اینیشتین سیاهچاله ها را کشف نکرد؛ داستان واقعی کشف سیاهچاله ها چیست؟ (+عکس)

عصرایران- امروز نام آلبرت اینیشتین با بسیاری از بزرگ ترین ایده های فیزیک گره خورده است؛ از نسبیت خاص گرفته تا نسبیت عام و توضیحی تازه درباره ماهیت گرانش. اما برخلاف تصور رایج، اینیشتین شخصا سیاهچاله ها را کشف نکرد و حتی در ابتدا نیز مشخص نبود که یکی از پیامدهای معادلات او می تواند به اجرامی منجر شود که حتی نور هم قادر به فرار از آن ها نیست.

داستان سیاهچاله ها در واقع بسیار طولانی تر و پیچیده تر از این است که بتوان آن را به نام یک دانشمند نسبت داد.

اولین ایده، بیش از یک قرن پیش از اینیشتین مطرح شد

در سال 1783، جان میشل، دانشمند و کشیش انگلیسی، ایده عجیبی را مطرح کرد. او با استفاده از قوانین گرانش نیوتن استدلال کرد که ممکن است ستاره ای آنقدر پرجرم و فشرده باشد که سرعت لازم برای فرار از سطح آن از سرعت نور بیشتر شود. در چنین شرایطی، حتی نور نیز نمی توانست از آن ستاره بگریزد.

میشل این اجرام فرضی را «ستاره های تاریک» تصور می کرد. چند سال بعد، پیر سیمون لاپلاس نیز به طور مستقل ایده ای مشابه را مطرح کرد.

البته این اجرام هنوز سیاهچاله های امروزی نبودند. فیزیک آن زمان بر پایه مکانیک نیوتنی بود و نور نیز مانند امروز به عنوان چیزی که تحت تاثیر ساختار فضا-زمان قرار می گیرد، در نظر گرفته نمی شد. با این حال، ایده میشل شباهت شگفت انگیزی با یکی از ویژگی های اصلی سیاهچاله های امروزی داشت: وجود جرمی که گرانش آن مانع فرار نور می شود.

اینیشتین چه چیزی را به میان آورد؟

بیش از 130 سال بعد، آلبرت اینیشتین در سال 1915 نظریه نسبیت عام را ارائه کرد. در این نظریه، گرانش دیگر صرفا یک نیروی معمولی نبود؛ جرم و انرژی ساختار فضا-زمان را تغییر می دهند و اجرام در این فضا-زمان خمیده حرکت می کنند.

معادلات نسبیت عام پیامدهای عجیبی داشتند و یکی از مهم ترین آن ها به سیاهچاله ها مربوط می شد.

اما نکته جالب این است که اینیشتین خودش نخستین راه حل معروف این معادلات را پیدا نکرد.

شوارزشیلد و یک راه حل تاریخی

در سال 1916، کارل شوارزشیلد، فیزیکدان و ستاره شناس آلمانی، نخستین راه حل دقیق معادلات میدان اینیشتین را برای میدان گرانشی یک جرم کروی و بدون چرخش پیدا کرد.

شوارزشیلد در آن زمان در جبهه شرقی جنگ جهانی اول خدمت می کرد و راه حل خود را در همان دوره برای اینیشتین فرستاد. این راه حل بعدها به یکی از پایه های مهم نظریه سیاهچاله ها تبدیل شد.

کارل شوارزشیلد (Karl Schwarzschild)

در راه حل شوارزشیلد، فاصله مشخصی از مرکز جرم به دست می آید که امروز آن را «شعاع شوارزشیلد» می نامیم. اگر جرمی با جرم مشخص بتواند درون این شعاع فشرده شود، افق رویدادی تشکیل می شود؛ مرزی که پس از عبور از آن، حتی نور نیز نمی تواند به بیرون بازگردد.

برای مثال، اگر جرم خورشید را بدون تغییر جرم آن به اندازه کافی فشرده کنیم، شعاع شوارزشیلد آن حدود 3 کیلومتر خواهد بود. یعنی تمام جرم خورشید باید در ناحیه ای با شعاع حدود 3 کیلومتر قرار بگیرد تا به یک سیاهچاله تبدیل شود.

پس شوارزشیلد سیاهچاله را کشف کرد؟

این جمله هم نیاز به دقت دارد.

شوارزشیلد نخستین راه حل دقیق نسبیت عام را به دست آورد که ساختار ریاضی مورد نیاز برای توصیف یک سیاهچاله غیرچرخان را در خود داشت. اما در سال های نخست، فیزیکدانان لزوما این راه حل را به عنوان توصیف یک جرم واقعی به نام «سیاهچاله» تفسیر نمی کردند. برای مدت زیادی، این موضوع بیشتر یک ویژگی عجیب ریاضی معادلات نسبیت عام به شمار می رفت.

بعدها، با پیشرفت نظریه گرانش و فهم بهتر فروپاشی ستاره های پرجرم، مشخص شد که چنین اجرامی می توانند پیامد طبیعی تکامل برخی ستاره های بسیار پرجرم باشند.

بنابراین بهتر است بگوییم:

اینیشتین نظریه ای را ارائه کرد که امکان توصیف سیاهچاله ها را فراهم کرد و شوارزشیلد نخستین راه حل دقیق مرتبط با آن را پیدا کرد؛ اما شکل گیری مفهوم مدرن سیاهچاله حاصل چندین دهه پژوهش دانشمندان مختلف بود.

