تابش هاوکینگ – قسمت دوم

بیگ بنگ: در قسمت قبلی مقاله ایده هایی که منجر به تنظیم نظریه ی تابش هاوکینگ می شوند را عنوان کردیم و مقاله را با سوالات مهم و البته ابهاماتی تمام کردیم. در این شماره بیشتر به تابش هاوکینگ می پردازیم و در آخر گریزی به واکنش جامعه علمی نسبت به این نظریه عجیب می زنیم.

عکسی از استیون هاوکینگ در دهه ی 1970

عکسی از استیون هاوکینگ در دهه ی ۱۹۷۰

به گزارش بیگ بنگ، با توجه به ایده هایی که به تازگی آشکار شده بودند، معمای بزرگتری ذهن هاوکینگ را به خود مشغول کرد. اگر هیچ چیز نمی تواند از افق رویداد سیاهچاله ها بگریزد سیاهچاله ها چطور می توانند دما داشته باشند و ذراتی را گسیل کنند؟ او پاسخ را در مکانیک کوانتومی یافت. یکی از نتایج اصل عدم قطعیت هایزنبرگ این است که نمی توان مقدار میدانی و هم آهنگ دگرگونی آن را در طول زمان با دقتِ کامل بدانیم. این دو مانند دو سر یک الاکلنگ اند: دقت بیشتر در یکی از مقدار میدان و آهنگ دگرگونیش دقت کمتری را برای مقدار دیگر می گذارد. پس یک میدان نمی تواند «همیشه» صفر باشد؛ چون اصل عدم قطعیت صفر بودن مقدار میدان و نبود آهنگ دگرگونی برای آن را مجاز نمی شمارد. پس فضای تهی مطلقی وجود ندارد. به عبارتی فضایی که هیچ اتمی در آن نباشد و کاملا تخلیه شده باشد در ظاهر آرام است اما اگر تا ابعاد کوانتومی به آن ریز شوید می بینید پر از نا آرامی هایی است که طبق اصل عدم قطعیت بوجود می آیند.

در این فضا زوج ذراتی به کرات به وجود می آیند، کمی از هم دور می شوند و در بازه زمانی بسیار بسیار کوتاهی به هم می رسند و یکدیگر را نابود می کنند؛ این ایده از سوی ریچارد فاینمن، فیزیکدانی که لقب افسانه ای گرفته است پیشنهاد شد. طبق نسبیت بینندگانی که با سرعت های متفاوت حرکت می کنند از کمیت هایی مانند مسافت و زمان، اندازه گیری متفاوت می کنند. هر چه سریع تر حرکت کنند آهنگ گذر زمانشان کوتاه تر می شود. اما طبق عدم قطعیت هایزنبرگ که یکی از پایه های اصلی مکانیک کوانتومی است نمی شود مقدار سرعت و مکان ذره ای را با دقت کامل اندازه گیری کرد. فاینمن پی برد این به معنای آن است که در زمان های بسیار کوتاه نمی توانید سرعت ذرات را با دقت زیاد اندازه گیری کنید. پس مکانیک کوانتومی این امکان را به ذرات می دهد که تند تر از نور حرکت کنند! اما این در نسبیت به معنای بازگشت در زمان است. ذره ای که با سرعتی بیشتر از نور حرکت کند در زمان به عقب باز می گردد.

082615_ag_hawkingblackhole_freeفاینمن دل و جرئت این را داشت که این امکان دیوانه کننده را جدی بگیرد. بار منفی که یک ذره در هنگام بازگشت به زمان عقب تر دارد، هم ارز بار مثبتی است که ذره ای در حرکت رو به جلوی زمان دارد. تصور فاینمن به این گونه می شود که در فضا زوج ذراتی بوجود می آیند. این جفت ذرات، مجازی اند اما موهومی نیستند. به عبارتی چون از تاثیری که بر دیگر ذرات می گذارند آگاهیم موهومی نیستند. بطور مثال الکترون و پوزیترونی (پاد ذره الکترون) بوجود می آیند و کمی دور می شوند و سپس هم دیگر را نابود می کنند. این قضیه با قانون پایستگی انرژی نیز مشکلی ندارد. انرژی از هیچ بوجود نمی آید. پیدایش این زوج ها «قرض گرفتن» بسیار کوتاه انرژی را نشان می دهند. یکی از این ها انرژی مثبت دارد و دیگری منفی: آن ها همدیگر را خنثی می کنند پس قانون پایستگی انرژی نقض نمی شود.

