حتى ألبرت أينشتاين كانت لديه شكوكه حول الثقوب السوداء

حتى ألبرت أينشتاين كانت لديه شكوكه حول الثقوب السوداء

منذ أكثر من قرن مضى ، أذهل ألبرت أينشتاين العالم عندما شرح الكون من خلال نظريته في النسبية العامة. لم تصف النظرية العلاقة بين المكان والزمان والجاذبية والمادة فحسب ، بل فتحت الباب أمام الاحتمال النظري لظاهرة محيرة للعقل بشكل خاص ستسمى في النهاية بالثقوب السوداء.

كان المفهوم الذي يفسر الثقوب السوداء راديكاليًا للغاية ، في الواقع ، كان لأينشتاين نفسه شكوكًا قوية. اختتم في عام 1939 ورقة في حوليات الرياضيات أن الفكرة كانت "غير مقنعة" وأن الظواهر لم تكن موجودة "في العالم الحقيقي".

ومع ذلك ، فإن كشف النقاب عن أول صورة لثقب أسود من قبل Event Horizon Telescope في أبريل 2019 ، لم يؤكد نظرية أينشتاين الأصلية فحسب ، بل قدم أيضًا دليلًا لا جدال فيه على أن وحوش الجاذبية حقيقية في الواقع.

نظرية الزمكان

كما وصفه الفيزيائي الأمريكي جون أ. ويلر ، فإن النسبية العامة تتحكم في طبيعة الزمكان ، لا سيما كيفية تفاعله في وجود المادة: "المادة تخبر الزمكان كيف ينحني ، والزمكان يخبر المادة كيف تتحرك. "

تخيل ورقة مطاطية مسطحة (زمكان) معلقة فوق الأرض. ضع كرة بولينج في منتصف الورقة (المادة) وسوف يتشوه الملاءة حول الكتلة ، وينحني نصف المسافة إلى الأرض— هذا أمر مهم لإخبار الزمكان بكيفية الانحناء. الآن قم بلف قطعة رخامية (مادة) حول الصفيحة المطاطية (الزمكان) وسيتغير مسار الرخام ، حيث ينحرف بفعل الصفيحة الملتوية - هذا هو الزمكان يخبرنا عن كيفية التحرك. ترتبط المادة والزمان ارتباطًا وثيقًا ، حيث تتوسط الجاذبية تفاعلهما.

الآن ، ضع المتفردة - نقطة نظرية ذات كثافة لانهائية - على الورقة ، ماذا سيحدث للزمكان؟ كان عالم الفيزياء النظرية الألماني كارل شوارزشيلد ، وليس أينشتاين ، هو من استخدم النسبية العامة لوصف هذا الوضع الافتراضي ، وهو الموقف الذي سيصبح الاختبار الأكثر تطرفًا للنسبية العامة.

عند عتبة معينة ، وجد Schwarzschild أن التفرد الافتراضي من شأنه أن ينتقل حرفياً عبر الزمكان. في الرياضيات ، تعتبر التفردات حلولًا عددية مثيرة للاهتمام ، ولكن كان يُعتقد في ذلك الوقت أن التفردات الفيزيائية الفلكية كانت مقيتة - لم تكن هناك آلية معروفة يمكنها إنتاجها.

ومع ذلك ، استمر شوارزشيلد حتى وفاته في عام 1916 ، مدركًا أن التفرد الفيزيائي الفلكي من شأنه أن يشوه الزمكان بشدة لدرجة أنه حتى الضوء لن يكون سريعًا بما يكفي للخروج من فجوة الزمكان التي ستخلقها التفرد. ستُعرف نقطة اللاعودة ، وهي منطقة كروية تحيط بالتفرد ، باسم "أفق الحدث".

تتفكك الفيزياء المعروفة إلى ما وراء أفق الحدث ، وبما أنه لا يمكن لأي معلومات الهروب ، لا يمكننا أن نمتلك خبرة فيما يكمن في الداخل. على الرغم من أن هذا كان مفهومًا مثيرًا للاهتمام ، إلا أنه لم تكن هناك آلية معروفة يمكن أن تخلق التفرد في الطبيعة ، لذلك تم تجاهل الفكرة إلى حد كبير.

ولد مفهوم الثقوب السوداء

كان ذلك حتى عام 1935 ، عندما أدرك عالم الفيزياء الفلكية الهندي سوبراهمانيان شاندراسيخار أنه في حالة نفاد وقود نجم ضخم ، فإن ضغط الجاذبية الهائل لتلك الكتلة سيتركز إلى نقطة معينة ، مما يتسبب في انهيار الزمكان على نفسه. نجح شاندراسيخار في سد الفجوة بين الفضول الرياضي والاحتمال العلمي ، مما أدى إلى زرع النظرية الكامنة وراء تكوين تفرد حقيقي مع عواقب وخيمة على نسيج الزمكان.

حتى مع مساهمات شاندراسيخار في الفهم الحديث لطبيعة الثقوب السوداء ، كان من المفترض أن تكون التفردات الفيزيائية الفلكية نادرة للغاية في أحسن الأحوال. بقيت على هذا النحو حتى الستينيات عندما أثبت الفيزيائيان النظريان البريطانيان ستيفن هوكينج وروجر بنروز أن التفردات ، بعيدًا عن كونها نادرة ، كانت جزءًا من النظام البيئي الكوني ، وهي جزء من التطور الطبيعي للنجوم الضخمة بعد نفاد الوقود. و مت.

ولم يكن حتى عام 1967 ، بعد 12 عامًا من وفاة أينشتاين في عام 1955 ، أصبحت هذه التفردات الفيزيائية الفلكية تُعرف باسم "الثقوب السوداء" - وهو مصطلح صاغه الفيزيائي الأمريكي جون أ. ويلر خلال مؤتمر في نيويورك لوصف المصير الكئيب لـ نجم ضخم بعد نفاد الوقود منه وينهار على نفسه.

الثقب الأسود "يعلمنا أن الفضاء يمكن أن يتفتت مثل قطعة من الورق إلى نقطة متناهية الصغر ، وأن الوقت يمكن إخماده مثل اللهب المنفجر ، وأن قوانين الفيزياء التي نعتبرها" مقدسة "وغير قابلة للتغيير ، كتب ويلر في سيرته الذاتية عام 1999.

بفضل علماء الفلك وعلماء الكمبيوتر الذين يعملون مع Event Horizon Telescope (EHT) ، وهي شبكة من ثمانية تلسكوبات مرتبطة ، تمكنت البشرية أخيرًا من تصور هذه "النقاط المتناهية الصغر". على الرغم من أن أينشتاين لم يكن على قيد الحياة ليرى دليلًا على الثقوب السوداء - نتيجة التفردات الحقيقية التي ظل مشكوكًا فيها - إلا أن نظريته النسبية جعلت اكتشافها ممكنًا.

ولا شك أنه كان سيتعجب أيضًا من الهلال الشبحي المحيط بقرص مظلم شبه كامل: دليل على أنه حتى أكثر النظريات فظاعة يمكن أن تكون صحيحة.

إيان أونيل عالم فيزياء فلكية وكاتب علوم.


عندما تصطدم الثقوب السوداء: كان أينشتاين محقًا طوال الوقت

قبل مائة عام ، نشر ألبرت أينشتاين نظريته العامة للنسبية ، والتي وصفت كيف تلتوي الجاذبية وتشوه الزمكان.

بينما أثارت هذه النظرية ثورة في فهمنا للكون ، فقد قدمت تنبؤًا واحدًا حتى أن أينشتاين شكك في إمكانية تأكيده: وجود موجات الجاذبية.

اليوم ، بعد قرن من الزمان ، لدينا هذا التأكيد ، مع اكتشاف موجات الجاذبية بواسطة أجهزة الكشف عن مرصد موجات الجاذبية بالليزر المتقدم (aLIGO).

نجمع هنا ردود الفعل والتحليلات من بعض علماء الفلك والفيزياء الفلكية الرواد من جميع أنحاء العالم.

كيث رايلز ، جامعة ميشيغان

يشرح كيث رايلز موجات الجاذبية.

كان أينشتاين متشككًا في إمكانية اكتشاف موجات الجاذبية لأن الموجات المتوقعة كانت ضعيفة جدًا. كان أينشتاين محقًا في التساؤل ، وتسببت الإشارة التي تم اكتشافها في 14 سبتمبر 2015 بواسطة مقاييس التداخل aLIGO في تغيير كل ذراع في كل كاشف على شكل حرف L بمقدار 2 من المليار من المليار من المتر ، أي حوالي 400 مرة أصغر من نصف قطر البروتون.

قد يبدو من غير المعقول قياس مثل هذه التغييرات الصغيرة ، خاصة مع جهاز عملاق مثل aLIGO. لكن السر يكمن في الليزر ("L" الحقيقي في LIGO) الذي يتم إسقاطه أسفل كل ذراع.

بشكل ملائم ، ساعد أينشتاين نفسه بشكل غير مباشر في جعل هذه الليزر تحدث ، أولاً من خلال شرح التأثير الكهروضوئي من حيث الفوتونات (التي حصل عليها على جائزة نوبل) ، وثانيًا ، من خلال إنشاء (جنبًا إلى جنب مع Bose) الأساس النظري لليزر ، مما يخلق متماسكًا. حزم من الفوتونات ، وكلها لها نفس التردد والاتجاه.

يوجد في أذرع aLIGO ما يقرب من تريليون تريليون فوتون في الثانية التي تصطدم بالمرايا ، وكلها تستشعر المواضع الدقيقة لمرايا مقياس التداخل. هذا الإحساس الجماعي المتماسك هو الذي يجعل من الممكن تحديد أن إحدى المرآة قد تحركت في اتجاه واحد ، بينما تتحرك مرآة في الذراع الأخرى في اتجاه مختلف. هذه الحركة التفاضلية المميزة هي ما يميز موجة الجاذبية ، الالتواء اللحظي التفاضلي للفضاء نفسه.

من خلال تشغيل aLIGO بشكل طبيعي في وضع إلغاء شبه كامل للضوء العائد من الذراعين (التداخل المدمر) ، يمكن للعلماء بالتالي اكتشاف مرور موجة الجاذبية من خلال البحث عن سطوع لحظي لحزمة الخرج.

يتوافق النمط الخاص من السطوع الذي لوحظ في 14 سبتمبر بشكل ملحوظ مع ما تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين لثقبين أسودين ضخمين في اللحظات الأخيرة من دوامة الموت. بشكل ملائم ، ساعدت نظرية أينشتاين عن الفوتونات في التحقق من نظرية أينشتاين في الجاذبية ، بعد قرن من إنشائها.

أماندا ويلتمان ، جامعة كيب تاون

النتائج واردة وهي تخطف الأنفاس. منذ ما يقرب من 100 عام بالضبط نشر أينشتاين "Die Feldgleichungen der Gravitation" الذي وضع فيه نظرية جديدة للجاذبية ، وهي النظرية العامة للنسبية. لم يتحسن أينشتاين على سلفه ، نيوتن فقط ، من خلال شرح المدار غير المتوقع لكوكب عطارد ، بل ذهب إلى أبعد من ذلك ووضع مجموعة من التنبؤات التي زعزعت أسس فهمنا للكون ومكاننا فيه. تتضمن هذه التنبؤات انحناء الضوء المؤدي إلى الأجسام ذات العدسة العدسية في السماء ، ووجود ثقوب سوداء لا يمكن للضوء الهروب منها بالإضافة إلى الإطار الكامل لفهمنا الحديث لعلم الكونيات.

لقد أثبتت جميع تنبؤات أينشتاين حتى الآن أنها صحيحة ، واليوم ، تم اكتشاف التنبؤ النهائي بشكل مباشر ، وهو توقع موجات الجاذبية ، وهي أصغر تموجات عبر الفضاء تشعها الطاقة بعيدًا عن طريق جسمين سماويين ضخمين يتصاعدان في بعضهما البعض. هذا هو اكتشاف القرن ، وربما يكون من الشعري أن أحد الأماكن التي يتم الإعلان عنها هو بيزا ، المكان نفسه ، وفقًا للأسطورة ، قبل 500 عام ، أسقط جاليليو جسمين هائلين لاختبار كيفية تفاعل المادة مع الجاذبية. .

بينما نستحم في مجد هذه اللحظة ، من المناسب أن نسأل ، ما هو التالي لعلم الفلك والفيزياء ومن سيحدث الثورة القادمة؟ سيصبح اكتشاف اليوم هو تاريخ الغد. يجلب LIGO المتقدم طريقة جديدة لاختبار الجاذبية ، لشرح الكون ، ولكنه أيضًا يؤدي إلى نهاية حقبة من نوع ما. حان الوقت للحدود التالية ، مع مشروع مصفوفة الكيلومتر المربع على قدم وساق عبر إفريقيا وأستراليا ، يستعد الجنوب العالمي ، بل وأفريقيا نفسها ، لتوفير النبض التالي لأبحاث الجاذبية.

ستيفن سمارت ، جامعة كوينز بلفاست

هذا الاكتشاف الرائع لموجات الجاذبية ليس فقط اختراقًا غير عادي في الفيزياء ، بل هو أيضًا لمحة مدهشة جدًا لنظام ثنائي ضخم للثقب الأسود ، مما يعني وجود ثقبين أسودين يندمجان معًا.