چرا به آن «سیاهچاله» می گوییم؟

جالب است که نام امروزی این اجرام نیز در سال 1916 وجود نداشت.

اصطلاح انگلیسی «Black Hole» یا «سیاهچاله» در سال 1967 توسط فیزیکدان آمریکایی جان ویلر به کار گرفته شد و به تدریج به نام استاندارد این اجرام تبدیل شد.

این نام بسیار مناسب بود: اگر چیزی از افق رویداد عبور کند، دیگر نمی تواند اطلاعاتی را به بیرون منتقل کند. از دید ناظر بیرونی، این ناحیه کاملا تاریک است؛ زیرا حتی نور نیز نمی تواند از آن خارج شود.

آیا سیاهچاله واقعا همه چیز را می بلعد؟

نه. یکی از رایج ترین تصورات اشتباه درباره سیاهچاله ها این است که آن ها مانند یک جاروبرقی کیهانی همه چیز اطراف خود را می مکند.

سیاهچاله همانند هر جرم دیگری گرانش دارد و شدت گرانش آن به جرم و فاصله بستگی دارد. اگر خورشید را ناگهان با یک سیاهچاله دقیقا هم جرم جایگزین کنیم، مدار زمین در اصل تغییر نمی کند؛ چون جرم موجود در مرکز منظومه همان مقدار قبلی است. البته زمین دیگر نور و گرمای خورشید را دریافت نخواهد کرد.

برای اینکه جسمی واقعا وارد سیاهچاله شود، باید به اندازه کافی به آن نزدیک شود و از افق رویداد عبور کند.

پس این همه انرژی اطراف سیاهچاله از کجا می آید؟

اینجا به یکی از شگفت انگیزترین ویژگی های سیاهچاله ها می رسیم.

خود سیاهچاله به طور مستقیم مانند یک لامپ نور تولید نمی کند. اما ماده ای که به سمت سیاهچاله سقوط می کند، ممکن است پیش از رسیدن به افق رویداد در قالب یک «قرص برافزایشی» بسیار داغ و سریع به گردش درآید.

در این قرص، اصطکاک، آشفتگی و فرایندهای گرانشی باعث می شوند بخشی از انرژی گرانشی ماده به تابش تبدیل شود. به همین دلیل، محیط اطراف برخی سیاهچاله ها می تواند فوق العاده درخشان باشد و حتی در طول موج های پرانرژی مانند پرتو ایکس تابش کند.

بازده این فرایند نیز می تواند بسیار چشمگیر باشد. در برخی شرایط، درصد قابل توجهی از جرم ماده ای که به سمت سیاهچاله می رود می تواند به انرژی تابشی تبدیل شود؛ اما این مقدار یک عدد ثابت نیست و به ویژگی های سیاهچاله، به ویژه چرخش آن، وابسته است.

این موضوع یکی از دلایلی است که سیاهچاله ها را به قدرتمندترین منابع انرژی در برخی محیط های کیهانی تبدیل می کند.

سیاهچاله ها حاصل کار یک نفر نیستند

داستان سیاهچاله ها نمونه بسیار خوبی از این است که چگونه علم معمولا در یک لحظه و توسط یک نفر ساخته نمی شود.

جان میشل در قرن هجدهم ایده اجرامی را مطرح کرد که نور نمی توانست از آن ها فرار کند. اینیشتین با نسبیت عام، چارچوب جدیدی برای فهم گرانش و فضا-زمان ارائه کرد. شوارزشیلد نخستین راه حل دقیق معادلات اینیشتین را به دست آورد. دانشمندان دیگری در دهه های بعد به مطالعه فروپاشی ستاره ها، ساختار فضا-زمان و ویژگی های این اجرام پرداختند و سرانجام اصطلاح «سیاهچاله» وارد زبان علمی شد.

امروز دیگر سیاهچاله ها صرفا یک کنجکاوی ریاضی نیستند. شواهد رصدی فراوانی از وجود آن ها در جهان داریم و حتی در سال 2019 نخستین تصویر مستقیم از سایه یک سیاهچاله منتشر شد.

بنابراین اگر بخواهیم داستان را در یک جمله خلاصه کنیم، بهتر است نگوییم «اینیشتین سیاهچاله ها را کشف کرد» یا حتی «شوارزشیلد سیاهچاله ها را کشف کرد».

داستان واقعی بسیار جذاب تر است:

اینیشتین معادلات را نوشت، شوارزشیلد نخستین راه حل مهم آن را پیدا کرد و چند نسل از دانشمندان کمک کردند تا یک ویژگی عجیب ریاضی به یکی از واقعی ترین و شگفت انگیزترین اجرام جهان تبدیل شود.

چه کسی جانشین ترامپ خواهد شد؟

بیشتر بخوانید:

نظریه نسبیت عام اینشتین در بزرگ‌ترین مقیاس ممکن ثابت شد

تماشاخانه

پارتیا، افسانه «آن‌شیگائو»؛ سفر شاهزاده ایرانی به چین / سوغات او یک دین بود

ساعت ۸:۱۵ ششم اوت ؛ هیروشیما / وقتی شهر در دیگ قیر می‌جوشید

فیلم های دیگر