أفق حدث الثقب الأسود هو منطقة كروية أو كروية لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، الهروب منها. ولكن خارج أفق الحدث ، من المتوقع أن تنبعث الثقب الأسود من الإشعاع. كان عمل هوكينج عام 1974 هو أول من أظهر هذا ، وكان يمكن القول إنه أعظم إنجازاته العلمية. (ناسا ؛ يورن ويلمز (توبينغن) وآخرون ؛ وكالة الفضاء الأوروبية)

كيف أحدث اكتشاف ستيفن هوكينج أعظم ثورة في الثقوب السوداء

قبل هوكينج ، كانت الثقوب السوداء مجرد نقاط ثابتة في خلفية الفضاء. أعظم إرثه العلمي علمنا مدى ديناميتهم.

في عام 1915 ، نشر ألبرت أينشتاين نظريته العامة للنسبية ، واستبدل نظرتنا النيوتونية القديمة بمفهوم موحد للزمان. على جانب واحد من معادلات آينشتاين ، أخبرت المادة والطاقة في الكون الزمكان كيفية الانحناء ؛ على الجانب الآخر ، قال النسيج المنحني للفضاء المسألة والطاقة كيفية التحرك. ضمنت الطبيعة المعقدة لهذه المعادلات أنه من الصعب إيجاد حلول دقيقة ، حيث لم يجد أينشتاين نفسه سوى اثنين فقط: واحد لمساحة فارغة تمامًا وواحد لكتلة واحدة في حد المجال الضعيف. في العام التالي ، وجد كارل شوارزشيلد الحل الأول المثير للاهتمام ، للحصول على كتلة نقطة على كل الفضاء. نحن ندرك الآن هذا كحل لثقب أسود ، أحد الحلول الدقيقة القليلة المعروفة حتى اليوم. بينما في صياغة Schwarzschild ، كانت الثقوب السوداء كائنات ثابتة ، وكان Hawking أول من يثبت أنه ليس كذلك. تشع الثقوب السوداء بمرور الوقت ، وبالتالي فهي ليست سوداء تمامًا.

كتلة الثقب الأسود هي العامل الحاسم الوحيد لنصف قطر أفق الحدث ، بالنسبة للثقب الأسود المعزول غير الدوار. لفترة طويلة ، كان يعتقد أن الثقوب السوداء كانت كائنات ثابتة في وقت الفضاء للكون. (فريق SXS ؛ Bohn et al 2015)

من المعروف منذ فترة طويلة أن هناك بعض الخصائص التي يمكن أن تصف الثقب الأسود فقط. في قضية Schwarzschild ، قام ببساطة بتعيينها للكتلة وحلها لانحناء الزمان والمكان. لقد أظهر من قبل الآخرين أنه يمكنك إضافة شحنة (ثقوب سوداء Reissner-Nordström) أو تدور (ثقوب سوداء Kerr) ، ولكن هذا كان عليه. ما لا يمكنك فعله هو إضافة معلومات إلى ثقب أسود: كائن بشري محايد كهربائيًا وغير دوار يحتوي على الكثير من المعلومات مثل سحابة مكافئة من غاز الهيدروجين بمجرد دخوله إلى ثقب أسود. من وجهة نظر الديناميكية الحرارية ، كانت هذه كارثة. يمكنك رمي سحابة من غاز الهيدروجين مع درجة حرارة الصفر المطلق ، وبالتالي إنتروبيا من الصفر ، في الثقب الأسود ، وسيكون لها نفس التأثير على الثقب الأسود مثل رمي كائن بشري مكافئ للطاقة. هذا ببساطة لا معنى له.

عندما تلتهم الكتلة من خلال ثقب أسود ، يتم تحديد مقدار الانتروبيا الذي تقوم به هذه المادة من خلال خصائصها الفيزيائية. لكن داخل الثقب الأسود ، فقط الخصائص مثل الكتلة ، الشحنة ، والزخم الزاوي. هذا يمثل لغزًا كبيرًا إذا كان يجب أن يظل القانون الثاني للديناميكا الحرارية صحيحًا. رسم توضيحي: (NASA / CXC / M. Weiss ، الأشعة السينية (أعلى): NASA / CXC / MPE / S.Komossa et al. (L) ؛ بصري: ESO / MPE / S.Komossa (R))

وهذا يعني أنه ، على عكس القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فهذا يعني أن لدينا فجأة وسيلة لخفض الكون بشكل تعسفي. يجب أن يكون للثقب الأسود ، كلاسيكيًا ، إنتروبيا صفرية. إذا أمكنك رمي أشياء بكميات حقيقية وإيجابية وكبيرة من الإنتروبيا في ثقب أسود ، فستكون لديك طريقة لانتهاك هذا القانون. يزداد Entropy دائمًا ، على حد علمنا ، وكان هذا أحد الأشياء التي كان هوكينج يفكر فيها عندما كان يفكر فيما كان يحير الثقوب السوداء. يجب أن يكون هناك طريقة لتعريف الثقوب السوداء ، ويجب أن تكون هذه القيمة إيجابية وكبيرة. زيادة الانتروبيا ، مع مرور الوقت ، يجب أن تكون على ما يرام ، ولكن الحد من ذلك يجب حظره. الطريقة الوحيدة لضمان ذلك هي إجبار الزيادة في كتلة الثقب الأسود على جعل الانتروبيا ترتفع بنسبة لا تقل عن أكبر كمية يمكن تخيلها.

