تاريخچه نظريه سياه چاله و بيگ بنگ
اصطلاح ( سياهچال ) در همين اواخر قدم به صحنه علم گذاشته است و آنرا در سال 1969 دانشمندي آمريكايي بنام جان ويلر بعنوان نموداري از نظريه اي برگزيد كه دستكم به ديست سال پيش بر مي گشت ، يعني زماني كه براي نور دو نظريه وجود داشت يكي نيوتوني كه آن را مركب از ذرات مي دانست و ديگري نظريه اي كه نور را ساخته و پرداخته امواج مي شناخت و ما اكنون به صحت هر دو نظريه وقوفي واقعي داريم. بر طبق دوگانگي موجي/ ذره اي در مكانيك كوانتوم ، نور مي تواند هر دو خصيصه را داشته باشد يعني همسان يك موجو و همراز يك ذره. نظريه ذره اي بودن نور چگونگي پاسخ بخ نيروي جاذبه را روشن نكرده بود و نظريه بودن آنهم انتظار پيروانش را در متاثر شدن نور از نيروي جاذبه به همان طريق كه گلوله هاي توپ ، راكتها و سيارات از آن برخوردار مي شدند بر نياورده بود. در آغار مردم گمان مي كردند كه ذرات نور با سرعتي جنان نامتناهي سير وسفر مي كنند كه نيرو جاذه به گردشان هم نمي رسد تا از سرعت آنها بكاهد ، ليكن اكتشافات رومر مشعر بر متناهي بودن سرعت نور معنايش اين بود كه نيروي گرانش بايد واجد اثري مهم باشد.
بر پايه اين فرض ، يك غضو برجسته كمبريج بنام جان ميچل در سال 1783 در مكتوبي مندرج در خلاصه مذاكرات مجمع سلطنتي لندن خاطر نشان ساخته بود كه اگر ستاره اي بقدر كفايت سنگين و متراكم باشد ميدان جاذبه آن بقدري توامند است كه نور در آن به تله افتاده و راهي براي رهايي ندارد يعني : هر نوري كه از سطح آن ستاره ساطع شود پيش از آنكه خيلي از آن دور شود در دام جاذبه گرانشي آن ستاره افتاد و به پايين كشيده مي شود . جان ميچل بر اين باور بود كه بايد ستاره هاي بسياري نظير اين ستاره وجود داشته باشند. باوجودي كه چون نور اين ستاره به ما نمي رسند كا قادر بديدن آنها نيستيم اما جاذبه گرانشي آنها را حس مي كنيم . چنين اعجوبه هاييي همانها هستند كه ما اكنون آنها را سياهچال مي ناميم و اين اسمي است با مسمي يعني خلوتگاه هاي سياه در فضاي بي انتها. چند سال بعد اظهار عقيده اي مشابه و ظاهرا مستقل از جان ميچل از طرف ماركي دولاپلاس عنوان شد. جالب توجه اين است كه لاپلاس اين موضوع را فقط در چاپ اول و دوم كتاب خود موسوم به منظومه جهاني درج كرد و در چاپ هاي بعدي از آن صرف نظر كرد. شايد به دليل اين كه او بر سست بودن اين نظريه فتوي داده بود.( همچنين نظريه ذره اي بودن نور هم در طول مدت سده نوردهم از چشم افتاده وبه نظر مي رسيد كه هر چيز را مي توان با نظريه موجي بودن نور توجيه كرد و به هيچ وجه معلوم نبود كه نور از نيروي گرانش متاثر باشد.)
در حقيقت رفتاري همانند آنچه كه در مورد گلوله توپ در نطريه گرانشي نيوتن انجام مي گرفت با مزاج نور سازگاري نداشت زيرا سرعت نور ثابت بود در صورتي كه پرتاب يك گلوله توپ به سمت بالا سرعت گلوله در اثر نيرو جاذبه متدرجا كاستي گرفته و سرانجام آن گلوله متوقف و به زمين بر مي گردد و حال آنكه يك فوتون با سرعتي ثابت همواره به حركت خود به سم بالا ادامه مي دهد ( پس جاذبه نيوتوني چگونه مي تواند بر نوذ موثر باشد؟) از آن به بعد نظريه اي سازگار مشعر بر چگونگي اثر نيروي جاذبه بر نور ارائه نشد تا اينكه در سال 1915 انيشتين نظريه نسبيت را مطرح ساخت و حتي پس از آن هم مدت ها طول كشيد تا اشارات اين نظريه در مورد ستارگان جسيم به تفهيم در آمد.