به بحث اصلی خود باز گردیم. معما این است که تابش سیاهچاله چگونه ایجاد می شود. هاوکینگ دلیل آورد که زوج ذرات مجازی در افق رویداد سیاهچاله پدید می آیند اما پیش از آنکه زمان دیدار دوباره و نابودی داشته باشند، ذره با انرژی منفی از افق رویداد می گذرد و وارد سیاهچاله می شود. ذره با بار مثبت نیز به دنبال یار بینوایش نمی رود. چرا که میدان گرانشی سیاهچاله در افق رویداد آن قدر قوی است که آن ذره «مجازی» را به «واقعی» تبدیل کند. اما ذره با انرژی منفی به درون سیاهچاله سقوط کرده است. انرژی منفی را با خود برده است. پس انرژی سیاهچاله با انرژی منفی این ذره جمع می شود و این موضوع به این معناست که انرژی سیاهچاله کم می شود. همچنین طبق نسبیت خاص و فرمول مشهور انیشتین، انرژی کمتر یعنی جرم کمتر؛ چرا که سرعت نور در این معادله تغییر نمی کند، پس جرم سیاهچاله کم تر می شود! این تابش به تابش هاوکینگ مشهور شد.

HawkingRadiationدر تصویر محور افقی فاصله در در فضاست و محور عمودی جهت زمان را نشان می دهد. همینطور که در جهت زمان بالا می رویم جفت ذراتی تشکیل می شوند. تابش هاوکینگ بدین شکل است که اگر یکی از آن ها به درون سیاهچاله بی افتد دیگری می گریزد.

حال می دانید که جرم کمتر میدان گرانشی کمتری دارد، سیاهچاله که طبق تابش هاوکینگ جرم از دست می دهد کشش گرانشی کمتری پیدا می کند. بدین ترتیب در شعاع افق رویداد قبلیش تندی گریز کمتر از سرعت نور می شود و اکنون شعاع کوچکتری بوجود می آید که تندی سرعت گریز برابر با سرعت نور است. پس افق رویداد جدیدی تشکیل شده است؛ به عبارتی افق رویداد قبلی کوچک تر شده است و افق رویداد جدید را تشکیل داده است. این تنها راهی است که می دانیم افق رویداد سیاهچاله کوچکتر می شود.

قبل از اینکه دوباره به قانون دوم ترمودینامیک و قانون دوم دینامیک سیاهچاله ها گیر دهید و بگویید چطور افق رویداد کوچک تر می شود و آنتروپی نیز کمتر می شود، باید بگوییم این کاهش آنتروپی سیاهچاله از آنتروپی پرتو های گسیل شده کمتر است. قانون دوم پابرجاست. در آخر یکبار دیگر رابطه بین قوانین ترمودینامیکی و سیاهچاله ها را مرور کنیم. جرم بیشتر، افق رویداد بزرگ تر؛ افق رویداد بزرگ تر، انتروپی بیشتر؛ آنتروپی بیشتر، دمای سطحی پایین تر؛ دمای سطحی پایین تر،آهنگ گسیل کمتر … دور باطل! به همین دلیل می توانیم بپذیریم که سیاهچاله های کوچک تر آهنگ تولید ذرات بیشتری دارند. چرا که افق رویداد کوچک تر، آنتروپی کمتر و در نتیجه دمای بیشتری دارند.

Black_Hole_Sim_Labeledمحاسبات تابش هاوکینگ زیاد امیدوار کننده نیست. درجه حرارت سیاهچاله ای که جرمش چند برابر جرم خورشید باشد یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق است. تابش پس زمینه کیهانی، که حاصل از کوره بسیار داغ روز های اولیه کیهان است حدودا ۲٫۷ درجه بالاتر از صفر مطلق است. اما اگر جهان برای همیشه گسترش یابد درجه حرارت این تابش کمتر می شود و عاقبت سیاهچاله مورد نظر ما شروع به کاهش جرم می کند، اما باز هم آنقدر حرارت کمی دارد که در حدود یک میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون (یک با ۶۶ صفر) سال طول می کشد تا به کلی تبخیر شود. این مدت زمان بسیار بیشتر از طول عمر جهان است.