الثقوب السوداء هي أجسام مظلمة بكتلة تفوق ما هو ممكن للنجوم النيوترونية ، وهي نوع من النجوم المدمجة للغاية والتي يبلغ قطرها 10 كيلومترات وتزن ما يصل إلى كتلتين شمسيتين. لتخيل هذا النوع من الكثافة ، فكر في جميع السكان الذين يتم ضغطهم على ملعقة شاي. الثقوب السوداء أكثر تطرفًا من ذلك. لقد عرفنا عن النجوم النيوترونية الثنائية لسنوات وكان من المتوقع أن يكون أول اكتشاف لموجات الجاذبية هو اصطدام نجمين نيوترونيين.

ما نعرفه عن أزواج الثقوب السوداء حتى الآن يأتي من دراسة النجوم التي تدور حولها. تحتوي هذه الأنظمة الثنائية عادةً على ثقوب سوداء كتلتها من خمسة إلى 20 ضعف كتلة الشمس. لكن ليجو رأى ثقبين أسودين كتلتهما تزيد عن 30 مرة كتلة الشمس في نظام ثنائي اندمج أخيرًا. هذا أمر رائع لعدة أسباب. إنه أول اكتشاف لثقبين أسودين مدمجين ، وهو على مسافة أكبر بكثير مما توقع ليجو أن يجد المصادر ، كما أن الكتلة الكلية في النظام أكبر بكثير مما كان متوقعًا.

يثير هذا أسئلة مثيرة للاهتمام حول النجوم التي كان من الممكن أن تكون قد أنتجت هذا النظام. نحن نعلم أن النجوم الضخمة تموت في المستعرات الأعظمية ، ومعظم هذه المستعرات الأعظمية (على الأرجح 60٪ على الأقل) تنتج نجومًا نيوترونية. النجوم الأكثر ضخامة لها نوى كبيرة جدًا تنهار وتكون ضخمة جدًا بحيث لا تكون نجومًا نيوترونية مستقرة ، لذا فهي تنهار على طول الطريق إلى الثقوب السوداء.

لكن النظام الثنائي الذي يحتوي على ثقبين أسودين بحوالي 30 كتلة شمسية أمر محير. نحن نعلم بوجود أنظمة نجمية ثنائية ضخمة في مجراتنا والمجرات القريبة ، ولديها كتل أولية تزيد عن 100 شمس. لكننا نراهم يفقدون الكتلة من خلال الضغط الإشعاعي الهائل ويتم توقعهم ، وغالبًا ما يتم ملاحظتهم ، لإنهاء حياتهم بكتل أصغر بكثير وبشكل نموذجي حوالي 10 أضعاف الشمس.

إذا كان جسم LIGO عبارة عن زوج من 30 ثقبًا أسود كتلة شمسية ، فلا بد أن النجوم التي تشكلت له كانت على الأقل بنفس الكتلة. سوف يسأل علماء الفلك "و [مدششو] يمكن للنجوم الضخمة أن تنهي حياتها بهذه الضخامة وكيف يمكنها إنشاء ثقوب سوداء بهذه الضخامة؟ بالإضافة إلى اكتشاف الموجات الثقالية ، ستؤثر هذه النتيجة الرائعة على بقية علم الفلك لبعض الوقت.

آلان دافي ، جامعة سوينبورن

إن اكتشاف موجات الجاذبية هو تأكيد للتنبؤ النهائي لألبرت أينشتاين وينهي بحثًا استمر قرنًا من الزمان عن شيء كان يعتقد أنه سيبقى إلى الأبد دون اختبار.

لا يمثل هذا الاكتشاف نهاية ، بل بداية ، حقبة نستكشف فيها الكون من حولنا بحس جديد جذريًا. اللمس والشم والبصر والصوت كلها تستخدم تموجات في المجال الكهرومغناطيسي ، والذي نسميه الضوء ، ولكن يمكننا الآن الاستفادة من التموجات في مجال الخلفية للزمكان نفسه "لرؤية" محيطنا. هذا هو السبب في أن هذا الاكتشاف مثير للغاية.

يقيس مرصد الموجات الثقالية بالليزر المتقدم (aLIGO) التمدد الضئيل للزمكان عن طريق تصادم الثقوب السوداء البعيدة ، مما يمنحها رؤية فريدة للأجسام الأكثر تطرفًا في النسبية العامة.

إن "الرنين" الدقيق للزمكان أثناء مرور التموجات عبر الكاشف يختبر هذه النظرية وفهمنا للجاذبية بطرق لا يمكن لأي تجربة أخرى القيام بها.

يمكننا حتى استكشاف الطريقة التي تنمو بها المجرات وتصطدم بها من خلال محاولة قياس موجات الجاذبية من التصادمات الأكبر للثقوب السوداء الهائلة عندما تتصادم المجرات معًا.

أستراليا على وجه الخصوص هي دولة رائدة في هذا البحث ، باستخدام النجوم النابضة البعيدة كحاكم لتلسكوب باركس.

تارا مورفي ، جامعة سيدني

بالإضافة إلى الثقوب السوداء الثنائية ، سيكتشف aLIGO موجات الجاذبية من أحداث أخرى مثل اصطدام النجوم النيوترونية ، وهي البقايا الكثيفة المتبقية عند انهيار النجوم الضخمة.

يعتقد علماء الفلك أن اصطدام نجمين نيوترونيين قد يؤدي إلى انفجار أشعة غاما ، والذي يمكننا اكتشافه باستخدام التلسكوبات "العادية".

محاكاة اصطدام النجوم النيوترونية. الائتمان: ناسا

في أستراليا ، كنا نستخدم Murchison Widefield Array و Australian Square Kilometer Array Pathfinder) لمتابعة مرشحي aLIGO.

aLIGO هي أداة حساسة بشكل لا يصدق لكنها ضعيفة للغاية في تحديد مصدر موجات الجاذبية. تستطيع التلسكوبات الراديوية الخاصة بنا مسح مساحات كبيرة من السماء بسرعة كبيرة ، لذلك يمكنها أن تلعب دورًا مهمًا في تحديد الحدث.

لم يكن هذا المشروع مثل أي شخص آخر عملت عليه. عندما يحدد aLIGO مرشحًا ، فإنه يرسل تنبيهًا خاصًا إلى شبكة دولية من علماء الفلك. نستجيب بأسرع ما يمكن بتلسكوباتنا ، ونقوم بمسح المنطقة التي يُعتقد أن الحدث وقع فيها ، لنرى ما إذا كان بإمكاننا اكتشاف أي إشعاع كهرومغناطيسي.

يتم الاحتفاظ بكل شيء في سرية تامة ولا يُسمح للأشخاص الآخرين الذين يستخدمون تلسكوباتنا بمعرفة أين نوجههم.

للتأكد من أن خط أنابيب المعالجة المعقدة الخاص بهم يعمل بشكل صحيح ، قام شخص ما في فريق aLIGO بإدخال أحداث وهمية في العملية. لم يكن لدى أي شخص في الفريق ، أو من منا يقوم بالمتابعة ، أي فكرة عما إذا كان ما كنا نرد عليه حقيقيًا أم أحد هذه الأحداث الوهمية.

نحن حقًا في عصر العلم الكبير. هذه النتيجة المذهلة لم تكن من عمل المئات من الباحثين والمهندسين في aLIGO فحسب ، بل كانت نتيجة عمل مئات الفلكيين الآخرين المتعاونين حول العالم. نحن ننتظر بفارغ الصبر جولة المراقبة التالية في aLIGO ، لنرى ما الذي يمكننا العثور عليه أيضًا.

تمارا ديفيس ، جامعة كوينزلاند

نادرًا ما كان الاكتشاف متوقعًا بفارغ الصبر.

عندما كنت طالبًا جامعيًا ، منذ ما يقرب من 20 عامًا ، أتذكر محاضرًا في الفيزياء يخبرنا عن التجارب التي تحاول اكتشاف موجات الجاذبية. شعرت أن الاكتشاف كان وشيكًا ، وكان أحد أكثر الاكتشافات إثارة في الفيزياء.

الكتلة والطاقة التي تشوه نسيج الفضاء هي واحدة من أجزاء النسبية العامة التي تجذب الخيال أكثر. ومع ذلك ، في حين أن له قوة تفسيرية هائلة ، فإن حقيقة هذا الانحناء يصعب فهمها أو تأكيدها.

خلال الأشهر القليلة الماضية ، كان علي أن أجلس بهدوء وأراقب الزملاء وهم يتابعون إشارة الموجات الثقالية المحتملة. هذه هي المرة الوحيدة في مسيرتي العلمية التي لم يُسمح لي فيها بالحديث عن اكتشاف علمي قيد التقدم.

لكن هذا لأنه اكتشاف كبير لدرجة أنه كان علينا أن نكون متأكدين تمامًا منه قبل الإعلان عنه ، لئلا نجازف "بكاء الذئب".

كان لا بد من إجراء كل فحص أخير ، وبالطبع لم نكن نعرف ما إذا كانت إشارة حقيقية أم إشارة حقنها المجربون لإبقائنا على أهبة الاستعداد ، واختبار التحليل والمتابعة.

أنا أعمل في مشروع يسمى مسح الطاقة المظلمة ، ومع كاميرتنا الضخمة ذات المجال الواسع والتي تبلغ نصف مليار بكسل على تلسكوب أربعة أمتار في تشيلي ، التقط زملائي صورًا في محاولة للعثور على مصدر موجات الجاذبية.

المجال الواسع مهم ، لأن كاشفات الموجات الثقالية ليست جيدة جدًا في تحديد الموقع الدقيق للمصدر.

لسوء الحظ ، إذا كان اندماج ثقب أسود ، فلن نتوقع رؤية أي ضوء مرئي.

الآن بعد أن أصبحنا في عصر اكتشاف موجات الجاذبية ، سنكون قادرين على المحاولة مرة أخرى مع الموجة التالية.

ماريا ووماك ، جامعة جنوب فلوريدا

هذا تغيير بالغ الأهمية لعلم الفلك. يمكن أن يبدأ علم فلك الموجات الثقالية الآن حقًا ، ويفتح نافذة جديدة على الكون. تجمع التلسكوبات العادية الضوء بأطوال موجية مختلفة ، مثل الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء والراديو ، ويشار إليها مجتمعة بالإشعاع الكهرومغناطيسي (EM). تنبعث موجات الجاذبية من كتلة متسارعة مماثلة للطريقة التي تنبعث بها الموجات الكهرومغناطيسية من الشحنة المتسارعة على حد سواء المنبعثة من المادة المتسارعة.

ستكون الأجسام الضخمة ذات التسارع الأعلى هي الأحداث الأولى التي يتم اكتشافها. على سبيل المثال ، يمكن لـ Advanced LIGO ، بتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية ، اكتشاف الثقوب السوداء الثنائية في مدارات ضيقة وسريعة. تحمل GWs الطاقة من الزوج المداري ، مما يؤدي بدوره إلى تقلص الثقوب السوداء في مدارها وتسريعها أكثر ، حتى تندمج في حدث عنيف ، والذي يمكن الآن اكتشافه على الأرض باعتباره "زقزقة" صفير.

مثال على إشارة من مصدر موجة جاذبية مستوحاة. A. Stuver / LIGO، CC BY-ND

إن سماء الموجة الثقالية مجهولة تمامًا ، وسيتم رسم خرائط جديدة ستغير طريقة تفكيرنا في الكون. قد يتم الكشف عن GWs قادمة من سلاسل كونية ، عيوب افتراضية في انحناء الزمكان.سيتم استخدامها أيضًا لدراسة ما الذي يجعل بعض النجوم الضخمة تنفجر إلى مستعرات أعظم ، ومدى سرعة توسع الكون. علاوة على ذلك ، يمكن الجمع بين تقنيات المراقبة التلسكوبية والتقليدية GW لاستكشاف أسئلة مهمة ، مثل ما إذا كان الجرافيتون ، الجسيم المفترض الذي ينقل الجاذبية ، له كتلة بالفعل؟ إذا كانت عديمة الكتلة ، فإنها ستصل في نفس وقت وصول الفوتونات من حدث قوي. إذا كان للجرافيتونات كتلة صغيرة ، فإنها ستصل في المرتبة الثانية.

دانيال كينيفيك ، جامعة أركنساس

منذ ما يقرب من 100 عام ، في فبراير 1916 ، ذكر أينشتاين لأول مرة موجات الجاذبية كتابةً. ومن المفارقات القول إنه يعتقد أنهم غير موجودين! في غضون بضعة أشهر ، غير رأيه وبحلول عام 1918 كان قد نشر أساس نظريتنا الحديثة عن موجات الجاذبية ، وهو ما يكفي لوصفها أثناء مرورها على الأرض. ومع ذلك ، فإن حسابه لا ينطبق على أنظمة الجاذبية القوية مثل الثقب الأسود الثنائي.

لم يعد أينشتاين إلى المشكلة إلا في عام 1936 ، ونشر في النهاية أحد أقدم الحلول الدقيقة لوصف موجات الجاذبية. لكن موقفه الأصلي المتشكك تم نقله من قبل بعض مساعديه السابقين إلى ولادة النسبية العامة بعد الحرب. في الخمسينيات من القرن الماضي ، تم التعبير عن الشكوك حول ما إذا كانت موجات الجاذبية يمكن أن تحمل الطاقة وما إذا كان بإمكان أنظمة النجوم الثنائية أن تولدها.