براي استنباط اينكه چگونه ممكن است يك سياهچال شگل گرفته باشد نخست نيازمند آنيم كه بدانيم سر گذشت دوران زندگي يك ستاره ، از تولد تا مرگ چه مي باشد. ستاره وقتي شكل مي گيرد كه مقدار عظيمي گاز ( كه اساسا ئيدروژن است ) در اثز جاذبه گرانشي درهم فرونشيند. با آغاز اين همفرونشيني و تراكم گاز ، اتمهاي آن بيشتر و بيشتر و با سرعت هاي زيادتر و زيادتر بهم برخورد كرده و باين ترتيب گرماي گاز افزايش مي يابد و سرانجام ، گاز به حدي داغ مي شود كه وقتي اتمهاي ئيدروژن به يكديگر بر مي خورند نه تنها ديگر واپرشي انجام نمي دهند بلكه در همديگر فرورفته و به هليم تبديل مي شوند. گرمائي كه دراين واكنش آزاد مي شود همانند حرارت كنترل شده يك بمب ئيد روژني است و اين همان حرارتي است كه موجب فروزش آن ستاره مي شود اين حرارت اضافي همچون فشار گاز تا حد هم ترازي با جاذبه گرانش افزايش داده و سبب توقف انقباض گاز مي شود اين تا اندازه كمي شبيه به عمل بالني است كه فشار هواي درون آن كه مي كوشد تا بالن را متسع ساز با تلاش كششي لاستيك بدنه بالن كه سعي دارد آن را در حجم كوچك تري نگه دارد تعادل بر قرار ميكند ، ستاره ها هم به همين نحو با بهره مندي از حرارت حاصله از فعل و انفعالات هسته اي با جاذه گرانشي كه متعادل مي شود مدتي مديد پايدار باقي مي مانند. با اين همه ، ستاره سرانجام از ئيدروژن و ديگر مواد سوختي خود خالي مي شود. نكته اي كه ظاهرا متناقض جلوه مي كند اين است كه هر چه مقدار سوختي كه ستاره با آن آغاز به تشكل مي كند بيشتر باشد ستاره زود تر به خاموشي مي گرايد. اين براي آن است كه هر چه ستاره جسيم تر باشد براي تعادل با جاذبه گرانشي به گرماي خيلي بيشتري نيازمند است و هر چه حرارت زيادتري داشته باشد زود تر سوخت خود را به مصرف مي رساند شايد سوخت خورشيد ما براي يك پنچ هزار ميليون سال ديگر يا چيري در اين حدود كافي باشد ولي بيشتر ستارگان تنومند ممكن است سوخت خود را در كمتر از يكصد ميليون سال به مصرف برسانند يعني در مدت زمان خيلي كمتر از عمر مجموعه كيهان. هنگامي كه سوخت ستاره اي ته مي كشد آن ستاره آغاز به سرد شدن كرده و منقبض مي شود حال آنچه كه بر سر اين چنين ستاره اي در مي آيد چيزي است كه فقط براي نخستين بار دردهه 1920 استنباط گردد و داستان آن از اين قرار است: در سال 1928 يك دانشجوي فارق التحصيل هندي به نام سوبر همنيان چندرا سخار براي تلمذ در محضر منجمي انگليسي موسوم به سر ارترادينكتن كه از خبرگان نظريه نسبيت عام بود با كشتي عازم انگلستان و ورانه كمبريج شد.( بر طبق رواياتي چند ، روزنامه نگاري در اوايل دهه 1920 نظر ادينگتن رفت و به او گفت : من شنيده ام كه در جهان فقط سه نفر هستند كه از نظريه نسبيت عام سر در مي آورند ، ادينگتن درنگي كرد و سپس پاسخ داد كه – دارم مي انديشم كه نفر سوم كيست ؟ - ).چندراسخار در طول مدت سفرش از هند به انگلستان در اين فكر بود كه اندازه ستاره اي كه با وجود به پايان رسيدن سوختش هنوز هم قادر به تحمل نيروي جاذبه خويش است چه مقدار بايد باشد. مبسوط اين نظر چنين بود: وقتي كه ستاره كوچك مي شود ،ذرات ماده آن خيلي به هم ديگر نزديك ترمي شود و آن گاه به موجب اصل نا همانندي پاولي چنين ذراتي بايد داراي سرعت هاي خيلي متفاوتي بشوند. اين اختلافات سرعت موجب دور شدن آن ذرات از يكديگر و در نتيجه سبب انبساط آن ستاره مي شود. در اين انبساط شعاع كره ستاره تا آن حد افزايش مي يابد كه بين نيروي جاذبه و نيرو دافعه ناشي از اصل ناهمانندي پاولي تعادلي بر قرار شده و شعاع كره ستاره در اين حد تثبيت شود يعني به عينه شبيه همان وقايع دوران زندگي ستاره كه نيرو جاذبه اش با حرارت حاصله در آن متعادل مي شد.
