تابش هاوکینگ – قسمت اول

بیگ بنگ: همواره در تاریخ کسانی در تلاش بودند تا ایده های بسیار عجیب و متضاد با عقل سلیمی در جامعه علمی جا بیندازند. از قوانین نسبیت و تفاوت در آهنگ گذر زمان برای ناظران با سرعت های مختلف گرفته است تا سیاهچاله ها. در قرن بیستم، جدا از نظریه ریسمان، کرمچاله ها و سفر در زمان و … تابش هاوکینگ نمونه بسیار جالب و هیجان انگیزی در این زمینه است.

تصویری از استیون هاوکینگ در دهه ی ۱۹۷۰

به گزارش بیگ بنگ، چه کسی می توانست بپذیرد سیاهچاله ها که ما به عنوان غول های بی رحمی از آن ها یاد می کنیم زیر پوستی تابش از خود ساطع کنند؟ اصلا اگر آنها تابش می کنند چرا سیاهچاله نام گرفته اند؟ پس تکلیف میدان گرانشی قوی آنها که نور نیز نمی تواند از آن بگذرد چه می شود؟ امید است بتوانیم این مساله را در این مقاله بازتر کنیم و جواب های قانع کننده ای پیرامون سوالات نظریه تابش هاوکینگ ارائه دهیم.

استیون هاوکینگ در شبی در نوامبر ۱۹۷۰، کمی بعد از تولد دخترش، لوسی، در حالی که برای خوابیدن آماده می شد شروع به فکر کردن به سیاهچاله ها کرد، این کار بدلیل معلولیتش نسبتا طولانی است. ستاره در حال رمبش را به یاد بیاورید، همینطور میدان گرانشی آن قوی تر می شود و سرعت گریز از آن نیز بیشتر می شود. در یک شعاع بحرانی سرعت گریز برابر با سرعت نور می شود. میدان گرانشی قوی آن جا نمی گذارد فوتون های ساطع شده از سطح ستاره در این حالت بگریزند، ولی این میدان گرانشی آنقدر نیز قوی نیست که فوتون ها را به درون خود بکشد. این فوتون ها همان جا گیر می افتند، چرخ می زنند و روی سطح شناور می مانند. هر فوتونی که از سطح ستاره بعد از رد کردن این شعاع بحرانی منتشر میشود به درون سیاهچاله پس کشیده می شود. استیون هاوکینگ این فوتون های شناور و سیاهچاله را به دزد و پلیس تشبیه می کند. دزدی که از دست پلیس می گریزد و یک قدم از آن ها جلو می افتد ولی برای همیشه نمی تواند از دستشان فرار کند!

blackhole (3)هاوکینگ پی برد که این مسیر های پرتو نوری که روی افق رویداد چرخ می زنند هرگز به هم نزدیک نمی شوند. اگر این پرتو ها به هم نزدیک شوند، به یکدیگر برخورد می کنند و به سیاهچاله سقوط می کنند و دیگر مرز و کرانه ای برای سیاهچاله نمی ماند! برای آن که افق رویداد کوچک تر شود، این مسیر ها «باید» به یکدیگر نزدیک شوند و اگر به یکدیگر نزدیک شوند داخل سیاهچاله سرنگون می شوند و افق رویداد کوچک تر « نمی شود». اگر افق رویداد کوچک تر نشود، سیاهچاله کوچک تر نمی شود و این موضوع به این معناست که سیاهچاله می تواند بزرگ تر شود ولی هیچگاه کوچک نمی شود. هر بار چیزی درون سیاهچاله می افتد جرمش بیشتر می شود و بزرگ تر می شود و اگر چیزی نمی تواند از آن خارج شود پس جرم آن نمی تواند کم تر شود و سیاهچاله کوچک تر نمی شود (مساحت افق رویداد با جرم سیاهچاله رابطه مستقیم دارد). البته در ادامه می بینیم چیز هایی از سیاهچاله بصورت زیر پوستی خارج می شوند.

این کشف هاوکینگ به عنوان قانون دوم دینامیک سیاهچاله ها شناخته شد: ناحیه ی افق رویداد () می تواند ثابت بماند یا افزایش یابد اما هیچگاه کاهش نمی یابد. اگر دو یا چند سیاهچاله به هم برخورد کنند و به یک سیاهچاله واحد تبدیل شوند مساحت افق رویداد این سیاهچاله جدید بزرگ تر یا مساوی مجموع مساحت های افق رویداد دو سیاهچاله قدیمی است. اگر در مورد ترمودینامیک یا آنتروپی بدانید احتمالا این قانون بنظرتان آشنا می آید؛ البته در ظاهری متفاوت!