كانت إحدى طرق تسوية هذه الخلافات هي إجراء حسابات مضنية توضح كيف أثر انبعاث موجات الجاذبية على حركة النظام الثنائي. ثبت أن هذا يمثل تحديا هائلا. لم تكن الحسابات طويلة ومملة فحسب ، بل وجد المنظرون أنهم بحاجة إلى فهم أكثر تعقيدًا بكثير لبنية الزمكان نفسه. تضمنت الإنجازات الكبرى الصورة التفصيلية للبنية المقاربة للزمكان ، وإدخال مفهوم التوسعات المقاربة المتطابقة. قبل اختراقات كهذه ، حصلت العديد من الحسابات على نتائج متناقضة. حتى أن بعض المنظرين حصلوا على إجابات مفادها أن النظام الثنائي يجب أن يكتسب ، لا يفقد ، الطاقة نتيجة انبعاث موجات الجاذبية!

في حين أن عمل الستينيات أقنع المنظرين بأن أنظمة النجوم الثنائية تصدر بالفعل موجات جاذبية ، استمر الجدل حول ما إذا كانت صيغة أينشتاين لعام 1918 ، والمعروفة باسم الصيغة الرباعية ، تنبأت بشكل صحيح بكمية الطاقة التي ستشعها. استمر هذا الجدل حتى أوائل الثمانينيات وتزامن مع اكتشاف النجم النابض الثنائي الذي كان نظامًا واقعيًا كان مداره يتحلل تماشيًا مع تنبؤات صيغة أينشتاين.

في التسعينيات ، مع بدايات LIGO ، تحول تركيز المنظرين إلى تقديم تصحيحات أكثر تفصيلاً لمثل هذه الصيغ. يستخدم الباحثون أوصافًا للإشارة المتوقعة كقوالب تسهل استخراج الإشارة من بيانات LIGO الصاخبة. نظرًا لعدم ظهور أي إشارات موجات ثقالية من قبل ، وجد المنظرون أنفسهم على صلة غير عادية بمشروع الاكتشاف و ndash فقط يمكنهم توفير مثل هذه القوالب لتحليل البيانات.

ديفيد باركنسون ، جامعة كوينزلاند

يمكن استخدام موجات الجاذبية لتوفير مسبار مباشر للكون المبكر جدًا. كلما نظرنا بعيدًا ، كلما استطعنا رؤيته في الماضي. لكن هناك حدًا لمدى ما يمكننا رؤيته في الماضي ، حيث كان الكون في البداية عبارة عن بلازما غير شفافة ، وظل كذلك حتى 300000 عام بعد الانفجار العظيم.

هذا السطح ، الذي تنبعث منه الخلفية الكونية الميكروية ، يمثل أبعد نقطة يمكن لأي قياس للإشعاع الكهرومغناطيسي التحقيق فيه بشكل مباشر.

لكن هذه البلازما لا تشكل عائقًا أمام موجات الجاذبية ، التي لن تمتصها أي مادة متداخلة ، ولكنها تأتي إلينا مباشرة. من المتوقع أن تتولد موجات الجاذبية من خلال عدد من الآليات المختلفة في بدايات الكون.

على سبيل المثال ، نظرية التضخم الكوني ، التي تقترح فترة من التوسع المتسارع لحظات بعد الانفجار العظيم ، تستمر في التنبؤ ليس فقط بإنشاء كل الهياكل التي نراها في الكون ، ولكن أيضًا طيف من موجات الجاذبية البدائية.

هذه هي موجات الجاذبية البدائية التي اعتقدت تجربة BICEP2 أنها اكتشفتها في مارس 2014.

قاس BICEP2 نمط الاستقطاب لخلفية الميكروويف الكونية ، وأبلغ عن اكتشاف قوي لبصمة موجات الجاذبية البدائية. تبين في الواقع أن هذه النتائج كانت تلوثًا بالغبار المجري ، وليست موجات الجاذبية البدائية.

ولكن هناك كل الأسباب للاعتقاد بأن التجارب المستقبلية قد تكون قادرة على اكتشاف موجات الجاذبية البدائية ، إما بشكل مباشر أو غير مباشر ، وبالتالي توفر طريقة جديدة ومكملة لفهم فيزياء الانفجار العظيم.

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. اقرأ المقال الأصلي.


هل رفض أينشتاين قبل الأوان كون جودل؟

انطباع الفنان عن السفر عبر الزمن. رياضيا ، بعض أشكال السفر عبر الزمن متسقة منطقيًا. (الصورة: Andrey_l / Shutterstock)

ومن المثير للاهتمام ، أن أينشتاين وافق علنًا وروج لمقال جوديل في الوقت المحدد. وأشاد بها باعتبارها & # 8216 مساهمة مهمة في النظرية العامة للنسبية & # 8217 و & # 8216 على وجه الخصوص لمفهوم الوقت & # 8217.

ليس كل السفر عبر الزمن غير منطقي

يأمل جودل أن يجبرنا التناقض المنطقي الذي وجده في نظرية النسبية العامة على إعادة النظر ، وربما مراجعة جذرية ، مفهومنا للوقت.

اتفق آينشتاين وجودل على الأسئلة التي أثارتها مقالة جودل. على وجه الخصوص ، أدرك كلاهما واتفقوا على أن وجود منحنيات شبيهة بالزمن من شأنه أن يجعل من المستحيل على المرء أن يميز الماضي عن المستقبل. كما اتفقوا على أن عدم وجود اتجاه محدد جيدًا للسببية في مثل هذا النظام يمكن أن يؤدي إلى مفارقات ، وفي كثير من الأحيان إلى هراء غير منطقي.

ومع ذلك ، هذا لا يعني أن جميع أنواع السفر عبر الزمن تمثل مشكلة. في بعض الحالات ، ليسوا كذلك. بعض أنواع السفر عبر الزمن متسقة منطقيًا تمامًا.

لنأخذ مثالا يتعلق بزوج من التوائم. يسافر أحدهما عبر الفضاء بسرعة الضوء تقريبًا ويعود إلى الأرض. بالنسبة إلى التوأم المتحرك ، مرت سنوات قليلة فقط من الوقت خلال الرحلة. لكن على الأرض - والتوأم الثابت - انتهى قرن كامل من الزمن والتاريخ.

من خلال التحرك بسرعة الضوء تقريبًا ، لم ينتقل التوأم المتحرك عبر الفضاء فحسب ، بل عبر الزمن أيضًا ، وفي المستقبل. لا توجد مشاكل منطقية مع هذا. من حيث المبدأ ، إذا كان بإمكانك التحرك بسرعة كافية ، يمكنك التحرك بشكل تعسفي بعيدًا في المستقبل. ألف سنة. مليون سنة. مليار سنة. او اكثر.

مفارقة الجد

تبدأ المشاكل المنطقية الخطيرة في الظهور مع السفر عبر الزمن إلى الوراء. يُعرف المثال الأكثر شهرة لهذه الأنواع من المشكلات باسم "مفارقة الجد".

شرح مفارقة الجد باستخدام كرة البلياردو. تدخل الكرة الأصلية إلى آلة الزمن ، ثم تخرج من المستقبل وتضرب الكرة الأصلية ، وتمنعها من دخول آلة الزمن. لذا فإن المفارقة هي أن الكرة الأصلية لم تدخل آلة الزمن قط ، فكيف خرجت من المستقبل لتحرف مسارها؟ (الصورة: BrightRoundCircle / CC BY-SA 4.0)

تخيل أنك تتبع منحنى زمني مغلق إلى نقطة في الماضي. في هذه المرحلة ، تقابل جدك وتقتله بينما لا يزال طفلاً. نتيجة لهذه الأفعال ، لا يكبر جدك أبدًا. لم يقابل جدتك أبدًا ، ولم ينجب أبدًا أي أطفال أو أحفاد. هذا يعني أنك لم تولد أبدًا. لذلك ، أنت لا توجد أبدًا ، وهذا يعني أنك لا تسافر أبدًا إلى الوراء عبر الزمن لقتل جدك.

لذلك ، نظرًا لأنه لم يقتل أبدًا ، فإن جدك يعيش لمقابلة جدتك ، ولديهما أطفال وأحفاد معًا. لذا مرة أخرى ، أنت موجود. وبعد ذلك تسافر عبر الزمن لتقتل جدك.

السفر عبر الزمن إلى الوراء يجعل من المستحيل أن يكون هناك جدول زمني متسق ذاتيًا.

هذا نص من سلسلة الفيديو ما أخطأ أينشتاين. شاهده الآن ، وندريوم.

كانت مفارقة الجد عنصرًا أساسيًا في الخيال العلمي منذ الثلاثينيات. بالإضافة إلى إنتاج بعض القصص المسلية للغاية ، فإنه يعمل أيضًا على توضيح المخاطر المنطقية التي يمكن أن تأتي مع السفر عبر الزمن غير المقيد.

أي نظام يمكن فيه تغيير الماضي يعاني من هذه الأنواع من المشاكل ، مما يعني أن أي نظام يحتوي على منحنيات مغلقة تشبه الزمن يبدو مؤكدًا أنه سيؤدي إلى هراء متناقض.

يجب أيضًا أن تضع في اعتبارك أن هذا الاستنتاج لا ينطبق فقط على الأشخاص أو الكائنات الحية الأخرى التي قد تسافر عبر الزمن. على سبيل المثال ، قد ينتقل الإلكترون عبر منحنى مغلق زمنيًا فقط لمنعه من الظهور على الإطلاق. على أسس عامة إلى حد ما ، يبدو أن وجود منحنيات شبيهة بالزمن المغلقة يكسر الاتساق الذاتي المنطقي للكون.

لهذه الأسباب وغيرها ، شك آينشتاين في أن نتيجة Gödel يمكن أن يكون لها أي معنى مادي حقيقي أو آثار مادية أخرى. لم يكن يشك في أن حسابات جودل كانت صحيحة لأنها كانت مثالية. ومع ذلك ، لم يعتقد أينشتاين أن جميع الحلول الصحيحة رياضيًا لمعادلات النسبية العامة كانت بالضرورة حلولًا صحيحة فيزيائيًا.

رفض أينشتاين قبل الأوان العديد من الحلول الصالحة

هناك عدد من الحالات التي طبق فيها أينشتاين حدسه ليقرر ما إذا كان حل معين لمعادلات مجاله مفيدًا فيزيائيًا أم لا.

خذ الثقوب السوداء على سبيل المثال. يتم وصف الثقوب السوداء من خلال حل صحيح لمعادلات المجال ، تم تحديده لأول مرة في عام 1915. رفض أينشتاين تصديق أن مثل هذه الأشياء يمكن أن تتشكل على الإطلاق. فقط بعد وفاة أينشتاين ، هل بدأ علماء الفلك في اكتشاف الثقوب السوداء الحقيقية في كوننا؟

ألقى ألبرت أينشتاين محاضرة في فيينا عام 1921. كان أينشتاين قد رفض العديد من الحلول لمعادلات مجاله ، لكنه ثبت خطأه لاحقًا. (الصورة: F Schmutzer / Public Domain)

نحن نعلم الآن أن النجوم الضخمة جدًا تصبح حتماً ثقوبًا سوداء ، وأن الثقوب السوداء فائقة الكتلة تحتل مراكز معظم المجرات. ومع ذلك ، طوال حياته ، رفض أينشتاين الاعتقاد بأن مثل هذه الأشياء كانت ، في الواقع ، ممكنة جسديًا.

مثال آخر هو توسع الكون. إلى أن أثبت إدوين هابل أنه مخطئ ، رفض أينشتاين احتمال أن الكون قد يتمدد أو يتقلص. بدلاً من ذلك ، قاده حدسه إلى الإصرار على أن الكون يجب أن يكون ثابتًا.

عندما نأخذ أمثلة مثل هذه في الاعتبار ، نرى أن أينشتاين كان بعيدًا عن السجل المثالي عندما يتعلق الأمر بتحديد أي الحلول لمعادلات مجاله كانت حقيقية وماديًا.

هذا يقودنا إلى السؤال المطروح. هل كان أينشتاين محقًا في رفض الأهمية المادية لكون جوديل؟ وماذا يخبرنا عمل جودل عن النسبية العامة ، إن وُجد؟ أو عن طبيعة الوقت نفسه؟

في ذلك الوقت ، ربما كان من المستحيل معرفة ما إذا كان أينشتاين محقًا في تجاهل أي أهمية مادية لحل جودل الكوني. طوال حياته ، غالبًا ما لعب أينشتاين دور المتشكك ، ولم يكن هذا استثناءً. حددت مقالة جودل في الوقت المناسب ما بدا أنه جانب مدهش للغاية للنسبية العامة ، ولكن عندما واجهت هذه النتائج المفاجئة ، أخبرته غرائز أينشتاين أن هذه النتيجة ربما لم تكن مهمة حقًا.

كان لدى أينشتاين بعض الأسباب الوجيهة لدعم هذا الاختيار. لا يصف حل Gödel لمعادلات المجال الكون الذي نعيش فيه بالفعل. لا يتوسع كون Gödel ، بينما يتوسع كوننا بالتأكيد. أيضًا ، لا يوجد دليل على أن كوننا يدور بالطريقة التي يدور بها عالم جوديل. لذلك ، من الواضح أن الكون الذي نعيش فيه مختلف تمامًا عن ذلك الموصوف بواسطة حل Gödel.

