الثقوب السوداء
الثقب الأسود هو منطقة من الزمكان منحنية بشدة لدرجة أنه لا شيء، ولا حتى الضوء، يمكن أن يفلت من داخل أفق حدثه؛ وتُعد الثقوب السوداء من أبرز تنبؤات النسبية العامة ويتم رصدها الآن بشكل مباشر.
Definition
الثقب الأسود هو منطقة من الزمكان يحدها أفق حدث، وهو سطح ذو اتجاه واحد لا يمكن لأي إشارة من داخله أن تصل إلى مراقبين بعيدين، ويتشكل عندما تُضغط المادة داخل نصف قطر شفارتزشيلد الخاص بها، ويتميز في حالة التوازن فقط بالكتلة والزخم الزاوي والشحنة.
Scope
تغطي هذه المنطقة تعريف الثقوب السوداء وبنيتها: آفاق الحدث والتفردات التي تحويها، ونظريات "لا شعر" التي تختزل الثقب الأسود الثابت إلى الكتلة والشحنة والدوران، وهندسة كير الدوارة وريسنر-نوردستروم المشحونة، وقوانين ميكانيكا الثقوب السوداء وتفسيرها الديناميكي الحراري بما في ذلك إشعاع هوكينغ، والانهيار الثقالي الذي يشكل الثقوب السوداء.
Sub-topics
Core questions
- ما الذي يحدد أفق الحدث وماذا يكمن وراءه؟
- لماذا يوصف الثقب الأسود الثابت بثلاثة أرقام فقط؟
- كيف تجعل التأثيرات الكمومية الثقوب السوداء تشع وتمتلك إنتروبيا؟
- كيف تتشكل الثقوب السوداء الفلكية عن طريق الانهيار الثقالي؟
Key concepts
- أفق الحدث
- التفرد
- نظرية "لا شعر"
- إنتروبيا الثقب الأسود
- إشعاع هوكينغ
- الانهيار الثقالي
Key theories
- نظرية "لا شعر"
- يتميز الثقب الأسود الثابت في النسبية العامة بشكل كامل بكتلته وزخمه الزاوي وشحنته الكهربائية، بحيث تُفقد جميع التفاصيل الأخرى للمادة التي شكلته خلف الأفق.
- نظريات التفرد
- أثبت بنروز وهوكينغ أنه، في ظل ظروف طاقة وسببية معقولة، يجب أن يؤدي الانهيار الثقالي والكون المبكر إلى إنتاج تفردات الزمكان، مما يؤكد أن التفردات هي سمات عامة للنسبية العامة وليست نتاجًا للتماثل.
- إشعاع هوكينغ
- تتنبأ نظرية الحقل الكمومي بالقرب من الأفق بأن الثقب الأسود يبعث إشعاعًا حراريًا عند درجة حرارة تتناسب عكسيًا مع كتلته، بحيث تتبخر الثقوب السوداء ببطء، مما يربط الجاذبية ونظرية الكم والديناميكا الحرارية.
Clinical relevance
تُعد الثقوب السوداء محورية في الفيزياء الفلكية الحديثة: تتشكل الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية من انهيار النجوم الضخمة وتُشغل الثنائيات النجمية التي تصدر الأشعة السينية، وتُثبت الثقوب السوداء فائقة الكتلة المجرات وتُحرك النوى المجرية النشطة، وتُعد عمليات اندماج الثقوب السوداء أعلى مصادر موجات الجاذبية التي تم اكتشافها حتى الآن.
History
كانت الثقوب السوداء، التي كانت ضمنيًا في حل شفارتزشيلد عام 1916، تُعتبر غير فيزيائية لفترة طويلة حتى قام أوبنهايمر وسنايدر بنمذجة الانهيار في عام 1939؛ وقد أثبتت نظرية التفرد لبنروز عام 1965، وتسمية ويلر لـ'الثقب الأسود'، ونتائج نظرية 'لا شعر'، واكتشاف بيكنشتاين-هوكينغ للديناميكا الحرارية للثقوب السوداء في السبعينيات من القرن الماضي أنها أجسام مركزية، وقد تم تأكيدها لاحقًا من خلال ملاحظات موجات الجاذبية وتلسكوب أفق الحدث.
Debates
- مفارقة المعلومات
- أشار حساب هوكينغ إلى أن الثقب الأسود المتبخر يدمر المعلومات، مما يتعارض مع وحدوية ميكانيكا الكم؛ ولا يزال التوفيق بين الاثنين، من خلال الهولوغرافيا أو الجدران النارية أو الارتباطات الدقيقة في الإشعاع، يمثل مشكلة نشطة وغير محلولة.
Key figures
- Roger Penrose
- Stephen Hawking
- Jacob Bekenstein
- John Wheeler
- Roy Kerr
Related topics
Seminal works
- penrose1965
- hawking1975
Frequently asked questions
- هل يمكنك رؤية ما يحدث داخل الثقب الأسود؟
- ليس من الخارج: يمنع أفق الحدث أي إشارة من الداخل من الوصول إلى مراقبين بعيدين، لذا فإن الداخل منفصل سببيًا؛ يمكن للمراقب الذي يسقط فيه من حيث المبدأ أن يستكشفه ولكنه لا يستطيع أبدًا الإبلاغ عبر الأفق.
- هل تدوم الثقوب السوداء إلى الأبد؟
- كلاسيكيًا نعم، لكن إشعاع هوكينغ يتسبب في فقدانها للكتلة وتبخرها في النهاية؛ والجدول الزمني طويل فلكيًا للثقوب السوداء النجمية والأكبر، لذا فإن الثقوب السوداء الفلكية دائمة بشكل فعال على أي مقياس زمني بشري أو كوني تم النظر فيه حتى الآن.