يمكن أن يتم تشفيرها على سطح الثقب الأسود بتات من المعلومات تتناسب مع مساحة سطح أفق الحدث. (تي بي باكر / د. جيه. فان دير شار ، جامعة فان أمستردام)

كانت الطريقة التي عالج بها الأشخاص الذين يعملون على هذه المشكلة - بما في ذلك هوكينج - إجابة هي جعل الانتروبيا متناسبة مع مساحة سطح الثقب الأسود. كلما زادت كمية المعلومات التي يمكنك وضعها على ثقب أسود ، كلما كانت إنتروبيا أكبر. لكن هذا أثار مشكلة جديدة: إذا كنت تعاني من الانتروبيا ، فهذا يعني أن لديك درجة حرارة. وإذا كانت لديك درجة حرارة ، فيجب أن تشع الطاقة بعيدًا. يُطلق عليها أصلاً "الأسود" لأنه لا شيء ، ولا حتى الضوء ، يمكنه الهروب ، والآن أصبح من الواضح أنه يجب أن ينبعث منه شيء بعد كل شيء. فجأة ، ثقب أسود لم يعد نظامًا ثابتًا ؛ إنه تغيير يتغير بمرور الوقت.

إن تسوس المحاكاة في الثقب الأسود لا يؤدي فقط إلى انبعاث الإشعاع ، ولكن تسوس الكتلة المدارية المركزية التي تبقي معظم الأجسام مستقرة. الثقوب السوداء ليست كائنات ثابتة ، ولكنها تتغير بمرور الوقت. (علوم التواصل بالاتحاد الأوروبي)

لذا إذا لم تكن الثقب الأسود سوداء ، وإذا كانت مشعة ، فإن السؤال الكبير الآن هو كيف. كيف يشع الثقب الأسود؟ كان اكتشاف إجابة هذا اللغز أكبر مساهمة لهوكينج في الفيزياء. نحن نعرف كيفية حساب ، في نظرية المجال الكمي ، كيف يتصرف فراغ الفراغ عندما يكون الفضاء مسطحًا. أي أنه يمكننا أن نخبرك بخصائص المساحة الفارغة عندما تكون بعيدًا جدًا عن أي كتل ، مثل الثقب الأسود. ما أظهره هوكينج ، لأول مرة ، هو كيفية القيام بذلك في الفضاء المنحني: في غضون بضعة أقطار من أفق الحدث. وما وجده هو أنه كان هناك اختلاف واضح في سلوك الفراغ الكمومي عندما تكون الكتلة قريبة.

تحاول الجاذبية الكمية الجمع بين نظرية أينشتاين العامة للنسبية مع ميكانيكا الكم. وتصور التصحيحات الكمومية للجاذبية الكلاسيكية كمخططات حلقة ، كما هو موضح هنا باللون الأبيض. إن التقريب نصف الكلاسيكي الذي استخدمه هوكينج تضمن حساب التأثيرات النظرية للحقل الكمي للفراغ في خلفية الفضاء المنحني. (مختبر تسريع SLAC الوطني)

عندما ركض في الرياضيات ، وجد الخصائص التالية:

  • عندما تكون بعيدًا عن الثقب الأسود ، يبدو أنك تحصل على الانبعاثات الحرارية لإشعاع الجسم الأسود.
  • تعتمد درجة حرارة الانبعاث على كتلة الثقب الأسود: كلما انخفضت الكتلة ، ارتفعت درجة الحرارة.
  • نظرًا لأن الثقب الأسود ينبعث من الإشعاع ، فإنه يتناقص في الكتلة ، وفقًا لتوافق Einstein’s E = mc² وكلما زاد معدل الإشعاع ، وأسرع فقدان الكتلة.
  • وبما أن الثقب الأسود يفقد الكتلة ، فإنه يتقلص ويشع بشكل أسرع. يتناسب الوقت الذي يمكن أن يعيش فيه الثقب الأسود مع كتلته المكعبة: سيعيش الثقب الأسود في مركز درب التبانة أطول بعشر مرات ونصف من الثقب الأسود في كتلة الشمس.
إذا كنت تتصور مساحة فارغة كأنها مزيفة بأزواج من الجسيمات / الجسيمات المنبثقة من الوجود ، فسترى الإشعاع قادمًا من الثقب الأسود. هذا التصور ليس صحيحًا تمامًا ، ولكن حقيقة أنه من السهل التصور له فوائده. (أولف ليوناردت من جامعة سانت أندروز)

في الأصل ، تصور هوكينج هذا على أنه أزواج من الجسيمات / الجسيمات المضادة تتفقد الوجود ، وتبيدها لتنتج إشعاعات. كانت تلك الصورة المبسطة للغاية جيدة نوعيًا بما يكفي لوصف الإشعاع بعيدًا عن الثقب الأسود ، لكن اتضح أنه غير صحيح بالقرب من أفق الحدث. من الأدق التفكير في تغيير الفراغ ، والإشعاع المنبعث من أي مكان يكون فيه انحناء الفضاء كبير نسبيًا: داخل بضعة أقطار من الثقب الأسود نفسه. بمجرد الابتعاد ، يبدو أن كل شيء هو مجرد إشعاع حراري أسود.

إشعاع الصقيع هو ما ينتج حتما من تنبؤات فيزياء الكم في الزمان المنحني المحيط بأفق حدث الثقب الأسود. هذا التصور أكثر دقة مما سبق ، لأنه يُظهر الفوتونات كمصدر رئيسي للإشعاع بدلاً من الجسيمات. ومع ذلك ، فإن الانبعاثات ناتجة عن انحناء الفضاء ، وليس الجسيمات الفردية ، ولا تعود جميعها إلى أفق الحدث نفسه. (إي سيجل)

في الحال ، حدثت ثورة في الثقوب السوداء ، وفي فهم كيفية سلوك الحقول الكمومية في الفضاء المنحني للغاية. لقد فتح مفارقة معلومات الثقب الأسود ، حيث أننا نسأل الآن أين تذهب المعلومات المشفرة في أفق حدث الثقب الأسود عندما يتبخر الثقب الأسود؟ إنه يفتح المشكلة (ذات الصلة) المتمثلة في جدران الحماية للثقب الأسود ، ويسأل لماذا لا تموت الأجسام بالإشعاع أثناء عبورها لأفق الحدث ، أم أنها في الواقع تفعل؟ يخبرنا أن هناك علاقة بين ما يحدث داخل وحدة التخزين (في الفضاء المحاط بأفق الحدث) والسطح الذي يحيط به (أفق الحدث نفسه) ، وهو مثال محتمل لمبدأ التصوير المجسم في الحياة الواقعية. ويفتح الباب أمام التفاصيل الدقيقة التي قد تسمح لنا ، للمرة الأولى ، بالتحقق من آثار الجاذبية الكمية إذا كان هناك أي خروج عن توقعات النسبية العامة.

على خلفية تبدو أبدية للظلام الأبدي ، ستظهر وميض واحد من الضوء: تبخر الثقب الأسود الأخير في الكون. (ortega-pictures / pixabay)

الورقة التي أدت إلى كل هذا كانت بعنوان Black Hole Explosions؟ وتم نشره في مجلة Nature في عام 1974. وكان ذلك بمثابة الإنجاز المتميز لعمر البحث ، وقد نشره هوكينج عندما كان عمره 32 عامًا فقط. لقد كان يبحث في حالات التفرد ، والثقوب السوداء ، وعوالم الأطفال ، والبيج بانج لسنوات عديدة ، بعد أن تعاون مع جبابرة مثل جاري جيبونز ، وجورج إليس ، ودينيس سياما ، وجيم باردين ، وروجر بينروز ، وبرنارد كار ، وبراندون كارتر ، على سبيل المثال قليل. لم يأتِ عمله الرائع من أي مكان ، ولكنه نشأ عن مزيج من عقل لامع يزدهر في بيئة أكاديمية خصبة. إنه درس لنا جميعًا في مدى أهميته ، إذا أردنا أن نحرز هذه التطورات النظرية العملاقة ، لإنشاء (وتمويل) بيئات الجودة هذه التي يمكن أن تظهر فيها الأبحاث المشابهة.

خارج أفق الحدث من الثقب الأسود ، نظرية النسبية العامة وحقل الكم هي كافية تماما لفهم فيزياء ما يحدث ؛ هذا هو ما هو الإشعاع هوكينج. (NASA)

بعد نصف قرن تقريبًا ، يندب العالم على وفاته ، لكن إرث أبحاثه لا يزال قائماً. ربما يكون هذا هو القرن الذي يتم فيه حل المفارقات ، ويتم اتخاذ قفزات هائلة إلى الأمام في الفيزياء. بغض النظر عما يخبئه المستقبل ، فإن إرث هوكينج آمن ، وأكثر ما يمكن لأي منظّر أن يأمله هو تحسين نظرياته في الوقت المناسب. كما ذكر هوكينج نفسه:

أي نظرية فيزيائية مؤقتة دائمًا ، بمعنى أنها مجرد فرضية: لا يمكنك إثباتها مطلقًا. بغض النظر عن عدد المرات التي تتفق فيها نتائج التجارب مع بعض النظريات ، لا يمكنك أبدًا التأكد من أن النتيجة في المرة القادمة لن تتعارض مع النظرية.

على الرغم من أن العالم قد فقد واحدة من النجوم البارزة العلمية مع زوال هوكينج ، إلا أن تأثيره على معرفتنا وفهمنا وفضولنا سوف يتردد صدى على مر العصور.

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".