لذلك ، يمكن لشخص لديه نظرة آينشتاين أن يعترف في نفس الوقت بأن كون جودل يبدو به بعض التناقضات المنطقية ، ولكن في نفس الوقت ، يمكنه أن يجادل بأن كوننا - الكون الحقيقي - لا يعاني بالضرورة من أي من هذه المشاكل. ربما لا يحتوي كوننا على أي منحنيات زمنية مغلقة.

إذا لم تكن هناك منحنيات مغلقة شبيهة بالزمن في كوننا ، فربما لا توجد أي مشاكل أساسية مع الوقت - على الأقل ليس بالطريقة التي يبدو أن الوقت موجود بها في عالمنا.

ومع ذلك ، في رأيي ، هذا هو المكان الذي أخطأ فيه أينشتاين. أو على الأقل حيث يبدو أنه توصل إلى هذه الاستنتاجات قبل الأوان.

عندما أشار جودل إلى إمكانية وجود منحنيات شبيهة بالزمن المغلقة ، حتى في كون افتراضي ، أعطانا هذا سببًا عميقًا وجيدًا للقلق بشأن الاتساق الذاتي للنسبية العامة نفسها. على الرغم من أننا لا نعيش في الواقع في كون مثل الذي وصفه حل Gödel ، فليس من الواضح أن كوننا آمن تمامًا من أنواع التناقضات المنطقية التي يمكن أن ترتبط بوجود منحنيات زمنية مغلقة.

أسئلة شائعة حول Kurt Gödel’s Universe

السفر عبر الزمن غير ممكن ، حتى الآن. ومع ذلك ، من الناحية الحسابية ، إذا كان بإمكان المرء أن يتحرك بسرعة الضوء أو أسرع ، فيمكنه الانتقال بشكل تعسفي بعيدًا في المستقبل. في حالة السفر عبر الزمن للخلف ، تبدأ مشاكل منطقية خطيرة في الظهور ، حتى في النظام الرياضي.

مفارقة الجد هي أشهر مثال على أنواع المشاكل التي تطرح نفسها مع السفر عبر الزمن إلى الوراء. تمت كتابة هذا الشكل من أشكال التناقض الزمني في قصص الخيال العلمي منذ ثلاثينيات القرن الماضي. لذلك ، لا نعرف من كان أول من خلق مفارقة الجد ، ولكن يمكن العثور على أحد الأمثلة الأولى في رسالة إلى مجلة الخيال العلمي الأمريكية Amazing Stories.

المنحنى الزمني المغلق هو في الأساس مسار عبر المكان والزمان يجعل من الممكن لشخص ما أن يكون حاضرًا لحدث ما ، ثم يسافر عبر الفضاء فقط ليواجه نفس الحدث لاحقًا مرة أخرى. هنا نفس الحدث ليس & # 8217t تكرار للحدث الأصلي. إنه الحدث الأصلي. لقد اتبع الراصد ببساطة مسارًا عبر كونه قاده من المستقبل إلى الماضي.

بالمعنى الرياضي ، بعض أشكال السفر عبر الزمن متسقة منطقيًا تمامًا. ومع ذلك ، في حالة السفر عبر الزمن إلى الوراء ، يظهر عدد من المفارقات الزمنية. واحدة من أشهر الرسوم التوضيحية لمفارقة مثل هذه هي مفارقة الجد. نتيجة مثل هذا التناقض الزمني هو أنه لا توجد إمكانية لجدول زمني متسق ذاتيًا.


في ورقة النسبية الخاصة ، في عام 1905 ، لاحظ أينشتاين أنه ، بالنظر إلى تعريف محدد لكلمة "القوة" (التعريف الذي وافق لاحقًا على أنه ليس مفيدًا) ، وإذا اخترنا الحفاظ (وفقًا للاتفاقية) على معادلة الكتلة x تسارع = القوة ، ثم يصل المرء إلى m / (1 - v 2 / c 2) < displaystyle scriptstyle m / (1-v ^ <2> / c ^ <2>)> كتعبير عن الكتلة العرضية لـ a جسيم سريع الحركة. هذا يختلف عن التعبير المقبول اليوم ، لأنه ، كما لوحظ في الحواشي على ورقة أينشتاين المضافة في إعادة طبع عام 1913 ، "الأمر يتعلق أكثر بنقطة تعريف القوة بطريقة تجعل قوانين الطاقة والزخم تتخذ أبسط أشكالها" ، كما حدث ، على سبيل المثال ، بواسطة ماكس بلانك في عام 1906 ، الذي أعطى التعبير المألوف الآن m / 1 - v 2 / c 2 / c ^ <2> >>> للكتلة المستعرضة.

كما يشير ميلر ، فإن هذا يعادل تنبؤات الكتلة المستعرضة لكل من أينشتاين ولورنتز. كان أينشتاين قد علق بالفعل في ورقة 1905 على أنه "مع تعريف مختلف للقوة والتسارع ، يجب أن نحصل بشكل طبيعي على تعبيرات أخرى للجماهير. وهذا يوضح أنه عند مقارنة النظريات المختلفة. يجب أن نتقدم بحذر شديد." [1]

نشر أينشتاين (في عام 1922) نظرية نوعية للموصلية الفائقة تستند إلى فكرة غامضة عن الإلكترونات المشتركة في المدارات. سبقت هذه الورقة ميكانيكا الكم الحديثة ، وتعتبر اليوم غير صحيحة. تم وضع النظرية الحالية للموصلية الفائقة في درجات الحرارة المنخفضة فقط في عام 1957 ، بعد ثلاثين عامًا من إنشاء ميكانيكا الكم الحديثة. ومع ذلك ، حتى اليوم ، لا تزال الموصلية الفائقة غير مفهومة جيدًا ، ويستمر طرح نظريات بديلة ، خاصة لحساب الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. [ بحاجة لمصدر ]

نفى أينشتاين عدة مرات أن الثقوب السوداء يمكن أن تتشكل. [ بحاجة لمصدر ] في عام 1939 ، نشر ورقة بحثية تقول إن انهيار نجم سوف يدور بشكل أسرع وأسرع ، حيث يدور بسرعة الضوء مع طاقة لا نهائية قبل وقت طويل من النقطة التي يكون فيها على وشك الانهيار إلى تفرد شوارزشيلد ، أو ثقب أسود.

النتيجة الأساسية لهذا التحقيق هي فهم واضح لسبب عدم وجود "تفردات شوارزشيلد" في الواقع المادي. على الرغم من أن النظرية الواردة هنا لا تتعامل إلا مع المجموعات التي تتحرك جسيماتها على طول مسارات دائرية ، إلا أنه لا يبدو أنها تخضع لشك معقول في أن الحالات الأكثر عمومية سيكون لها نتائج مماثلة. لا تظهر "تفرد Schwarzschild" لسبب أن المادة لا يمكن أن تتركز بشكل تعسفي. وهذا يرجع إلى حقيقة أنه بخلاف ذلك ستصل الجسيمات المكونة إلى سرعة الضوء. [2]

لم تتلق هذه الورقة أي استشهادات ، والاستنتاجات مفهومة جيدًا على أنها خاطئة. [ بحاجة لمصدر ] حجة أينشتاين نفسها تظهر فقط أن الأجسام الدوارة المستقرة يجب أن تدور بشكل أسرع وأسرع لتظل مستقرة قبل النقطة التي تنهار فيها. لكن من المفهوم جيدًا اليوم (وفهمه البعض جيدًا حتى ذلك الحين) أن الانهيار لا يمكن أن يحدث من خلال حالات ثابتة بالطريقة التي تخيلها أينشتاين. ومع ذلك ، فإن مدى تطابق نماذج الثقوب السوداء في النسبية العامة الكلاسيكية مع الواقع المادي لا يزال غير واضح ، وعلى وجه الخصوص لا تزال الآثار المترتبة على التفرد المركزي الضمني في هذه النماذج غير مفهومة.

يعتقد أينشتاين ، الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا برفضه للثقوب السوداء ، أن استبعاد التفردات قد يقيد فئة حلول معادلات المجال لفرض الحلول المتوافقة مع ميكانيكا الكم ، ولكن لم يتم العثور على مثل هذه النظرية على الإطلاق. [ بحاجة لمصدر ]

في الأيام الأولى لميكانيكا الكم ، حاول أينشتاين إظهار أن مبدأ عدم اليقين لم يكن صالحًا. بحلول عام 1927 كان قد اقتنع بفائدته ، لكنه كان دائمًا يعارضها. [ بحاجة لمصدر ]

في ورقة EPR ، جادل أينشتاين بأن ميكانيكا الكم لا يمكن أن تكون تمثيلًا واقعيًا ومحليًا كاملاً للظواهر ، بالنظر إلى تعريفات محددة لـ "الواقعية" و "المكانة" و "الاكتمال". الإجماع الحديث هو أن مفهوم أينشتاين للواقعية مقيد للغاية. [ بحاجة لمصدر ]

اعتبر أينشتاين نفسه إدخال المصطلح الكوني في بحثه عام 1917 الذي أسس فيه علم الكونيات "خطأً فادحًا". [3] تنبأت نظرية النسبية العامة بتمدد الكون أو انقباضه ، لكن أينشتاين أراد كونًا عبارة عن كرة ثلاثية الأبعاد غير متغيرة ، مثل سطح كرة ثلاثية الأبعاد بأربعة أبعاد.

لقد أراد ذلك لأسباب فلسفية ، وذلك لدمج مبدأ ماخ بطريقة معقولة. لقد ثبّت حله عن طريق إدخال ثابت كوني ، وعندما تبين أن الكون يتوسع ، تراجع عن الثابت باعتباره خطأ فادحًا. هذا ليس خطأ فادحًا حقًا - الثابت الكوني ضروري في النسبية العامة كما هو مفهوم حاليًا ، ويعتقد على نطاق واسع أن له قيمة غير صفرية اليوم.

لم يقدّر أينشتاين على الفور قيمة صياغة مينكوفسكي رباعية الأبعاد للنسبية الخاصة ، على الرغم من أنه اعتمدها في غضون سنوات قليلة ضمن نظريته في الجاذبية. [ بحاجة لمصدر ]

وجده رسميًا جدًا ، اعتقد أينشتاين أن ميكانيكا مصفوفة هايزنبرغ كانت غير صحيحة. غير رأيه عندما أوضح شرودنجر وآخرون أن الصياغة من حيث معادلة شرودنغر ، القائمة على ازدواجية الموجة والجسيم كانت مكافئة لمصفوفات هايزنبرغ. [ بحاجة لمصدر ]

أمضى أينشتاين سنوات عديدة في السعي وراء نظرية ميدانية موحدة ، ونشر العديد من الأوراق البحثية حول هذا الموضوع ، ولكن دون جدوى.


الرجل الذي قال لا لأينشتاين

يتطلب الأمر رجلاً شجاعًا لرفض ورقة علمية كتبها ألبرت أينشتاين. لكن هذا ما فعله الفيزيائي هوارد بيرسي روبرتسون عام 1936 كمحرر لمجلة فيزيكال ريفيو. كان أينشتاين غاضبًا لدرجة أنه لم ينشر هناك مرة أخرى.

إذا كان أينشتاين على قيد الحياة اليوم ، فقد يشكر روبرتسون ، الذي أنقذ العالم العظيم من التراجع عن أكثر تنبؤات بعيدة المدى لنظريته النسبية & # x2013 وجود موجات الجاذبية. تم الإعلان عن أول اكتشاف مباشر لموجات أينشتاين و # x2019 هذا الأسبوع وسط ضجة كبيرة واحتفال. يقول العلماء إن الموجات انبثقت من الاصطدام القوي بين ثقبين أسودين.

تم الترحيب بالنتائج باعتبارها إثباتًا ، على الرغم من أن أينشتاين كان أحد أكبر المشككين في فكرته. قال الفيزيائي دانييل كينيفيك ، المؤلف المشارك لموسوعة آينشتاين ، إنه تقلب عدة مرات على مر السنين. انتهت الحكاية بشكل جيد ، بفضل حكمة أينشتاين في معرفة متى يجب أن تكون متأكدًا ، ومتى تكون لديك شكوك ، ومتى يتجاهل المشككين ، ومتى يستمع إليهم ويعيد تجميع صفوفهم.

نشأت الفكرة من نظريات النسبية لأينشتاين. نشر نظريته الخاصة عن النسبية في عام 1905 ، غيرت الطريقة التي يفهم بها العلماء المكان والزمان. نشر النظرية العامة في عام 1915 وغير طريقة فهم العلماء للجاذبية ، وأعاد تعريفها على أنها تأثير المنحنيات في المكان والزمان.

قال كينيفيك إنه في فبراير من عام 1916 ، تنبأ أينشتاين أنه إذا كان للزمان والمكان تكتلات ونتوءات ، فربما يمكن أن تتحرك تلك النتوءات. & # x201CA بعد كل شيء ، يمكننا أن نرى التلال والوديان المتحركة على سطح الماء التي نسميها موجات ، لذلك إذا كانت الجاذبية تنحرف عن الزمكان ، فلماذا لا يمكن أن تخلق تشوهات متحركة؟ & # x201D

أدرك أينشتاين أن هذه الموجات ستكون خفية. فقط شيء مثير هو الذي يمكن أن يصدر إشارة قوية بما يكفي لتوفير فرصة لاكتشافها & # x2013 شيء مثل اندماج الثقوب السوداء. لكن أينشتاين كان متشككًا في وجود الثقوب السوداء على الإطلاق ، على الرغم من أن آخرين توقعوها بناءً على نظريته.