بهر حال چاندراسخار به اين نتيجه رسيد كه در نيرو هاي دافعه اي كه اصل ناهمانندي مبين آنست حد وحصري برقرار است. نظريه نسبيت عام بيشترين اختلاف بين سرعتهاي ذرام مادب موجود در ستاره را به سرعت نور محدود كرده است، اين به معناي آن است كه وقتي ستاره به اندازه كافي چگال شد ، نيروي دافعه ناشي از اصل ناهمانندي ، كمتر از نيروي جاذبه خواهد شد . چاندراسخار حساب كرده بود كه ستاره سردي كه جرمش تقريبا از يك و نيم برابر خورشيد بيشتر باشد نمي تواند متحمل جرم خود باشد ( اين جرم اكنون به حد چاندراسخار معروف است ) تقريبا در همين اوقات نظير چنين اكتشافي توسط دانشمند روسي بنام لف داويدوويچ لانداو بعمل آمد ، اين اكتشاف اشارات ضمني جدي در رابطه با سرنوشت نهايي ستارگان تنومند در برداشت. اگر جرم ستاره اي كمتر از حد چاندراسخار باشد ، آن ستاره سرانجام مي تواند به انقباض خود پايان داده و نهايتا در حالت ممكنه اي همانند ستاره – كوتوله سفيد – باشد كه با شعاعي در حدود چند هزار كيلومتر و چگالي ويژه اي برابر چند صد تن در سانتيمتر مكعب در خود فرو نشيند. ستاره كوتوله هاي سفيد با نيروي دافعه اي كه از اصل ناهمانندي بين الكترون هاي موجود در ماده خودش ناشي مي شود پايدار و برقرار مي ماند. ما شاهد بسياري از اين كوتوله هاي سفيد هستيم و نخستين ستاره اي كه از اين نوع كشف شد ستاره اي است كه در حول شعراي يماني كه درخشان ترين ستاره در آسمان شبانه است گردش مي كند.
لانداو خاطر نشان ساخت كه امكان وجود حالت نهايي ديگري هم براي ستاره هست كه در آن جرم ستاره تقريبا در حدود يك با دو برابر خورشيد است ولي حجم آن خيلي كوچكتر از حجم يك ستاره كوتوله سفيد است اين ستاره ها از طريق نيروي دافعه ناشي از اصل ناهمانندي كه بين فوتون ها و پروتون ها بيشتر به وجود مِي آيد تا بين الكترون ها ، خود را حفظ و نگهداري مي كنند و به همين دليل هم آنها را ستاره هاي نوتروني مي نامند. شعاع كره اين نوع ستاره ها فقط در حدود هفده كيلومتر و چگالي ويژه اي قريب به صد ها ميليون تن در هر سانتيمتر مكعب دارند ، در نخستين بار كه وجود چنين ستارگاني پيش بيني شد راهي براي مشاهده ستارگان نوتروني وجود نداشت و عملا تا اين اواخر به شناسايي در نيامده بودند.
از سوي ديگر ستارگاني كه جرم آنها بالاتر از حد چاندراسخار باشد وقتي كه سوختشان به پايان برسد مواجه با مشكل بزرگي مي شوند . در پاره اي از موارد ممكن است تمام شدن سوخت با انفجار آنها بيانجامد و يا آنقدر ماده از خود به بيرون پرتاب كنند تا جرمشان به زير اين حد كاهش يابد و به اين ترتيب از وقوع در همفرونشيني جاذبه اي فاجعه آميزي دوري گزينند ، ليكن اعتقاد به اينكه چنين امري بي توجه به اندازه جرم ستاره هميشه حتمي الوقوع مي باشد مشكل است. حال بايد ديد ستاره چگونه بفهمد كه بايد وزن خود را كاهش دهد؟ وحتي اگر ستاره اي براي اجتناب از در همفرونشيني بقدر كافي از عهده كاهش وزن خود بر مي آمد چه حادثه اي رخ ميداد؟ اگر شما بقدري جرم يك ستاره كوتوله سفيد را افزايش مي داديد تا از حد مذكورپا فراتر گذارد آيا اين ستاره ها الي غير النهايه در هم فرو مي نشستند ؟ ادينگتن از اين اشاره ضمني يكه خورد و از اعتقاد به دستاورد چاندراسخار سر باز زد. ادينگتن فكر مي كرد كه در همفرونشيني يك ستاره تا حد رسيدن به يك نقطه با سادگي امكان پذير نيست. بيشتر دانشمندان نيز چنين نظري داشتند: حتي انيشتين شخصا رساله اي نوشت كه در آن مدعي شده بود ستارگان تاحد صفر منقبض نخواهند شد.