آنتروپی کمیت فیزیکی برای سنجش میزان بی نظمی یک سیستم است. آنتروپی یک سیستم همواره افزایش می یابد. یک پازل منظم را درون کیسه ای بکنید و تکان دهید؛ پازل بی نظم می شود. این منطقی است اما این معقولانه نیست که با هر بار تکان دادن قطعات نامرتب پازل کنار هم قرار گیرند و تصویری بسازند! خانه را یک هفته به حال خود رها کنید؛ بی نظمی آن افزایش می یابد. یک قوری به زمین می افتد و تکه تکه می شود؛ بی نظم می شود. دبیران فیزیک اغلب مولکول های گاز درون قوطی را به عنوان مثال دیگری می آورند. تیغه ای در وسط قوطی است. در نصف قوطی مولکول های نیتروژن وجود دارد و در نصف دیگر مولکول های اکسیژن، اگر تیغه برداشته شود مولکول ها به هم برخورد می کنند و بی نظم می شوند؛ آنتروپی افزایش می یابد. می توانید قوری را بچسبانید یا خانه را رنگ بزنید اما قانون کاهش ناپذیری بی نظمی نقض نمی شود.

blackholes_accretionبرای چسباندن قوری یا رنگ زدن خانه شما انرژی صرف می کنید و بنابراین مقدار انرژی نظم یافته قابل دسترس را کاهش می دهید. پس آنتروپی یک سیستم می تواند افزایش یابد یا ثابت بماند، اما هرگز کاهش نمی یابد. این قانون نیز به قانون دوم ترمودینامیک مشهور است. قانون دوم ترمودینامیک در مقایسه با دیگر قوانین طبیعت ویژگی جالبی دارد. این قانون نه همیشه، بلکه بیشتر اوقات صادق است؛ قانون دوم ترمودینامیک جنبه ی آماری دارد. احتمال بسیار بسیار بسیار کوچکی وجود دارد که با تکان دادن پازل همه ی قطعات در جای خود قرار گیرند یا واقعا احتمال بسیار بسیار کوچکی برای حرکت مولکول ها وجود دارد که دقیقا مولکول های نیتروژن در یک طرف قوطی و مولکول های اکسیژن در طرف دیگر قرار گیرند.

متوجه شباهت عجیبی نشده اید؟ قانون دوم ترمودینامیک، قانون دوم دینامیک سیاهچاله ها. آنتروپی و مساحت افق رویداد یک سیاهچاله هر دو ویژگی کاهش ناپذیر بودن دارند. اما در این بین مشکلی نیز وجود دارد. اگر آنتروپی کل گیتی به عنوان یک سیستم نمی تواند کاهش یابد پس اگر یک قوطی مولکول های بی نظم را درون سیاهچاله بیندازید چه می شود؟ ممکن است کسی بگوید آنتروپی گیتی کاهش نمی یابد اما ما می دانیم هر چیزی درون سیاهچاله بیفتد از صحنه روزگار محو می شود. پس قانون دوم چه می شود؟

blackhole (2)در نخستین اعلام این ایده به جامعه علمی در دسامبر ۱۹۷۰ در سمپوزیوم اخترفیزیک تگزاس، هاوکینگ تاکید کرد که گرچه مساحت افق رویداد شباهتی با آنتروپی دارد اما این تنها یک شباهت است. یکی از دانشجویان جان ویلر، جیکوب بِکِنستاین مخالفت کرد، او ادعا کرد که ناحیه ی افق رویداد سیاهچاله تنها مانند آنتروپی نیست، بلکه خود آنتروپی است. به عبارتی وقتی شما مساحت افق رویداد سیاهچاله را حساب می کنید، در حال اندازه گیری آنتروپی سیاهچاله اید. بکنستاین اضافه کرد که اگر چیزی که دارای آنتروپی است را درون سیاهچاله بیندازید قانون دوم همچنان پابرجاست: سیاهچاله آنتروپی دارد و با این کار شما آنتروپی سیاهچاله را افزایش می دهید. آن چیز جرم دارد و افزایش جرم به سیاهچاله باعث افزایش مساحت افق رویداد می شود، افزایش مساحت افق رویداد سیاهچاله افزایش آنتروپی را به دنبال دارد. اما سوال بزرگی پیش می آید. اگر چیزی آنتروپی داشته باشد یعنی دما دارد، اگر دما داشته باشد پس تابش گرمایی دارد. سیاهچاله ای که آنتروپی داشته باشد دما دارد و تابش گرمایی نیز دارد. اما مگر قرار نبود چیزی از سیاهچاله بیرون نیاید؟