هذه الشكوك لا تعني أن أينشتاين كان غير آمن. تنبأ بجرأة أن منحنى الفضاء سينتج عنه انحناء مرئي لضوء النجوم حول الشمس.

دفع ذلك العالم وأفضل علماء الفلك في العالم إلى أن يروا بأنفسهم ، في انتظار كسوف الشمس عام 1919 لجعل سلوك الضوء الخافت من النجوم الخلفية قابلاً للقياس. عندما سئل أينشتاين عن شعوره إذا تم دحض النسبية من خلال تجربة الكسوف ، أجاب أينشتاين: & # x201C ثم سأشعر بالأسف على الرب العزيز. النظرية صحيحة على أي حال. & # x201D

قال كينيفيك إن أينشتاين كان يعرف متى يكون على يقين. كان لديه حدس جسدي جيد ، وكان يعرف أيضًا متى كان يتجول في منطقة جديدة.

لذلك ربما يكون من المفهوم أنه سيقرر في مرحلة ما إلغاء تنبؤاته لموجة الجاذبية في مقال صحفي رفيع المستوى. بعد فوات الأوان ، يمكن للمرء أن يرى رفض روبرتسون & # x2019 باعتباره سلبيًا مزدوجًا & # x2013 إنكارًا لشك أينشتاين & # x2019 الذي أضاف دعمًا إيجابيًا لفكرته الأصلية.

لم يرَ أينشتاين الأمر بهذه الطريقة. حسب الروايات التاريخية ، كان غاضبًا. قدم الورقة إلى مجلة أخرى & # x2013 ، المجلة الأكثر غموضًا لمعهد فرانكلين في فيلادلفيا ، ولا يعني ذلك أن أي شيء يحمل اسم أينشتاين و # x2019 قد يكون غامضًا في تلك النقطة من التاريخ. ولكن قبل أن يتمكن أينشتاين من رفض موجاته الجاذبية في تلك المجلة ، حثه روبرتسون بشكل غير مباشر على تغيير رأيه مرة أخرى.

قام روبرتسون بذلك من خلال التعرف على أحد مساعدي أينشتاين ، ليوبولد إنفيلد ، كما قال كينيفيك. لا يبدو أن إنفلد أو أينشتاين كانا على علم بدور روبرتسون في رفض الورقة البحثية ، لأنه من المعتاد أن يكون المراجعين مجهولين. أوضح روبرتسون لـ Infeld لماذا اعتقد أن أينشتاين كان على حق في المرة الأولى. أدى ذلك إلى مناقشات بين أينشتاين وإنفيلد ، وقبل نشر الورقة ، أجرى أينشتاين مراجعات جذرية بحيث دعمت التوقعات الشهيرة الآن بدلاً من دحضها.

من يدري كيف كان التاريخ سينكشف لو سمح روبرتسون لأينشتاين بنشر الورقة الأصلية المضادة للجاذبية. لقد ساعد بالتأكيد أن يكون أينشتاين في الجانب المفضل من الأشياء عندما يتعلق الأمر بمهمة الكشف الصعبة. المشروع الذي أدى في النهاية إلى إشارة إيجابية كلف 1.1 مليار دولار على مدى 40 عامًا. يُطلق عليه اسم مرصد موجات الجاذبية بالليزر للتداخل ، أو LIGO ، وهو مؤهل باعتباره أغلى جهاز تموله مؤسسة العلوم الوطنية على الإطلاق.

تم طرح مفهوم LIGO من قبل الفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Rainer Weiss في عام 1972. وكانت التجربة في شكل كاشفين مزدوجين ، أحدهما بالقرب من هانفورد ، واشنطن والآخر بالقرب من ليفينغستون ، لويزيانا. في كل واحدة ، ينتقل شعاع الليزر إلى أسفل أنابيب على شكل حرف L ، ويمتد كل ذراع لمسافة ميلين ونصف. من الناحية النظرية ، ستحرك موجة الجاذبية المرايا في نهايات هذه الأنابيب مسافة صغيرة لا يمكن تصورها يمكن قياسها بواسطة الليزر.

مر الجهاز بتكرارين & # x2013 نسخة أولية ظهرت في عام 2010 ونسخة أكثر تقدمًا دخلت على الإنترنت في سبتمبر 2015. في غضون أيام قليلة من بدء التشغيل ، سجل الكاشف المتقدم شيئًا ، يقول الفيزيائيون إنه يناسبه. وصف تصادم اثنين من الثقوب السوداء.

يقول الفيزيائيون إنهم يستطيعون قراءة الكثير من المعلومات في الإشارة. كانوا قادرين على تمييز كتل الثقوب السوداء - 29 و 36 ضعف كتلة الشمس - والمسافة إلى حدث 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض.

إذا اكتشفوا المزيد من الاصطدامات ، يمكن للمشروع أن يمنح العلماء مقياسًا أكثر دقة للمسافات إلى الأجسام البعيدة ومقبض أفضل لمقياس ومعدل تمدد الكون. قد يرصدون تصادمات أخرى بين الأجسام الضخمة المعروفة باسم النجوم النيوترونية ، ويتعرفون على طبيعة هذه الأجسام الغريبة. ثم هناك & # x2019s دائمًا الأمل في أن يجدوا شيئًا غير متوقع تمامًا.


الفيزيائي الذي قال لا لألبرت أينشتاين

نيويورك & # 8211 يتطلب الأمر رجلاً شجاعًا لرفض ورقة علمية كتبها ألبرت أينشتاين. لكن هذا هو ما فعله الفيزيائي هوارد بيرسي روبرتسون عام 1936 كمحرر لمجلة Physical Review. كان أينشتاين غاضبًا لدرجة أنه لم ينشر هناك مرة أخرى.

إذا كان أينشتاين على قيد الحياة اليوم ، فقد يشكر روبرتسون ، الذي أنقذ العالم العظيم من التراجع عن أكثر تنبؤات بعيدة المدى لنظريته النسبية - وجود موجات الجاذبية. تم الإعلان عن أول اكتشاف مباشر لموجات أينشتاين & # 8217 الأسبوع الماضي وسط ضجة كبيرة واحتفال. يقول العلماء إن الموجات انبثقت من الاصطدام القوي بين ثقبين أسودين.

تم الترحيب بالنتائج باعتبارها إثباتًا ، على الرغم من أن أينشتاين كان أحد أكبر المشككين في فكرته. قال الفيزيائي دانييل كينيفيك ، المؤلف المشارك لـ & # 8220Anstein Encyclopedia & # 8221 ، إنه تقلب عدة مرات على مر السنين. & # 8221 انتهت الحكاية بشكل جيد ، بفضل حكمة أينشتاين & # 8217s في معرفة متى يجب التأكد ، ومتى يكون لديك شكوك ومتى يتجاهل المشككين ومتى يستمع إليهم ويعيد تجميع صفوفهم.

نشأت الفكرة من نظريات النسبية لأينشتاين. نشر نظريته الخاصة عن النسبية في عام 1905 ، غيرت الطريقة التي يفهم بها العلماء المكان والزمان. نشر النظرية العامة في عام 1915 وغير طريقة فهم العلماء للجاذبية ، وأعاد تعريفها على أنها تأثير المنحنيات في المكان والزمان.

قال كينيفيك إنه في فبراير من عام 1916 ، تنبأ أينشتاين أنه إذا كان للزمان والمكان تكتلات ونتوءات ، فربما يمكن أن تتحرك تلك النتوءات. & # 8220 بعد كل شيء ، يمكننا رؤية التلال والوديان المتحركة على سطح الماء التي نسميها موجات ، لذلك إذا كانت الجاذبية تنحرف عن الزمكان ، فلماذا لا تخلق تشوهات متحركة؟ & # 8221

أدرك أينشتاين أن هذه الموجات ستكون خفية. فقط شيء مثير هو الذي يمكن أن يصدر إشارة قوية بما يكفي لتوفير فرصة لاكتشافها - شيء مثل اندماج الثقوب السوداء. لكن أينشتاين كان متشككًا في وجود الثقوب السوداء على الإطلاق ، على الرغم من أن آخرين توقعوها بناءً على نظريته.

هذه الشكوك لا تعني أن أينشتاين كان غير آمن. تنبأ بجرأة أن منحنى الفضاء سينتج عنه انحناء مرئي لضوء النجوم حول الشمس. دفع ذلك أفضل علماء الفلك في العالم للرؤية بأنفسهم ، في انتظار كسوف الشمس عام 1919 لجعل سلوك الضوء الخافت من النجوم الخلفية قابلاً للقياس. عندما سئل أينشتاين كيف يشعر إذا تم دحض النسبية من خلال تجربة الكسوف ، أجاب أينشتاين: & # 8220 ثم أشعر بالأسف على الرب العزيز. النظرية صحيحة على أي حال. & # 8221

قال كينيفيك إن أينشتاين كان يعرف متى يكون على يقين. كان لديه حدس جسدي جيد ، وكان يعرف أيضًا متى كان يتجول في منطقة جديدة.

لذلك ربما يكون من المفهوم أنه سيقرر في مرحلة ما إلغاء توقعه لموجة الجاذبية في مقال صحفي رفيع المستوى. بعد فوات الأوان ، يمكن للمرء أن يرى رفض روبرتسون & # 8217s باعتباره سلبيًا مزدوجًا - وهو إنكار لشك أينشتاين & # 8217 الذي أضاف إلى الدعم الإيجابي لفكرته الأصلية.

لم يرَ أينشتاين الأمر بهذه الطريقة. حسب الروايات التاريخية ، كان غاضبًا. قدم الورقة إلى مجلة أخرى - المجلة الأكثر غموضًا لمعهد فرانكلين في فيلادلفيا ، وليس أن أي شيء يحمل اسم أينشتاين و # 8217 قد يكون غامضًا بحلول تلك النقطة من التاريخ. ولكن قبل أن يتمكن أينشتاين من رفض موجاته الجاذبية في تلك المجلة ، حثه روبرتسون بشكل غير مباشر على تغيير رأيه مرة أخرى.

قام روبرتسون بذلك من خلال التعرف على أحد مساعدي أينشتاين ، ليوبولد إنفيلد ، كما قال كينيفيك. لا يبدو أن إنفلد أو أينشتاين كانا على علم بدور روبرتسون في رفض الورقة البحثية ، لأنه من المعتاد أن يكون المراجعون مجهولين. أوضح روبرتسون لـ Infeld لماذا اعتقد أن أينشتاين كان على حق في المرة الأولى. أدى ذلك إلى مناقشات بين أينشتاين وإنفيلد ، وقبل نشر الورقة ، أجرى أينشتاين مراجعات جذرية بحيث دعمت التوقعات الشهيرة الآن بدلاً من دحضها.

من يدري كيف كان التاريخ سينكشف لو سمح روبرتسون لأينشتاين بنشر الورقة الأصلية المضادة للجاذبية. لقد ساعد بالتأكيد أن يكون أينشتاين في الجانب المفضل من الأشياء عندما يتعلق الأمر بمهمة الكشف الصعبة. المشروع الذي أدى في النهاية إلى إشارة إيجابية كلف 1.1 مليار دولار على مدى 40 عامًا. يُطلق عليه مرصد موجات الجاذبية بالليزر للتداخل ، أو LIGO ، وهو مؤهل باعتباره أغلى جهاز تموله مؤسسة العلوم الوطنية على الإطلاق.

تم طرح مفهوم LIGO من قبل الفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Rainer Weiss في عام 1972. وكانت التجربة في شكل كاشفين مزدوجين ، أحدهما بالقرب من هانفورد ، ولاية واشنطن ، والآخر بالقرب من ليفينغستون ، لويزيانا. في كل واحدة ، ينتقل شعاع الليزر إلى أسفل أنابيب على شكل حرف L ، ويمتد كل ذراع حوالي 4 كيلومترات. من الناحية النظرية ، ستحرك موجة الجاذبية المرايا في نهايات هذه الأنابيب مسافة صغيرة لا يمكن تصورها يمكن قياسها بواسطة الليزر.

مر الجهاز بتكرارين - نسخة أولية ظهرت في عام 2010 ونسخة أكثر تقدمًا دخلت على الإنترنت في سبتمبر 2015. في غضون أيام قليلة من بدء التشغيل ، سجل الكاشف المتقدم شيئًا ، يقول الفيزيائيون إنه يناسب وصفه. اثنين من الثقوب السوداء تصادم.

يقول الفيزيائيون إنهم يستطيعون قراءة الكثير من المعلومات في الإشارة. كانوا قادرين على تمييز كتل الثقوب السوداء - 29 و 36 ضعف كتلة الشمس - والمسافة إلى الحدث الذي يبلغ 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض.

إذا اكتشفوا المزيد من الاصطدامات ، يمكن للمشروع أن يمنح العلماء مقياسًا أكثر دقة للمسافات إلى الأشياء البعيدة ومقبض أفضل لمقياس ومعدل تمدد الكون. قد يرصدون تصادمات أخرى بين الأجسام الضخمة المعروفة باسم النجوم النيوترونية ، ويتعرفون على طبيعة هذه الأجسام الغريبة. ثم هناك & # 8217s دائمًا الأمل في أن يجدوا شيئًا غير متوقع تمامًا.

