودزيك) ، اما آشكا است كه اين خط نمي تواند خط مستقيم باشد ، زيرا صفحه اي كه جسم در آن حركت مي كند ، خميده است. از اين رو ، جسمي مانند يك دنباله دار ، هنگامي كه از كنار خورشيد مي گذرد ، در اثر گرانش خورشيد چنان تغيير مسير مي دهد كه پس از عبور از مجاورت آن ، راستايي كاملا متفاوت را در پيش مي گيرد . به همين ترتيب ، سياره اي مانند زمين ، علي رغم سرعت بسيار زيادي كه در فضا دارد ، گرفتار فرورفتگي فضا-زمان خورشيد مي شود و در ميان دامنه هاي اين فرورفتگي براي هميشه گردش مي كند. ....... سياه چاله چيست؟: به طور ساده سياه چاله قسمتي از فضا است كه جرم متمركز بسيار زيادي دارد بطوري كه هيچ جسمي شانسي براي فرار از جاذبه ي آن ندارد. تا به امروز بهترين تئوري براي جاذبه تئوري نسبيت اينشتين است و ما بايد در نتايج اين نظريه به اندازه ي كافي د قيق شويم تا بتوانيم سياه چاله ها را در جزئيات اين نظريه پيدا كنيم . فرض كنيد شما روي سطح سياره اي ايستاده ايد و سنگي را به هوا مي اندازيد اگر آنو به اندازه ي كافي با شدت به بالا پرتاب نكنيد آن سنگ به اندازه كمي بالا مي رود اما بعد از مدتي به علت شتاب جاذبه زمين آن سنگ شروع به سقوط مي كنه اگر شما به اندازه ي كافي آن سنگ رو محكم به هوا پرتاب كنيد شما مي توانيد آن رو از دام جاذبه ي آن سياه خارج كنيد و آن تا ابد در حال اوج گيري نسبت به آن سياره به حركت خود ادامه مي دهد به سرعتي كه شما لازم داريد تا سنگ از جاذبه ي آن سياره فرار كند " سرعت گريز " گفته مي شود همان طور كه حدس زده مي شود سرعت گريز به جرم سياره بستگي داره اگر سياره به اندازه ي كافي جرم زياد داشته باشد قاعدتا سرعت گريز بيشتري را طلب مي كند البته اين تنها عامل سرعت گريز نيست بلكه فاصله ما تا مركز سياره هم شرط ديگري است كه بر سرعت گريز تاثير مي گذارد رابطه ي فاصله با سرعت گريز رابطه ي عكس است براي مثال سرعت گريز از سطح سياره ي زمين 11/2 كيلومتر بر ثانيه است يا 25000 مايل بر ساعت در صورتي كه سرعت گريز از سطح ماه فقط 2/4 كيلومتر بر ثانيه است يا 5300 مايل بر ساعت (براي تبديل اين سرعت ها از سيستمي كه در پايين صفحه قرار دارد مي توانيد استفاده كنيد) حال تصور كنيد كه جسمي با جرمي فوق العاده زياد و شعاع فوق العاده كم داريم كه سرعت گريز از سطح آن به اندازه ي سرعت نور است سرعت گريز را از رابطه ي زير محاسبه مي گردد : V2=MG/R كه در آن V سرعت گريز از مركز ، M جرم سياره ، G ثابت گرانش و R فاصله ما تا مركز سياره است كه اگر ما روي سطح آن قرار گرفته باشيم برابر با شعاع آن سياره خواهد شد. شروع اوليه ي مطالعه ي چگالي شديد سياه چاله ها در سده ي 18 شروع شد ، تقريبا به فاصله ي كمي از انتشار نظريه ي نسبيت اينشتين كارل شوارتسشيلد موفق به حل معادله اي شد كه در مورد يك شي بحث مي كرد بعد ها اشخاصي مانند اپنهايمر ، ولكف و اشنايدر در سال 1930 متوجه وجود شي اي به نام سياه چاله در جهان شدند (البته واژه ي سياه چاله در سال 1969 توسط دانشمندي به نام جان آرچيبالد ويلر ابداع شد) اين دانشمندان نشان دادند كه وقتي ستارگان پر جرم سوخت خود را به طور كامل از دست مي دهند نمي توانند خود را تحمل كنند و نيروي جاذبه خودشان بر خودشان غلبه مي كند و آنها را به اصطلاح رمبيده مي كند به درون خود. در جهان نسبيت گرانش خود را در لباس خمش فضا و زمان نشان مي دهد . اجرام پر جرم فضا زمان را خميده مي كنند ، به اين دليل است كه هندسه نمي تواند آن را توصيف كند در كنار سياه چاله خمش فضا بسيار شديد است و به همين دليل خصوصيتهاي سياه چاله عجيب به نظر مي رسد سياه چاله ها داراي خصوصيتي به نام افق رويداد است اين افق رويداد سطحي كروي شكل است كه از آن به مرز سياه چاله ها نام برده مي شود شما مي توانيد داخل آن شويد اما نمي توانيد از آن خارج شويد در واقع به محض آنكه شما وارد آن شويد شما محكوم شده ايد كه به سمت مركز تكينگي كه در مركز سياه چاله واقع شده است كشيده شويد . شما مي توانيد فكر كنيد كه افق رويداد مكاني است كه سرعت گريز از آن برابر با سرعت نور است قاعدتا خارج است افق رويداد سرعت گريز كمتر از سرعت نور است براي يك رصدگر وقتي كه به افق رويداد نگاهي مي اندازيم البته نه با امكانات رصد چشمي بلكه راديويي و ... افق رويداد را سطحي كاملا كروي ثابت خواهيم يافت ولي اگر به آن كمي نزديك تر شويم متوجه تندي آن مي شويم در واقع آن دارد با سرعت نور حركت مي كند پس ما براي اينكه بتوانيم از سياهچاله فرار كنيم بايد سرعتي مافوق نور داشته باشيم . هنگامي كه به افق وارد شويد مختصات وضعيت فاصله شما از مركز به طور شتابداري كم مي شود ولي در عوض به خاطر هندسه ي منحصر به فرد سياه چاله ها مختصات زمان شما به طور شتابدار به سمت جلو مي رود به طوري كه شما فلواقع در آينده به سر خواهيد برد . ............