اما انواع دیگری از سیاهچاله ها ممکن است وجود داشته باشد؛ میکروسیاهچاله ها (برای اطلاع از انواع سیاهچاله ها و میکروسیاهچاله ها به مقاله «بررسی ویژگی های سیاهچاله» مراجعه کنید). ممکن است این نوع سیاهچاله ها در لحظات داغ تولد جهان بوجود آمده باشند. سیاهچاله ای از این نوع که جرم اولیه اش هزار میلیون تن است طول عمرش تقریبا برابر عمر جهان است. سیاهچاله از این کوچک تر تا کنون تبخیر شده است. سیاهچاله ای با جرم اندکی بیشتر هنوز در حال گسیل پرتو هایی بصورت پرتو X و گاما می باشد. این پرتو ها مانند نور اند اما طول موج کمتر و انرژی و فرکانس بیشتری دارند. به قول هاوکینگ: « این سیاهچاله ها چندان شایسته لقب سیاه نیستند، آنها از شدت گرما سفیدند و به میزان تقریبا ده هزار مگاوات انرژی گسیل می کنند». طبق معادله پلانک، یک کوانتوم پرتو گاما بدلیل فرکانس بالا انرژی زیادی دارد. پلانک انتقال تابش ها را در بسته هایی به نام کوانتوم در نظر گرفت که انرژی هر کدام از این بسته ها با فرکانس آن رابطه مستقیم دارند. در واقع فرکانس تابش ضربدر ثابتی به نام ثابت پلانک انرژی آن را نتیجه می دهد. پس تابش یک میکروسیاهچاله در کوانتوم های زیادی منتقل نمی شود. برای رصد کردن این کوانتوم ها از فاصله ای معادل با فاصله پلوتو از زمین آشکار ساز پرتو گاما نیاز است. این آشکار ساز نیز باید در خارج از جو باشد چون جو زمین مانع ورود تابش های گاما می شود.

اما در پایان چه می شود؟ سیاهچاله هر چقدر کوچک تر می شود، بیشتر تابش می کند؛ همین طور بیشتر و بیشتر. هاوکینگ گمان می کند که در آخر سیاهچاله ها با یک «پف» عظیم پایانی گسیل ذرات ناپدید می شوند. البته پف چندان واژه مناسبی نیست اما شوخ طبعی هاوکینگ این گونه است! شاید هم پایان روزگار قدرت نمایی این غول های کیهانی با انفجار میلیون ها بمب هیدورژنی باشد. اگر عمر سیاهچاله ای در فاصله ای برابر با فاصله پلوتو از زمین به پایان برسد تشعشع پایانیش را می تواند آشکار کرد، اما برای فواصل طولانی تر باید راهی پیدا کرد. به هر حال محتمل ترین رویداد ناپدید شدن یکسره سیاهچاله است. همین طور که سیاهچاله کوچک تر می شود داغ تر و نرخ گسیل ذرات بیشتری خواهد داشت. این تابش همین طور بیشتر می شود و جرم سیاهچاله نیز کوچک تر می شود و در آخر با صفر شدن جرم سیاهچاله، سیاهچاله ناپدید می شود.

black holeاز جو زمین نیز می توان به عنوان آشکار ساز استفاده کرد. یک کوانتوم پرتو گامای پر انرژی با برخورد به اتمسفر زمین زوج های الکترون و پوزیترون بوجود می آورد. این ها در برخورد با دیگر اتم ها خود زوج های بیشتری تولید می کنند و همینطور یک دوش الکتریکی بوجود می آید و باعث تولید نوعی نور به نام «تابش چرنکوف» می شود. البته پدیده های دیگری نیز می تواند دلیل ایجاد درخشش نور در آسمان شب شود؛ مثل برق، بازتاب نور خورشید توسط ماهواره ها و … تمیز بین انفجار پرتو های گاما و پدیده های دیگر امکان پذیر است. دو دانشمند از دابلین به نام های نیل پرتر و ترور ویکز با استفاده از تلسکوپی در آریزونا چندین درخشش در آسمان یافتند؛ اما نتوانستند این بررسی را با قاطعیت به انفجار پرتو گامای سیاهچاله های کوچک ربط بدهند.

واکنش جامعه علمی به تابش هاوکینگ

ایده تابش هاوکینگ در سال ۱۹۷۳ چندان دور از ذهن بود که هاوکینگ از منتشر کردن آن سر باز زد. او هفته ها در مورد این کشف عجیبش چیزی به کسی نگفت. بارها و بار ها محاسبات را در ذهنش مرور کرد. حتی برای اندیشیدن در حمام را بر خود قفل کرد ولی هیچ راه معقولانه ای برای خلاص شدن از یافته هایش پیدا نکرد، از این گذشته او از مسخره شدن خوشش نمی آمد ولی واقعیت غیر قابل انکار بود: محاسبات و دلایل یافته هایش درست بودند ولی با عقل جور در نمی آمند. هاوکینگ ابتدا ایده اش را با اطرافیانش در میان گذاشت. واکنش های متفاوتی رخ داد. مارتین ریس، دوستی از دوران دانشجوییش در کمبریج، با شگفتی سراغ استاد راهنمای پیرش، دنیس سکیاما رفت و گفت :«شنیده اید؟ استیون همه چیز را زیر و رو کرد! »