كاتبة العلوم فاي فلام هي مؤلفة & # 8220 النتيجة: كيف شكل البحث عن الجنس الرجل المعاصر. & # 8221

في زمن المعلومات المضللة والكثير من المعلومات ، أصبحت الصحافة الجيدة أكثر أهمية من أي وقت مضى.
من خلال الاشتراك ، يمكنك مساعدتنا في الحصول على القصة بشكل صحيح.


انتهاكًا لآينشتاين ، قد يكون للثقوب السوداء "شعر"

وفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، تمتلك الثقوب السوداء ثلاث خصائص يمكن ملاحظتها فقط: الكتلة والدوران والشحنة. الخصائص الإضافية ، أو "الشعر" ، غير موجودة.

جوناثان O & # x27Callaghan

التوائم المتطابقة ليس لديها أي شيء على الثقوب السوداء. قد ينمو التوائم من نفس المخططات الجينية ، لكن يمكن أن يختلفوا بألف طريقة - من المزاج إلى تصفيفة الشعر. يمكن أن يكون للثقوب السوداء ، وفقًا لنظرية الجاذبية لألبرت أينشتاين ، ثلاث خصائص فقط - الكتلة والدوران والشحنة. إذا كانت هذه القيم هي نفسها لأي ثقبين أسودين ، فمن المستحيل تمييز أحدهما عن الآخر. يقولون إن الثقوب السوداء ليس لها شعر.

قال بول تشيسلر ، عالم الفيزياء النظرية بجامعة هارفارد: "في النسبية العامة الكلاسيكية ، ستكونان متطابقتين تمامًا". "لا يمكنك معرفة الفرق."

ومع ذلك ، بدأ العلماء يتساءلون عما إذا كانت "نظرية عدم الشعر" صحيحة تمامًا. في عام 2012 ، اقترح عالم رياضيات يُدعى ستيفانوس أريتاكيس - في جامعة كامبريدج والآن في جامعة تورنتو - أن بعض الثقوب السوداء قد يكون لديها عدم استقرار في آفاق أحداثها. من شأن عدم الاستقرار هذا أن يمنح بعض مناطق أفق الثقب الأسود جاذبية أقوى من غيرها. من شأن ذلك أن يجعل الثقوب السوداء المتطابقة قابلة للتمييز.

ومع ذلك ، أظهرت معادلاته فقط أن هذا كان ممكنًا لما يسمى بالثقوب السوداء المتطرفة - تلك التي لها قيمة قصوى ممكنة سواء لكتلتها أو لفها أو شحنتها. وبقدر ما نعلم ، "لا يمكن لهذه الثقوب السوداء أن توجد ، على الأقل بالضبط ، في الطبيعة" ، قال تشيسلر.

لكن ماذا لو كان لديك ثقب أسود شبه أقصى ، ثقب اقترب من هذه القيم المتطرفة لكنه لم يصل إليها تمامًا؟ يجب أن يكون مثل هذا الثقب الأسود قادرًا على الوجود ، على الأقل من الناحية النظرية. هل يمكن أن يكون لها انتهاكات يمكن اكتشافها لنظرية اللا شعر؟

تظهر ورقة نشرت أواخر الشهر الماضي أن ذلك ممكن. علاوة على ذلك ، يمكن اكتشاف هذا الشعر بواسطة مراصد موجات الجاذبية.

قال غوراف خانا ، الفيزيائي في جامعة ماساتشوستس وجامعة رود آيلاند وأحد المؤلفين المشاركين: "اقترح Aretakis أساسًا أن هناك بعض المعلومات التي تُركت في الأفق". "تفتح ورقتنا إمكانية قياس هذا الشعر."

على وجه الخصوص ، يقترح العلماء أن بقايا تكوين الثقب الأسود أو الاضطرابات اللاحقة ، مثل سقوط المادة في الثقب الأسود ، يمكن أن تخلق عدم استقرار جاذبي في أو بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود شبه المتطرف. قال خانا: "نتوقع أن تكون إشارة الجاذبية التي نراها مختلفة تمامًا عن الثقوب السوداء العادية غير المتطرفة".

قالت Lia Medeiros ، عالمة الفيزياء الفلكية في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، إذا كان للثقوب السوداء شعر - وبالتالي الاحتفاظ ببعض المعلومات حول ماضيها - فقد يكون لذلك آثار على مفارقة معلومات الثقب الأسود الشهيرة التي طرحها الفيزيائي الراحل ستيفن هوكينج. نيو جيرسي. هذا التناقض يلخص الصراع الأساسي بين النسبية العامة وميكانيكا الكم ، وهما الركيزتان الرئيسيتان لفيزياء القرن العشرين. قال ميديروس: "إذا انتهكت أحد الافتراضات [لمفارقة المعلومات] ، فقد تتمكن من حل هذه المفارقة بنفسها". "أحد الافتراضات هي نظرية اللا شعر."

قد تكون تداعيات ذلك واسعة. قال ميديروس ، الذي شارك في تأليف بحث في أكتوبر تناول ما إذا كانت الهندسة المرصودة للثقوب السوداء متوافقة مع التوقعات.

ربما يكون الجانب الأكثر إثارة في هذه الورقة البحثية الأخيرة هو أنه يمكن أن يوفر طريقة لدمج ملاحظات الثقوب السوداء مع الفيزياء الأساسية. إن اكتشاف الشعر على الثقوب السوداء - ربما أكثر المعامل الفيزيائية الفلكية تطرفًا في الكون - يمكن أن يسمح لنا بسبر أفكار مثل نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية بطريقة لم تكن ممكنة من قبل.

قال ميديروس: "واحدة من المشكلات الكبرى [مع] نظرية الأوتار والجاذبية الكمية هي أنه من الصعب حقًا اختبار تلك التنبؤات". "لذا إذا كان لديك أي شيء يمكن اختباره عن بُعد ، فهذا مذهل."

ومع ذلك ، هناك عقبات كبيرة. ليس من المؤكد وجود الثقوب السوداء شبه القصوى. (عادةً ما تنتج أفضل عمليات المحاكاة في الوقت الحالي ثقوبًا سوداء على بُعد 30٪ من كونها متطرفة ، كما قال تشيسلر). وحتى لو حدث ذلك ، فليس من الواضح ما إذا كانت أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية ستكون حساسة بما يكفي لاكتشاف عدم الاستقرار من الشعر.

علاوة على ذلك ، من المتوقع أن يكون الشعر قصير العمر بشكل لا يصدق ، وأن يدوم فقط لجزء من الثانية.

لكن الورقة نفسها ، على الأقل من حيث المبدأ ، تبدو سليمة. قال تشيسلر: "لا أعتقد أن أي شخص في المجتمع يشك في ذلك"."هذا ليس تخميني. لقد اتضح أن معادلات أينشتاين معقدة للغاية لدرجة أننا نكتشف خصائص جديدة لها على أساس سنوي ".

ستكون الخطوة التالية هي معرفة نوع الإشارات التي يجب أن نبحث عنها في أجهزة الكشف عن الجاذبية - إما LIGO و Virgo ، التي تعمل اليوم ، أو الأدوات المستقبلية مثل أداة LISA الفضائية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية.

قال هيلفي ويتيك ، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة إلينوي ، أوربانا شامبين: "ينبغي على المرء الآن أن يبني على عملهم وأن يحسب حقًا تواتر هذا الإشعاع الثقالي ، وأن يفهم كيف يمكننا قياسه وتحديده". "الخطوة التالية هي الانتقال من هذه الدراسة النظرية الرائعة والمهمة إلى ما سيكون التوقيع."

هناك الكثير من الأسباب التي تجعلك ترغب في القيام بذلك. في حين أن فرص الاكتشاف التي تثبت صحة الورقة ضئيلة ، فإن مثل هذا الاكتشاف لن يتحدى نظرية أينشتاين للنسبية العامة فحسب ، بل يثبت وجود الثقوب السوداء شبه القصوى.

قال خانا: "نود أن نعرف ما إذا كانت الطبيعة ستسمح حتى بوجود مثل هذا الوحش". "سيكون لها آثار دراماتيكية جدًا على مجالنا."

تصحيح: 11 فبراير 2021
أشارت النسخة الأصلية من هذه المقالة إلى أن المنظرين غير قادرين على محاكاة الثقوب السوداء على بعد أكثر من 30٪ من كونها متطرفة. في الواقع ، يمكنهم محاكاة الثقوب السوداء شبه القصوى ، لكن عمليات المحاكاة النموذجية الخاصة بهم تبعد 30٪ عن كونها متطرفة.


كيف اكتشفنا الثقوب السوداء؟

توحد الثقوب السوداء بعضًا من أكثر الموضوعات إثارة للجدل في الفيزياء: نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، وميكانيكا الكم ، وتطور الكون (علم الكونيات) وحتى الدين.

تم تصور فكرة الثقب الأسود لأول مرة من قبل رجل دين بريطاني يهتم بعلم الفلك يُدعى جون ميشيل في أواخر القرن الثامن عشر. أثناء التفكير في اكتشاف النجوم الموجودة في ثنائية (أزواج) أو ثلاثة توائم ، افترض ميشيل أن قوى الجاذبية لنجم ما قد تؤثر على إشعاع الضوء من نجم آخر.

هذه ليست صورة حقيقية للثقب الأسود. يصور انطباع هذا الفنان ثقبًا أسود فائق الكتلة يدور بسرعة محاطة بقرص تراكم.
يتكون هذا القرص الرقيق المكون من مادة دوارة من بقايا نجم شبيه بالشمس تمزق بفعل قوى المد للثقب الأسود. أدت الصدمات في الحطام المتصادم وكذلك الحرارة المتولدة في التراكم إلى انفجار ضوء يشبه انفجار سوبر نوفا. إنفوجرافيك وتعليق بواسطة المرصد الأوروبي الجنوبي ، وكالة الفضاء الأوروبية ، إم كورنميسر

وسعت أفكاره اقتراحه إلى الحد الأقصى & # 8212 وهو نجم ضخم للغاية مع الكثير من الجاذبية بحيث لا يمكن لأي ضوء الهروب ، والذي أطلق عليه "النجم المظلم". سيصل عالم الرياضيات الفرنسي بيير سيمون لابلاس إلى نفس النتيجة النظرية بعد بضع سنوات ، غالبًا ما يُنسب إلى الزوج أصل المفهوم.

اليوم ، نعلم أن الثقوب السوداء تشكل كوننا. تشير الأبحاث الحديثة إلى وجود ثقوب سوداء في مركز كل المجرات الكبيرة تقريبًا ، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة. قال دجكراف إن هذا الدليل & # 8212 وأكثر من ذلك بكثير & # 8212 يشير إلى أن الثقوب السوداء ضرورية لبنية المجرات ، إن لم يكن الكون نفسه.

"هناك العديد والعديد من الأسئلة حول كيفية تشكل هذه الثقوب السوداء ، لا سيما هذه الثقوب السوداء العملاقة في وسط المجرات." قال دجكراف. "هل [الثقوب السوداء فائقة الكتلة] نتيجة تصادم العديد من الثقوب الأصغر ، أم أنها كانت مخبوزة في بداية كوننا؟"


جون أ.ويلر ، الفيزيائي الذي ابتكر مصطلح "الثقب الأسود" ، ميت عن عمر يناهز 96 عامًا

جون ويلر ، الفيزيائي والمعلم صاحب الرؤية الذي ساعد في ابتكار نظرية الانشطار النووي ، أعطى الثقوب السوداء اسمها وجادل حول طبيعة الواقع مع ألبرت أينشتاين ونيلز بور ، توفي صباح الأحد في منزله في هايتستاون ، نيوجيرسي. 96.

وقالت ابنته أليسون ويلر لانستون إن السبب هو الالتهاب الرئوي.

كان الدكتور ويلر أستاذًا شابًا سريع التأثر في عام 1939 عندما وصل بور ، الفيزيائي الدنماركي ومعلمه ، إلى الولايات المتحدة على متن سفينة من الدنمارك وأخبروه أن العلماء الألمان قد نجحوا في تقسيم ذرات اليورانيوم. في غضون أسابيع قليلة ، رسم هو وبوهر نظرية حول كيفية عمل الانشطار النووي. كان بوهر ينوي قضاء الوقت في الجدل مع أينشتاين حول نظرية الكم ، لكنه "قضى وقتًا في التحدث معي أكثر مما قضاه مع آينشتاين" ، كما يتذكر الدكتور ويلر لاحقًا.

بصفته أستاذًا في جامعة برينستون ثم في جامعة تكساس في أوستن ، وضع الدكتور ويلر جدول أعمال لأجيال من علماء الفيزياء النظرية ، مستخدمًا الاستعارة بفاعلية مثل حساب التفاضل والتكامل لالتقاط خيال طلابه وزملائه وطرح أسئلة من شأنها أن ترسلهم عقول متوهجة إلى حواجز مواجهة الطبيعة.

قال ماكس تيجمارك ، عالم الكونيات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، عن الدكتور ويلر ، "بالنسبة لي ، كان آخر تيتان ، بطل الفيزياء الخارق الوحيد الذي ما زال صامدًا."

تحت قيادته ، أصبح برينستون المركز الأمريكي الرائد للأبحاث في الجاذبية أينشتاين ، والمعروفة باسم النظرية العامة للنسبية - وهو مجال كان يحتضر بسبب بعده عن التجارب المعملية.

قال فريمان دايسون ، الباحث في معهد الدراسات المتقدمة عبر المدينة في برينستون: "لقد أعاد تنشيط النسبية العامة وجعلها موضوعًا تجريبيًا وأخذها بعيدًا عن علماء الرياضيات".