انواع سياهچاله :

شوارتس شيلد: ساده ترين نوع سياهچاله‌هاست، بار و چرخش ندارد، تنها يك افق رويداد و يك فوتون كره دارد، از آن نمي توان انرژي استخراج كرد. شامل تكينگي ، نقطه‌اي است كه در آن ماده تا چگالي نامحدود در هم فرو رفته است......... رايزنر- نورد شتروم: هم بار دارد وهم چرخش ، مي تواند دو افق رويداد داشته باشد ، اما تنها يك فوتون كره دارد. شامل يك تكينگي نقطه اي است كه وجود آن در طبيعت نامحتمل است، زيرا بارهاي آن همديگر را خنثي مي كنند...... كر: چرخش دارد، اما بار ندارد. بيضي و از بيروني حد استاتيك است. منطقه تيره ميان افق رويداد و حد استاتيك ارگوسفر است، كه مي توان از آن انرژي استخراج كرد. مي تواند دو افق رويداد و دو حد استاتيك داشته باشد. دو فوتون كره دارد. شامل يك تكينگي حلقه‌اي است........... .. كر- نيومان: هم بار دارد و هم چرخش ، همان سياهچاله كر است، جز اينكه بار دارد، ساختارش شبيه ساختار سياهچاله كر است. مي‌توان از آن انرژي استخراج كرد. يك تكينگي حلقه‌اي دارد... .... به نظر پژوهشگران چهارنوع سياهچاله همچنانكه ذكر شد مي تواند وجود داشته باشند. مهمترين موضوع در باب سياه چاله آنست كه، بدانيم ماده در داخل سياهچاله‌اي كه حاصل آمده است در نهايت به چه سرنوشتي دچار مي شود؟ اختر فيزيكدانان مي‌گويند: اگر مقداري ماده به داخل حفره سياه از قبيل آنچه كه از يك ستاره وزين مرده بجاي مانده بيندازيد، نتيجه نهايي همواره الزاما يك چيز خواهد بود و تنها جرم ، بار الكتريكي و اندازه حركت زاويه اي كه جسم با خود حمل مي كند باقي خواهند ماند. اما اگر كل جهان به داخل حفره سياه خود بيفتد، يعني به شكل سياهچاله در آيد، ديگر حتي كمياب بنيادي (جرم) ، بار الكتريكي و اندازه حركت زاويه اي نيز ناپديد مي گردند.

منبع: هوپا