دشمني دانشمند ديگر ، بويژه عداوت و حسادت ادينگتن كه مرجعي پيشرو در ساختار ستارگان و معلم سابق چاندراسخار بود او را ترغيب و وادار كرد تا تعقيب كار در اين خط دست بردارد و به جاي آن به مسايل ستاره شناسي مانند حركت خوشه هاي ستاره اي بپردازد. با اينهمه ، وقتي كه به او جايزه نوبل سال 1983 اعطا شد دستكم جزيي از موجباتش بخاطر كار پيشين او در تحديد جرم ستارگان سرد بود.
چاندراسخارا نشان داده بود كه اصل ناهمانندي پاولي نتوانست در همفرونشيني ستاره اي را كه جرمش از حد چاندراسخار بيشتر باشد تحمل كند اما مسئله استنباط اينكه، بر طبق نظريه نسبيت عام ، بر سر چنين ستاره اي چه خواهد آمد نخستين بار در سال 1939 بوسيله جواني آمريكايي به نام رابرت اوپنهايمر حل شد. با وجود اين ، دستاورد او مشعر بر اين بود كه هيچ گونه پيامدي مشاهداتي وجود ندارد كه بتواند از طريق تلسكوپ هاي امروزي آشكار شود. در همين اوان جنگ جهاني دوم پيش آمد و اوپنهايمر خودش در طرح ساخت بمب اتمي گرفتار شد . پس از پايان جنگ مسئله در همفرونشيني جاذبه اي تا حد زيادي به دست فراموشي سپرده شده زيرا بيشتر دانشمندان به رويدادهايي در مقياس اتم و هسته اش روي آورده بودند. با اين وصف ، در اوايل دهه 1960 با افزايش چشمگيري كه در تعداد و حيطه مشاهدات ستاره شناسي با بهره گيري از تكنولوژي نوين حاصل شد توجه به مسايل بلند مقياس نجومي قوت گرفت و علم هييت و دانش كيهاني رونقي تازه يافت و به دنبال آن دوباره كار اوپنهايمر بوسيله تعدادي از علاقمندان طرف توجه قرار گرفت و در طريق گسترش افتاد.
تصويري كه هم اكنون ما از كار اوپنهايمر داريم به شرح و تفسيري است كع مي خوانيد:
ميدان جاذبه اي ستاره مسير هاي اشعه نور را در فضا – زمان از امتداد اصلي خود يعني از امتدادي كه بي حضور آن ستاره ميبايد داشته باشد تغيير مي دهد.ميدان جاذبه اي ستاره مخروط هاي نوري را كه مسير هاي افشانه هاي نور صادره از رئوسشان در فضا – زمان تعيين مي كنند اندكي به سمت داخل سطح ستاره متمايل مي سازند ، اين عمل را مي توان به هنگام كسوف خورشيد عينا در خميدگي نور ساطعه از ستارگان دور دست مشاهده كرد. به محض اينكه ستاره منقبض مي شود ميدان جاذبه اي در سطح آن قوي تر شده و خمش مخروط نور به طرف آن بيشتر مي شود اين عمل رهايي نور را از آن ستاره دشوار تر ساخته و نور به نظر ناظري كه از فاصله دور آنرا مي نگرد تارتر و سرختر مي نمايد. سر انجام پس از اينكه شعاع كره ستاره در اثر انقباض آن تا رسيدن به مقداري بحراني كاهش يافت ميدان جاذبه در سطح آن بقدري قوي مي شود كه مخروط هاي نور را آنقدر به سمت سطح ستاره خم مي كند كه ديگر نور نمي تواند از آن بگريزد به موجب نظريه نسبيت عام هيچ چيز ديگري هم نخواهد توانست از چنگ آن رهايي يابد و هر چيزي با كمند ميدان جاذبه اي ستاره به پس كشيده شود.از اينرو در ناحيه اي از فضا – زمان مجموعه عوارضي وجود دارد كه خلاصي از آن براي رسيدن به ناظري دور مكان امكان پذير نيست. اين همان ناحيه اي است كه ما اكنون آنرا سياهچال مي ناميم و مرز آن با محيط پيرامونش را كه در حقيقت حريمي بي امنيت است – افق عارضه اي مي خوانيم كه بر پوشه مسير هاي اشعه نوري كه اكنون از نجات خود از اين سياهچال عاجزند منطبق است.