من بين طلاب الدكتور ويلر كان ريتشارد فاينمان من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، الذي استغل اقتراحًا مجنونًا للدكتور ويلر في العمل الذي أدى إلى الحصول على جائزة نوبل. وكان آخر هو هيو إيفريت ، الذي حصل على درجة الدكتوراه. أطروحة تحت إشراف الدكتور ويلر حول ميكانيكا الكم تصورت أكوانًا بديلة متوازية تتفرع وتنقسم إلى ما لا نهاية - وهي فكرة أطلق عليها برايس ديويت ، من جامعة تكساس في أوستن ، "العديد من العوالم" والتي أصبحت مفضلة لدى العديد من علماء الكونيات بالإضافة إلى العلوم كتاب الخيال.

قال الدكتور فاينمان ذات مرة ، متذكرًا أيام دراسته ، "يعتقد بعض الناس أن ويلر أصيب بالجنون في سنواته الأخيرة ، لكنه دائمًا ما يكون مجنونًا."

ولد جون أرشيبالد ويلر - كان جوني ويلر لأصدقائه وزملائه العلماء - في 9 يوليو 1911 ، في جاكسونفيل ، فلوريدا ، وهو أكبر طفل في عائلة من أمناء المكتبات ، وحصل على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة جونز هوبكنز في سن 21 عامًا. مع تصريحات متناقضة حول طبيعة الواقع.

قال الدكتور ويلر: "يمكنك التحدث عن أشخاص مثل بوذا ، وعيسى ، وموسى ، وكونفوشيوس ، ولكن الشيء الذي أقنعني بوجود مثل هؤلاء الأشخاص هو المحادثات مع بوهر".

تجددت علاقتهما عندما وصل بوهر في عام 1939 مع الأخبار المشؤومة للانشطار النووي. في النموذج الذي طوره هو والدكتور ويلر لشرح ذلك ، تشبه النواة الذرية ، التي تحتوي على البروتونات والنيوترونات ، قطرة سائل. عندما يضربه نيوترون منبعث من نواة أخرى متحللة ، يبدأ هذا "القطرة السائلة" بالاهتزاز ويستطيل إلى شكل الفول السوداني الذي ينقسم في النهاية إلى قسمين.

بعد ذلك بعامين ، تم اجتياح الدكتور ويلر في مشروع مانهاتن لبناء قنبلة ذرية. للأسف الشديد ، لم تكن القنبلة جاهزة في الوقت المناسب لتغيير مسار الحرب في أوروبا وربما إنقاذ شقيقه جو ، الذي توفي في معركة في إيطاليا عام 1944.

واصل الدكتور ويلر القيام بالأعمال الحكومية بعد الحرب ، حيث قاطع بحثه للمساعدة في تطوير القنبلة الهيدروجينية ، وتعزيز بناء ملاجئ التداعيات ودعم حرب فيتنام والدفاع الصاروخي ، حتى مع تعارض آرائه مع آراء زملائه الأكثر ليبرالية. .

تم توبيخ الدكتور ويلر رسميًا من قبل الرئيس دوايت دي أيزنهاور لفقده وثيقة سرية على متن قطار ، لكنه حصل أيضًا على جائزة إنريكو فيرمي من لجنة الطاقة الذرية من الرئيس ليندون جونسون في عام 1968.

عندما حصل الدكتور ويلر على الإذن في عام 1952 لتدريس مقرر عن الجاذبية الآينشتينية ، لم يكن يعتبر مجالًا مقبولًا للدراسة. ولكن في تعزيز النسبية العامة ، ساعد في تغيير الموضوع في الستينيات ، في الوقت الذي أسس فيه دينيس سياما ، في جامعة كامبريدج في إنجلترا ، وياكوف بوريسوفيتش زيلدوفيتش ، في جامعة موسكو الحكومية ، مجموعات ولدت جيلًا جديدًا من منظري الجاذبية وعلماء الكونيات. .

جذب أحد الجوانب المعينة لنظرية أينشتاين انتباه الدكتور ويلر. في عام 1939 ، اقترح ج.روبرت أوبنهايمر ، الذي أصبح فيما بعد قائدًا في مشروع مانهاتن ، والطالب ، هارتلاند سنايدر ، أن معادلات أينشتاين قدمت تنبؤًا مروعيًا. يمكن لنجم ميت ذي كتلة كافية أن ينهار إلى كومة كثيفة لدرجة أن الضوء لا يستطيع الهروب منها. سوف ينهار النجم إلى الأبد بينما يلتف الزمكان حوله مثل عباءة مظلمة. في المركز ، سيكون الفضاء منحنيًا بلا حدود والمادة كثيفة للغاية ، وهي سخافة ظاهرة تُعرف باسم التفرد.

قاوم الدكتور ويلر هذا الاستنتاج في البداية ، مما أدى إلى مواجهة مع الدكتور أوبنهايمر في مؤتمر في بلجيكا عام 1958 ، قال فيه الدكتور ويلر إن نظرية الانهيار "لا تعطي إجابة مقبولة" لمصير المادة في مثل هذا نجم. قال الدكتور تشارلز ميسنر ، الأستاذ في جامعة ميريلاند والطالب السابق ، "كان يحاول محاربة فكرة أن قوانين الفيزياء يمكن أن تؤدي إلى التفرد". باختصار ، كيف يمكن للفيزياء أن تؤدي بحد ذاتها إلى انتهاك - إلى عدم وجود فيزياء؟

أخيرًا تم إحضار الدكتور ويلر وآخرون عندما طور ديفيد فينكلشتاين ، وهو الآن أستاذ فخري في جامعة جورجيا للتكنولوجيا ، تقنيات رياضية يمكن أن تعالج كلاً من الداخل والخارج للنجم المنهار.

في مؤتمر في نيويورك في عام 1967 ، استغل الدكتور ويلر اقتراحًا صرخه الجمهور ، وضرب اسم "الثقب الأسود" لإضفاء الطابع الدرامي على هذا الاحتمال الرهيب للنجم والفيزياء.

الثقب الأسود "يعلمنا أن الفضاء يمكن أن يتفتت مثل قطعة من الورق إلى نقطة متناهية الصغر ، وأن الوقت يمكن إخماده مثل اللهب المنفجر ، وأن قوانين الفيزياء التي نعتبرها" مقدسة "وغير قابلة للتغيير ، كتب في سيرته الذاتية عام 1999 ، "Geons، Black Holes & amp Quantum Foam: A Life in Physics." (شارك في تأليفها كينيث فورد ، وهو طالب سابق ومدير متقاعد للمعهد الأمريكي للفيزياء).

في عام 1973 ، نشر الدكتور ويلر وطالبان سابقان ، هما الدكتور ميسنر وكيب ثورن ، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، كتاب "Gravitation" ، وهو كتاب من 1،279 صفحة يتميز بأسلوب بارع وإمكانية الوصول إليه - وهو عبارة عن حاجز مع أشرطة جانبية ورسومات شخصية علماء الفيزياء - يكذب موضوعه الثقل وثقله. لم ينفد من الطباعة.

في الصيف ، كان الدكتور ويلر يتقاعد مع عائلته الممتدة إلى مجمع في هاي آيلاند ، لي ، لينغمس في ذوقه للألعاب النارية بإطلاق النار على علب البيرة من مدفع قديم.

تزوج هو وجانيت في عام 1935. وتوفيت في أكتوبر 2007 عن عمر يناهز 99 عامًا. نجا الدكتور ويلر من أبنائهما الثلاثة ، السيدة لانستون وليتيتيا ويلر أوفورد ، وكلاهما من برينستون جيمس إنجلش ويلر من أردمور ، بنسلفانيا. 8 أحفاد ، 16 عظيمًا - الأحفاد ، و 6 من أبناء الأحفاد ، و 11 من أبناء الأحفاد.

في عام 1976 ، في مواجهة التقاعد الإلزامي في جامعة برينستون ، انتقل الدكتور ويلر إلى جامعة تكساس.

في الوقت نفسه ، عاد إلى الأسئلة التي حركت آينشتاين وبوهر ، حول طبيعة الواقع كما كشفتها القوانين الغريبة لميكانيكا الكم. كان حجر الزاوية في تلك الثورة هو مبدأ عدم اليقين ، الذي طرحه فيرنر هايزنبرغ في عام 1927 ، والذي بدا أنه يضع حدودًا أساسية لما يمكن معرفته عن الطبيعة ، معلنًا ، على سبيل المثال ، أنه من المستحيل ، حتى من الناحية النظرية ، معرفة كل من السرعة. وموقع الجسيم دون الذري. معرفة أحدهما دمر القدرة على قياس الآخر. نتيجة لذلك ، حتى تمت ملاحظتها ، كانت الجسيمات والأحداث دون الذرية موجودة في نوع من السحابة الاحتمالية التي أشار إليها الدكتور ويلر أحيانًا باسم "التنين الدخاني".

أحبط هذا النوع من التفكير أينشتاين ، الذي سأل الدكتور ويلر ذات مرة عما إذا كان القمر لا يزال موجودًا عندما لم ينظر إليه أحد.

لكن الدكتور ويلر تساءل عما إذا كان عدم اليقين الكمي هذا ينطبق بطريقة ما على الكون وتاريخه بأكمله ، وما إذا كان هو المفتاح لفهم سبب وجود أي شيء على الإطلاق.

كتب الدكتور ويلر في عام 1981. "لم نعد راضين عن الرؤى حول الجسيمات أو مجالات القوة أو الهندسة أو حتى المكان والزمان". "اليوم نطالب الفيزياء ببعض الفهم للوجود نفسه".

في الاحتفال التسعين بعيد ميلاده عام 2003 ، قال الدكتور دايسون إن الدكتور ويلر كان جزئيًا آلة حاسبة بسيطة ، و "حرفيًا ماهرًا" ، قام بفك شفرة الانشطار النووي ، وشاعرًا جزئيًا. قال: "الشاعر ويلر نبي ، واقفًا مثل موسى على قمة جبل بسجة ، ينظر إلى أرض الميعاد التي سيرثها شعبه يومًا ما". قال Wojciech Zurek ، عالم نظرية الكم في مختبر لوس ألاموس الوطني ، إن أكثر تأثير دائم للدكتور ويلر قد يكون الطلاب الذين "نشأهم". كتب في رسالة بريد إلكتروني ، "أعلم أنني قد تحوّلت إلى عالم من قبله - ليس فقط من خلال الاستماع إليه في الفصل ، أو بفكرته الفيزيائية: أعتقد أن أكثر أهمية كانت ثقته بي".

وصف الدكتور ويلر وجهة نظره حول دوره لمحاور قبل 25 عامًا.

قال: "إذا كان هناك شيء واحد في الفيزياء أشعر بالمسؤولية تجاهه أكثر من أي شيء آخر ، فهو هذا التصور لكيفية انسجام كل شيء معًا". "أحب أن أفكر في نفسي على أنه شعور بالحكم. أنا على استعداد للذهاب إلى أي مكان ، والتحدث إلى أي شخص ، وطرح أي سؤال من شأنه أن يحرز تقدمًا.

"أعترف بأنني متفائل بشأن الأشياء ، خاصة فيما يتعلق بأنني قادر على فهم كيفية تجميع الأشياء في يوم من الأيام. يضطر الكثير من الشباب إلى التخصص في سطر أو آخر بحيث لا يستطيع الشاب تحمل تكلفة محاولة تغطية هذه الواجهة البحرية - فقط ضبابي قديم يمكنه أن يخدع نفسه.



اكتشاف الثقوب السوداء: من النظرية إلى الواقعية

يسحب الثقب الأسود المسمى Cygnus X-1 المادة من النجم الأزرق العملاق الفائق بالقرب منه. (الصورة: NASA-CXC-M. Weiss / www.nasa.gov)

أينشتاين يرفض الثقوب السوداء

على الرغم من أن علماء الفلك والفيزياء قد تعلموا الكثير عن النجوم في الخمسة عشر عامًا التي تلت اكتشاف النسبية العامة - بما في ذلك الوجود المحتمل للأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية - فإن آراء ألبرت أينشتاين حول هذا الموضوع لم تتغير بشكل جوهري.

في عام 1939 ، كتب ورقته الأولى والوحيدة عن الثقوب السوداء ، بعنوان "في نظام ثابت مع تناظر كروي يتكون من العديد من كتل الجاذبية." في هذه المقالة ، شرع أينشتاين في حساب كيف ستتصرف مجموعة كبيرة من الجسيمات عندما تنهار تحت تأثير قوة الجاذبية.

هذا نص من سلسلة الفيديو ما أخطأ أينشتاين. شاهده الآن على Wondrium.

أدى رأي ألبرت أينشتاين بأن الثقوب السوداء لا يمكن أن توجد في الطبيعة أبدًا إلى جعل معظم الفيزيائيين المتخصصين في النسبية يرفضون كل الحديث عن الثقوب السوداء لسنوات عديدة. (الصورة: دوريس أولمان / المجال العام)

جادل أينشتاين بأن الجسيمات & # 8217 الزخم الزاوي سيمنعها من الانهيار إلى أجل غير مسمى وأن هذا سيمنع الثقب الأسود من التكون على الإطلاق. في هذا الاستنتاج ، كان مخطئًا تمامًا.

إن تحيز أينشتاين بأن الثقوب السوداء لا يمكن أن توجد في الطبيعة أبدًا أعمته عن جميع الحجج التي تشير إلى عكس ذلك ، مما دفعه إلى رفض أحد أكثر الجوانب التي لا تصدق في نظريته.

والأسوأ من ذلك ، أن رأي أينشتاين كان يحظى بتقدير كبير لدرجة أن معظم علماء الفيزياء المتخصصين في النسبية يميلون إلى رفض كل الحديث عن الثقوب السوداء لسنوات عديدة بعد ذلك. لعقود من الزمان ، نادراً ما تم ذكر هذه الأشياء في الأدبيات العلمية.

علاوة على ذلك ، انخفض الاهتمام بالنسبية العامة بشكل كبير خلال هذه الفترة. لم يكن الأمر كثيرًا لدرجة أن علماء الفيزياء يشككون في صحة نظرية أينشتاين ، فهم ببساطة لم يجدوا العديد من الاستخدامات العملية لها.

تشبه التنبؤات التي قدمتها النسبية العامة ، في معظم الحالات ، تنبؤات نيوتن القديمة. لم يكن هناك الكثير الذي يمكن القيام به في المختبر إما لاختبار النظرية بشكل أكبر أو استكشاف آثارها.

نهضة النسبية العامة

بعد سنوات قليلة من وفاة أينشتاين في عام 1955 ، بدأ الاهتمام بالنسبية العامة في الظهور مجددًا. في جميع أنحاء العالم ، بدأت مجموعات صغيرة من الفيزيائيين في استكشاف الآثار الأعمق والأغرب لنظرية أينشتاين العامة.

كان الفيزيائي والرياضي البريطاني الشاب روجر بنروز أحد الشخصيات الرئيسية في نهضة النسبية العامة. أصبح بنروز مهتمًا بالنسبية لأول مرة عندما كان طالبًا جامعيًا في كلية لندن الجامعية.

ومع ذلك ، خلال هذه الفترة ، كان القليل من علماء الفيزياء يعرفون الكثير عن النسبية العامة. لم يكن لدى بنروز خيار سوى تعليم نفسه حول هذا الموضوع ، وتمكن من تعلم النسبية العامة من الكتب والأوراق بدلاً من أساتذته.

ثم ذهب بنروز لدراسة الرياضيات في كامبريدج ، حيث حصل على درجة الدكتوراه ، ثم بحث عن فترات قصيرة في جامعة برينستون ولندن وسيراكوز وجامعة تكساس في أوستن.

في ذلك الوقت ، كانت أوستن موقعًا لأحد التركيزات القليلة للفيزيائيين الذين كانوا يدرسون النسبية العامة بنشاط. من بين أمور أخرى ، التقى بنروز بالفيزيائي روي كير في أوستن.

كان كير قادرًا على إيجاد حل لمعادلات مجال أينشتاين يكون أكثر عمومية وقوة من تلك التي وجدها كارل شوارزشيلد. على وجه الخصوص ، في حين أن نتيجة Schwarzschild تصف فقط الأجسام الثابتة ، فإن حل Kerr يسمح أيضًا بإمكانية دوران الثقوب السوداء.

إثبات وجود الثقوب السوداء

أثبت عالم الفيزياء والرياضيات البريطاني روجر بنروز أنه في ظل ظروف معينة ، سيكون النجم المنهار مضمونًا لتكوين ثقب أسود. (الصورة: بيسواروب جانجولي / المجال العام)

في ذلك الوقت ، اعتقد القليل من الفيزيائيين أن الثقوب السوداء موجودة بالفعل - إذا فكروا في الأمر على الإطلاق. لكن في عام 1965 ، توصل بنروز إلى اكتشاف من شأنه أن يقلب وجهة النظر هذه رأساً على عقب.

باستخدام نوع من الرياضيات يختلف تمامًا عن أي شيء استخدمه أينشتاين على الإطلاق ، تمكن Penrose من إثبات أنه ، في ظل ظروف معينة ، سيكون النجم المنهار مضمونًا لتكوين ثقب أسود. على وجه الخصوص ، إذا كان النجم المنهار ضخمًا بدرجة كافية ، فإن تكوين الثقب الأسود أمر لا مفر منه تمامًا.

في كانون الثاني (يناير) من عام 1965 ، نشر بنروز ورقة قصيرة من ثلاث صفحات بعنوان "انهيار الجاذبية وتفردات الزمكان". في ذلك الوقت ، عارضت حجة بنروز بشدة الحكمة التقليدية لمجتمع الفيزياء.

جادل الكثيرون ، كما فعل أينشتاين منذ فترة طويلة ، بأن تعقيدات النجوم الحقيقية المنهارة ستمنعها من تكوين ثقوب سوداء.

لكن حجة بنروز الرياضية كانت مقنعة. على مدى السنوات القليلة التالية ، تغيرت آراء العديد من الفيزيائيين. بحلول نهاية الستينيات ، أصبحت وجهة نظر سائدة مفادها أن الثقوب السوداء ، في الواقع ، من المحتمل - إن لم تكن مضمونة - في الطبيعة.

كيف تؤثر الثقوب السوداء على النجوم المحيطة

مع اقتناع المزيد والمزيد من علماء الفيزياء بوجود الثقوب السوداء ، بدأ الاهتمام بالطرق التي يمكن بها اكتشاف هذه الأجسام أو مراقبتها. كان عالم الفيزياء الروسي ياكوف زيلدوفيتش من أوائل العلماء الذين عملوا بنشاط على هذه المسألة.

طوال حياته المهنية ، قدم Zel & # 8217dovich مساهمات كبيرة في كل مجال تقريبًا من مجالات الفيزياء وعلم الفلك ، بما في ذلك علوم المواد ، وفيزياء الجسيمات ، والنسبية ، والفيزياء الفلكية ، وعلم الكونيات ، والفيزياء النووية - بما في ذلك العمل الذي قام به في برنامج الأسلحة السوفيتي.

اقترح الفيزيائي الروسي ياكوف زيلودوفيتش أنه يمكن اكتشاف الثقب الأسود من خلال دراسة حركة النجوم القريبة. (الصورة: MARKA Publishing & amp Trading Center / Public domain)

في أوائل الستينيات ، اقترح زيلودوفيتش أن وجود الثقوب السوداء يمكن الاستدلال عليه بشكل غير مباشر من خلال دراسة حركة النجوم الأخرى القريبة. وقال إن الثقب الأسود غير المرئي من شأنه أن يتسبب في تذبذب نجم آخر داخل نظامه الشمسي ذهابًا وإيابًا مع فترة منتظمة.

إذا تمكن العلماء بطريقة ما من ملاحظة مثل هذا النجم المتذبذب ، فيمكنهم تحديد الثقب الأسود ، وحتى قياس كتلته.

بدلاً من ذلك ، جادل زيلودوفيتش أنه في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يكون للثقب الأسود تأثير كبير على المواد المحيطة به. تجذب جميع الأجسام الفيزيائية الفلكية المادة وتراكمها من خلال قوة جاذبيتها.

ولكن على عكس النجوم أو الكواكب العادية ، فإن المادة التي تسقط باتجاه الثقب الأسود سوف تتسارع إلى ما يقرب من سرعة الضوء مع اقترابها. علاوة على ذلك ، فإن هذه المادة المتساقطة ستلتف حول الثقب الأسود مثل سائل يجري في البالوعة.

نظرًا لأن هذه المادة تتحرك بسرعة الضوء تقريبًا ، فإنها تصل إلى درجات حرارة بملايين الدرجات. جادل زيلودوفيتش بأن مثل هذه الأنظمة ستطلق كميات هائلة من الطاقة ويمكن أن يرصدها علماء الفلك ، حتى على مسافات بعيدة جدًا.

سر Cygnus X-1

ترك لغز الجسم الفلكي الغريب المعروف باسم Cygnus X-1 علماء الفلك في حيرة من أمرهم. اكتشف علماء الفلك لأول مرة في عام 1964 ، إلا أن ملاحظات هذا الجسم في عام 1970 كشفت عن بعض خصائصه الأكثر غرابة.

لوحظ أن Cygnus X-1 يطلق ومضات شديدة السطوع من الأشعة السينية عدة مرات كل ثانية. أشارت المدة القصيرة لضوء الأشعة السينية هذا إلى أن كل ما ينبعث منها لم يكن كبيرًا جدًا وفقًا للمعايير الفلكية - لا يزيد عرضه عن جزء من ثانية من الضوء.

بمعنى آخر ، لن يتجاوز الجسم 100000 كيلومتر أو نحو ذلك. يتم إنتاج الأشعة السينية فقط في البيئات شديدة الحرارة بملايين الدرجات.

في العام التالي ، اكتشفت الملاحظات الراديوية في اتجاه Cygnus X-1 نجمًا عملاقًا أزرق. ومع ذلك ، فإن هذا النجم أكبر من أن يولد الوميض السريع للأشعة السينية الذي تم رصده.

لتفسير إنتاج الأشعة السينية المرصودة ، استنتج علماء الفلك أن جزءًا من غاز هذا النجم تمزق بطريقة ما ، ثم تسخينه إلى درجات حرارة عالية جدًا. في وقت لاحق من نفس العام ، بدأت ملاحظات أخرى في الكشف عن اهتزاز العملاق الأزرق العملاق - تمامًا كما اقترح زيلدوفيتش قبل عقد من الزمن.

من التذبذب المرصود ، كان من الواضح لعلماء الفلك أن الجسم القريب كان ضخمًا للغاية - أكبر من أن يكون نجمًا نيوترونيًا.

مع استمرار تحسن جودة الملاحظات على مدار السنوات التي تلت ذلك ، أصبح من الواضح أن Cygnus X-1 كان ثقبًا أسود. بحلول أواخر السبعينيات ، توصل معظم علماء الفيزياء الفلكية إلى قبول هذا الاستنتاج ، وكذلك الاستنتاج القائل بأن الثقوب السوداء موجودة بالفعل في كوننا.

Cygnus X-1 ، ثقب أسود يبعد عنا حوالي 6000 سنة ضوئية (يمين) يمتص الغاز من نجم عملاق قريب يسمى HDE 226868. (30 ضعف كتلة شمسنا) (الصورة: ESA-Hubble / www.nasa. حكومة)

من المعروف الآن أن Cygnus X-1 عبارة عن ثقب أسود يبعد عنا حوالي 6000 سنة ضوئية ، وحوالي 15 ضعف كتلة الشمس. عند هذه الكتلة ، يبلغ نصف قطر شفارتزشيلد لهذا الثقب الأسود حوالي 44 كيلومترًا.

أي شيء داخل هذا الشعاع مفقود إلى الأبد من وجهة نظرنا. وبمعنى ما ، ضاع من كوننا نفسه.

الثقوب السوداء من حولنا

في العقود التي أعقبت تحديد أن Cygnus X-1 هو ثقب أسود ، اكتشف علماء الفلك وعلماء الفيزياء الفلكية العديد من الثقوب السوداء الأخرى في كوننا. يتضمن ذلك عشرات الثقوب السوداء التي كان يُعتقد في السابق أنها نجوم ضخمة ، على غرار Cygnus X-1.

أيضًا ، تم اكتشاف العديد من الثقوب السوداء الأكبر حجمًا والأكثر ضخامة. مركز مجرة ​​درب التبانة ، على سبيل المثال ، هو مضيف لثقب أسود هائل ، كتلته تساوي حوالي أربعة ملايين ضعف كتلة الشمس.

يستضيف مركز مجرتنا درب التبانة ثقبًا أسود هائلاً ، كتلته تساوي حوالي أربعة ملايين ضعف كتلة الشمس. (الصورة: ESA-C. Carreau / www.nasa.gov)

يُعتقد الآن عمومًا أن معظم المجرات الحلزونية والإهليلجية تحتوي على ثقب أسود هائل في مراكزها.

على الرغم من أن معظم هذه الثقوب السوداء الهائلة تتشابه في كتلتها مع تلك الموجودة في مركز مجرة ​​درب التبانة ، فإن بعض المجرات تحتوي على ثقوب سوداء أكبر ، بكتل تُقاس بالمليارات ، وليس بالملايين فقط من الكتل الشمسية.

الثقوب السوداء هي نتيجة لنظرية النسبية العامة لأينشتاين. ومع ذلك ، لم يقبل أينشتاين أبدًا أن الثقوب السوداء كانت موجودة - أو حتى يمكن - أن توجد في كوننا.

أسئلة شائعة حول اكتشاف الثقوب السوداء

على الرغم من أن النسبية العامة لأينشتاين & # 8217s تنبأت بالثقوب السوداء ، غالبًا ما يُنسب إلى كارل شوارزشيلد اكتشافها. حتى هذه الحقيقة يصعب ذكرها بيقين مطلق ، على الرغم من أن كير من بعده حدد بشكل أفضل ما هي الثقوب السوداء. كان روجر بنروز هو من أثبت وجودهم كنجوم منهارة.

يقدر العلماء أن جميع المجرات الكبيرة تقريبًا بها ثقوب سوداء فائقة الضخامة في مركزها ، مما قد ينتج عنه مليارات المليارات.

نعم فعلا. أكد العلماء وجود ثقب أسود هائل في مركز مجرة ​​درب التبانة.

يعتقد العلماء أنه عندما تتشكل المجرة ، يتشكل ثقبها الأسود في نفس الوقت.


شاهد الفيديو: آينشتاين رأى الثقب الأسود