سکیاما هاوکینگ را ترغیب به انتشار یافته هایش کرد. وقتی سر میز شام تولدش در ۱۹۷۴ نشسته بود، راجر پنروز، دوست و همکار قدیمی اش با شور و شوق به او زنگ زد. هاوکینگ از هیجان پنروز تشکر کرد و وقتی صحبتشان گل کرد و شامش سرد شد. هاوکینگ پذیرفت که که کشف عجیبش را در فوریه در آزمایشگاه رادرفورد – اپلتن در جنوب آکسفورد ارائه دهد. سکیاما سازمان دهنده ی نشست بود. دودلی هاوکینگ باعث شد که برای محکم کاری در پایان مقاله علامت سوالی اضافه کند:«انفجار های سیاهچاله؟» کنفرانس همراه با اسلاید معادلات با سکوت و البته چندتایی پرسش برگذار شد. استدلال های هاوکینگ نتوانست نفوذ زیادی در مغز خبرنگاران تخصصی و بسیاری مخاطبان بکند.

از راست به چپ: استیون هاوکینگ، کیپ ثورن و جان پرسیکل

از راست به چپ: استیون هاوکینگ، کیپ ثورن و جان پرسیکل

هنگامیکه چراغ ها روشن شد، جان جی. تیلور، استاد سرشناس دانشگاه لندن برخاست و گفت: «شرمندم استیون، ولی این چرند محضه.» هاوکینگ همین «چرند» را ماه بعد در مجله معتبر Nature چاپ کرد. تیلور و پال سی. دابلیو. مقاله ای در همان شماره به قصد مخالفت با هاوکینگ نوشتند. طی چند روز تمام دانشمندان جهان درباره این ایده شُک آور به گفت و گو نشستند زلدویچ ابتدا تردید داشت اما وقتی ثورن به مسکو رفت تا نشستی فوری داشته باشد زلدویچ و استاربینسکی با دست های بالا به استقبالش رفتند و گفتند :«ما تسلیمیم! هاوکینگ درست می گفت. اشتباه می کردیم!»

واکنش های مثبتی هم به تابش هاوکینگ شد. سکیاما گفت:«این مقاله یکی از زیباترین ها در تاریخ علم است.» جان ویلر، که همیشه استاد بازی با کلمات بود مقاله را «مانند مزه مزه کردن آب نبات روی زبان» توصیف کرد. کیپ ثورن نیز گفت:« استیون با از دست دادن توانایی دست هایش توانست برهان های هندسی را در ذهنش به تصویر بکشد؛ مجموعه ابزار های بسیار توانمند که واقعا کس دیگری آن را ندارد.»

هاوکینگ با گذاشتن وقت بیشتری، مقاله ی دومش را در مورد این کشف در مارس ۱۹۷۴ به مجله Communications in Mathematical Physics ارسال کرد. اوضاع نا آرام اولیه آرام گرفت. بیشتر افراد موافق بودند که هاوکینگ به دستاورد برجسته ای رسیده است. او هوشمندانه از فعالیت ذرات مجازی برای تشریح چیزی که از نسبیت بیرون آمده است استفاده کرد، او گام بزرگی برای آشتی دادن و همکاری نسبیت و کوانتوم برداشت.

«پایان»

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
(10 نفر , میانگین : 5٫00 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=40728

شما ممکن است این را هم بپسندید

۲ پاسخ‌ها

  1. Ebrahim گفت:

    ببخشید مگه انرژی منفی هم داریم؟؟، خب یه چیز قرار دادی هست. به هر حال اگر هم قسمتی از جرم سیاه چاله نابود شود انرژیش که باقی میمونه، انرژی که نمیتونه از افق رویداد فرار کنه پس باید آنتروپی همیشه در حال افزایش باشه و سیاه چاله هم پس همیشه باید در حال بزرگتر شدن باشه.

  2. rozhina.sh گفت:

    ممنون میشم لطف کنین به من جواب بدین چرا یک ذره از سیاهچاله فرار میکنه؟منظور از انرژی منفی چیه؟

پاسخ دهید

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