به این دلیل هاوکینگ فکر می کرد بکنستاین اشتباه می کند. او از سوء استفاده بکنستاین از کشفش در زمینه کاهش ناپذیری مساحت افق رویداد دلخور شد. هاوکینگ و جین وایلد، همسر او، در آگوست و سپتامبر همان سال طی تعطیلات طولانی کمبریج به سفر رفتند و سفر خود را تا مسکو ادامه دادند. آنان از کیپ ثورن خواستند که همراهشان باشد، چرا که ثورن برای پنج سال کار مشترکی با فیزیکدانان شوروی انجام می داد. هاوکینگ می خواست با یاکُف بوریسُویچ زِلدُویچ و داشنجویش، الکساندر استارُبینسکی ملاقات کند. این دو فیزیکدان روس هاوکینگ را متقاعد کردند که طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ کوانتوم سیاهچاله های چرخشی باید ذراتی را گسیل و تولید کنند. هاوکینگ دلایل فیزیکی آنها را پذیرفت ولی راه ریاضی آن ها را برای محاسبه این نرخ گسیل نپسندید.

Hawking_andEventHorizon2-150بعد از بازگشت به کمریج او دنبال راه ریاضی بهتری گشت. هاوکینگ توقع پیدا کردن تابش سیاهچاله چرخشی را داشت که زلدویچ و استاربینسکی محاسبه کرده بودند. قسمت جالب اینجاست که با نهایت شگفتی او پی برد که سیاهچاله های غیر چرخشی هم با آهنگی ذرات را گسیل می کنند! او اطمینان داشت اشتباهی در محاسباتش انجام داده است و ساعت های زیادی صرف پیدا کردن این اشتباه شد. همچنین نگران بود بکنستاین از این قضیه بویی ببرد و این را نیز دلیلی بر درستی ایده اش در مورد افق رویداد و آنتروپی بگذارد.

هر چه هاوکینگ سعی کرد تا اشتباهی در محاسباتش بیابد بی نتیجه بود. محاسباتش صحیح بودند و حرف آخر این شد که طیف گسیل این ذرات از سیاهچاله همان چیزی است که از یک جسم داغ انتظار دارید. حق با بکنستاین بود: انداختن ماده دارای آنتروپی به سیاهچاله با قانون دوم منافاتی ندارد، با انداختن این ماده مساحت افق رویداد افزایش می یابد و آنتروپی سیاهچاله بیشتر می شود. اما معمای بزرگتری پا به میدان می گذارد تا جلوی این ایده بسیار عجیب را بگیرد. اگر سیاهچاله ها ذراتی را گسیل کنند پس تعریف کلاسیک سیاهچاله که هیچ ذره یا انرژی نباید از آن خارج شود چه می شود؟

ادامه دارد »»»

نویسنده: پویا فرخی / سایت علمی بیگ بنگ

منابع برای مطالعه بیشتر:

تاریخچه زمان / نوشته استیون و. هاوکینگ و ترجمه محمدرضا محجوب

استیون هاوکینگ ذهنی رها / نوشته کیتی فرگوسن و ترجمه رامین رامبد

کتاب ۶ نظریه که جهان را تکان داد، بخش هاوکینگ و سیاهچاله ها / نوشته پل استراترن، ترجمه دکتر توکلی صابری

کتاب الکترونیکی سیاهچاله ها، از رویا تا واقعیت

image_pdfimage_print
(20 نفر , میانگین : 4٫75 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=40131

شما ممکن است این را هم بپسندید

۵ پاسخ‌ها

  1. ایلا گفت:

    خیلی جالب بود منتظر ادامه ماجرا هستم.
    میشه لطفا در مورد افق رویداد بیشتر توضیح بدبن؟ من درست متوجه نشدم چی هست توی نت هم چیز زیادی پیدا نکردم

  2. Arman گفت:

    من الان دو ساله با تمام علاقه دارم مقاله و ها و اتفاقات جدید فیزیک نظریو دنبال میکنم ولی هرچی بیشتر میخونم بیشتر میفهمم که نمیفهمم. واقعا حس میکنم فیزیک با روح انسان گره خورده.

  3. rozhina.sh گفت:

    خوب وقتی افق رویداد سیاهچاله ثابت میمونه یا بزرگتر نیشه در تابش هاوکینگ جرم از دست میده پس افق رویداد کوچکتر میشه خوب این چرا اینجوری میشه ممنون میشم پاسخ بدین

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *