داخل الثقب الأسود ، يكون انحناء الزمان كبيرًا للغاية بحيث لا يمكن للضوء أن يفلت ، ولا يمكن للجزيئات ، تحت أي ظرف من الظروف. يجب أن يكون التفرد ، استنادًا إلى قوانين الفيزياء الحالية لدينا ، حتمية. صورة الائتمان: مستخدم Pixabay JohnsonMartin.

يجب أن يكون للثقوب السوداء تفرد ، كما يقول آينشتاين النسبية

ما لم تتمكن من صنع قوة تسير بسرعة أكبر من سرعة الضوء ، فإن التفرد أمر لا مفر منه.

كلما زادت الكتلة التي تضعها في مساحة صغيرة ، زاد قوة الجاذبية. وفقًا للنظرية النسبية العامة لآينشتاين ، يوجد حد فيزيائي فلكي لكيفية الحصول على شيء كثيف ولا يزال كائنًا مجهريًا ثلاثي الأبعاد. تجاوز هذه القيمة الحرجة ، ومن المقدر أن تصبح ثقبًا أسودًا: منطقة فضاء حيث يكون الجاذبية قويًا للغاية بحيث تخلق أفقًا للحدث ، ومنطقة لا يمكن للهروب من خلالها. بغض النظر عن السرعة التي تتحرك بها ، ومدى سرعة تسريعك ، أو حتى إذا كنت تتحرك عند الحد الأقصى للسرعة القصوى للكون - سرعة الضوء - لا يمكنك الخروج. لقد تساءل الناس في كثير من الأحيان عما إذا كان هناك شكل ثابت من المادة شديدة الكثافة داخل أفق الحدث الذي سيصمد أمام انهيار الجاذبية ، وما إذا كان التفرد لا مفر منه حقًا. لكن إذا طبقت قوانين الفيزياء كما نعرفها اليوم ، فلا يمكنك تجنب التفرد. ها هو العلم وراء السبب.

النجم النيوتروني ببطء شديد الدوران في قلب بقايا السوبرنوفا RCW 103 هو أيضا المغناطيس. في عام 2016 ، أكدت البيانات الجديدة من مجموعة متنوعة من الأقمار الصناعية هذا كنجم نيوتروني أبطأ تم العثور عليه على الإطلاق. يمكن أن تؤدي المستعرات الأعظمية الضخمة إلى ثقب أسود ، لكن النجوم النيوترونية قد تكون أكثر الأجسام المادية كثافة التي يمكن أن تخلقها الطبيعة دون تفرد. صورة الائتمان: الأشعة السينية: NASA / CXC / University of Amsterdam / N.Rea et al؛ البصرية: DSS.

تخيل أن أكثر الأجسام كثافة يمكنك أن تجعله ليس بعد ثقب أسود. عندما تصبح النجوم الضخمة مستعرًا أعظميًا ، يمكن أن يصنعوا إما ثقبًا أسود (إذا كانوا فوق عتبة حرجة) ، ولكن بشكل أكثر شيوعًا سوف يرون أن قلبهم ينهار ليشكل نجمًا نيوترونيًا. النجم النيوتروني هو في الأساس نواة ذرية هائلة: مجموعة مترابطة من النيوترونات أكثر كثافة من الشمس ، ولكنها موجودة في منطقة من الفضاء على بعد بضعة كيلومترات فقط. من المتصور أنه إذا تجاوزت الكثافة المسموح بها في قلب النجم النيوتروني ، فقد تنتقل إلى حالة أكثر تركيزًا: بلازما كوارك-غلوون ، حيث الكثافة كبيرة لدرجة أنه لم يعد من المنطقي التفكير في المسألة في وجود الهياكل الفردية ملزمة.

قزم أبيض أو نجم نيوتروني أو حتى نجم كوارك غريب لا يزال مصنوعًا من الفرميونات. يساعد ضغط تنكسات Pauli في كبح بقايا النجوم ضد الانهيار التثاقلي ، مما يحول دون تكوين ثقب أسود. رصيد الصورة: CXC / M. فايس.

لماذا يمكن أن يكون لدينا أي شيء على الإطلاق ، داخل قلب مثل هذا الجسم الكثيف؟ لأن هناك شيئًا ما يجب أن يمارس قوة خارجية ، يحافظ على المركز ضد الانهيار الجاذبي. بالنسبة لكائن منخفض الكثافة مثل الأرض ، فإن القوة الكهرومغناطيسية كافية للقيام بذلك. الذرات التي صنعناها من النوى والإلكترونات ، وقذائف الإلكترون تضغط ضد بعضها البعض. لأن لدينا القاعدة الكمومية لمبدأ استبعاد Pauli ، الذي يمنع أي فرمين متطابقين (مثل الإلكترونات) من شغل نفس الحالة الكمومية. هذا ينطبق على المادة كثيفة مثل النجم القزم الأبيض ، حيث يمكن أن يوجد كائن كتلة نجمية في مجلد لا يزيد عن حجم الأرض.

مقارنة دقيقة بين الحجم واللون لقزم أبيض (L) ، والأرض تعكس ضوء شمسنا (الأوسط) ، وقزم أسود (R). عندما تشع الأقزام البيضاء أخيرًا آخر طاقتها ، ستصبح جميعًا في النهاية أقزامًا سوداء. ومع ذلك ، فإن ضغط الانحطاط بين الإلكترونات داخل القزم الأبيض / الأسود سيكون دائمًا كبيرًا بدرجة كافية ، طالما أنه لا يتراكم كثيرًا ، لمنعه من الانهيار أكثر من ذلك. رصيد الصورة: BBC / GCSE (L) / SunflowerCosmos (R).

إذا وضعت كتلة كبيرة على نجم قزم أبيض ، فإن النوى الفردية نفسها ستخضع لرد فعل اندماج هارب ؛ هناك حد لمدى ضخامة نجم أبيض قزم. في النجم النيوتروني ، لا توجد ذرات في القلب ، بل نواة ذرية واحدة هائلة ، تم صنعها حصريًا تقريبًا من النيوترونات. تعمل النيوترونات أيضًا كفرميونات - على الرغم من كونها جزيئات مركبة - وتعمل القوى الكمومية أيضًا على تثبيتها ضد الانهيار الثقالي. من الممكن ، علاوة على ذلك ، تخيل حالة أخرى أكثر كثافة: نجم كوارك ، حيث تتفاعل الكواركات الفردية (والكلونات الخالية من الغلوتين) مع بعضها البعض ، مطيعةً القاعدة بأنه لا يمكن لجزيئين كميتين متطابقين أن يشغلا الحالة الكمية نفسها.

تحدد طاقة الإلكترون لأقل تكوين ممكن للطاقة لذرة أكسجين محايدة. نظرًا لأن الإلكترونات هي فرميونات وليست بوزونات ، فإنها لا يمكن أن توجد جميعًا في حالة الأرض (1s) ، حتى في درجات الحرارة المنخفضة بشكل تعسفي. هذه هي الفيزياء التي تمنع أي فرميين من احتلال نفس الحالة الكمية ، وتحمل معظم الأشياء ضد الانهيار الجاذبية. رصيد الصورة: CK-12 Foundation و Adrignola of Wikimedia Commons.

لكن هناك إدراكًا رئيسيًا في الآلية التي تمنع المادة من الانهيار وصولاً إلى التفرد: يجب تبادل القوى. ما يعنيه هذا ، إذا حاولت تخيله ، هو أنه يجب تبادل القوة التي تحمل الجسيمات (مثل الفوتونات والغلونات ، إلخ) بين الفرميونات المختلفة في داخل الكائن.

القوة التبادلية داخل بروتون ، بوساطة الكواركات الملونة ، لا يمكنها التحرك إلا بسرعة الضوء ؛ لا أسرع. داخل أفق حدث الثقب الأسود ، يتم رسم هذه الجيوديسية الشبيهة بالضوء حتماً إلى التفرد المركزي. رصيد الصورة: مستخدم ويكيميديا ​​كومنز قاشقيلوف.

الشيء المهم هو أن هناك حدود للسرعة التي يمكن أن تنطلق بها هذه الناقلات: سرعة الضوء. إذا كنت تريد أن يعمل التفاعل من خلال وجود جسيم داخلي يمارس قوة خارجية على جسيم خارجي ، فيجب أن يكون هناك بعض الطريق حتى ينتقل الجسيم عبر هذا المسار الخارجي. إذا كان وقت الفراغ الذي يحتوي على جزيئاتك أقل من حد الكثافة اللازم لإنشاء ثقب أسود ، فهذه ليست مشكلة: فالسرعة بسرعة الضوء ستتيح لك أخذ ذلك المسار الخارجي.

ولكن ماذا لو كان وقت فراغك يعبر تلك العتبة؟ ماذا لو أنشأت أفقًا للحدث ، ولديك مساحة من الفضاء حيث الجاذبية شديدة لدرجة أنه حتى لو كنت تتحرك بسرعة الضوء ، فلن تستطيع الهروب؟

أي شيء يجد نفسه داخل أفق الحدث الذي يحيط بفتحة سوداء ، بغض النظر عن ما يجري في الكون ، سيجد نفسه ممتلئًا بالخصوصية المركزية. صورة الائتمان: بوب غاردنر / ETSU.

فجأة ، لا يوجد طريق على الإطلاق سوف ينجح! ستعمل قوة الجاذبية على سحب تلك الجسيمات الخارجية للداخل ، ولكن في ظل هذه الظروف ، لا يمكن للجسيم الحامل للقوة القادم من الجسيم الداخلي أن يتحرك للخارج. داخل منطقة كثيفة النشاط ، حتى الجسيمات عديمة الكتلة لا مكان لها إلا في اتجاه معظم النقاط الداخلية الممكنة ؛ لا يمكنهم التأثير على النقاط الخارجية. لذلك ليس أمام الجسيمات الخارجية سوى السقوط ، أقرب إلى المنطقة الوسطى. بغض النظر عن كيفية إعداده ، فإن كل جسيم واحد داخل أفق الحدث يختتم لا محالة في موقع فريد: التفرد في مركز الثقب الأسود.

بمجرد عبور العتبة لتشكيل ثقب أسود ، فإن كل شيء داخل أفق الحدث ينهار وصولاً إلى التفرد ذي البعد الواحد على الأكثر. لا توجد هياكل ثلاثية الأبعاد يمكنها البقاء على حالها. الصورة الائتمان: اسأل قسم الفيزياء فان / UIUC.

طالما أن الجسيمات - بما في ذلك الجسيمات الحاملة للقوة - تكون محدودة بسبب سرعة الضوء ، فلا توجد طريقة للحصول على بنية مستقرة وغير مفردة داخل ثقب أسود. إذا تمكنت من اختراع قوة تاكيوني ، أي قوة توسطت فيها جسيمات تتحرك أسرع من الضوء ، فقد تكون قادرًا على إنشاء واحدة ، لكن حتى الآن لم تظهر أي جزيئات حقيقية تشبه tachyon فعليًا. بدون ذلك ، أفضل ما يمكنك فعله هو "تشويه" تفردك في كائن أحادي البعد يشبه الحلقة (بسبب الزخم الزاوي) ، لكن هذا لا يزال لن يمنحك بنية ثلاثية الأبعاد. طالما أن جزيئاتك إما ضخمة أو عديمة الكتلة ، وتطيع قواعد الفيزياء التي نعرفها ، فإن التفرد هو حتمية. لا يمكن أن توجد جزيئات أو هياكل أو كيانات مركبة حقيقية تنجو من رحلة إلى ثقب أسود. في غضون ثوان ، كل ما تملكه على الإطلاق هو تفرد.

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".