براي استدراك اينكه اگر شما ناظر بر در همفرونشيني ستاره اي درجريان تبديل آن به سياهچال بوديد چه مي ديديد بايد بياد بياوريد كه در نظريه نسبيت زمان مطلقي وجود ندارد و هر ناظري زمان را انطور كه اقتضاي او است مي سنجد. زمان براي كسي كه در ستاره اي مكان گرفته با زمان براي آنكه در فاصله دوري نسبت به او قرار گرفته فرق دارد. زيرا ميدان جاذبه اي آن ستاره در اين سنجش و اندازه موثر مي باشد. فرض كنيد فضانورد جسور و بي باكي بر سطح ستاره اي كه درحال همفرونشيني است ايستاده و به اتفاق آن به سوي درون مشغول در هم فرونشيني بوده و در سر هر ثانيه از روي ساعت خود علامتي به سفينه فضايي خود كه در حول آن ستاره مي گردد مخابره كند. اكنون فرض كنيد مثلا در ساعت 00/11 به ساعت او ستاره منقبض شده باشد كه شعاع كره آن به حد بحراني رسيده و ميدان جاذبه اي آن آنقدر قوي شده باشد كه هيچ چيز نتواند از آن بگريزد و علامتي هم ديگر به سفينه فضايي مخابره نشود. هنگامي كه ساعت به 00/11 نزديك مي شود همكاران اين فضانورد كه از سفينه فضايي مراقب او هستند متوجه مي شوند كه فاصله زماني بين علائم خبري متوالي كه از سوي فضانورد صادر مي شود طولاني تر و طولاني تر مي شود ولي آن اثر قبل از لحظه 5959/10 بسيار كوچك است و آنها بايد بين 5958/10و 5959/10 فقط تعداد بسيار اندكي بيشتر از يك ثانيه براي دريافت خبري از فضانورد صبر كنند اما براي دريافت علامتي در ساعت 00/11 بايد تا ابد صبر كنند از نظر ناظراني كه در سفينه فضايي قرار دارند امواج نوري كه از سطح ستاره به وسيله ساعت فضانورد بين لحظات 5959/10 و 00/11 فرستاده مي شوند در دوره اي نامتناهي از زمان به خارج انتشار مي يابد و فاصله زماني بين ورود امواج متواليه به سفينه فضايي طولاني و طولاني تر شده و نوري كه از ستاره ساطع مي شود سرخ تر و سرخ تر و تيره وتيره تر مي شود و سر انجام آن ستاره آنقدر تيره و تار خواهد شد كه ديگر از سفينه فضايي ديدار پذير نخواهد بود يعني : آنچه كه از آن باقي مي ماند سياهچالي است در فضا ، با اينهمه ستاره به اعمال همان نيروي جاذبه اي به سفينه فضايي ادامه مي دهد تا گردش آنرا درحول سياهچالي كه بدست خود ساخته است تداوم بخشد.
با اين اوصاف اين صحنه سازي به دليل مسئله زير كاملا واقع بينانه نيست : هر چه شما از ستاره دورتر باشيد اثر نيرو جاذبه آم بر شما ضعيف تر مي شود بنابراين نيروي جاذبه وارد بر پاهاي فضانورد جسور ما هميشه بيش از نيروي جاذبه وارد بر سر او خواهد بود اين اختلاف فشار فضانورد ما را پيش از انقباض ستاره تا شعاع بحراني خود و تشكيل افق عارضه همانند اسپاگتي كش داده و يا اورا از هم جر مي دهد! با وجود اين ما بر اين باوريم كه در اين عالم كبير اجسام بزرگتري نطير ناحيه مركزي كهكشان ها وجود دارند كه مي توانند انقباض جاذبه اي را تاحد سياهچال ها تحمل كنند و فضانوردي كه برروي يكي از اينها قرار گرفته باشد پيش از شكل گرفتن سياهچال از هم دريده نخواهد شد و در واقع در موقع حصول شعاع بحراني ، او چيز ويژه اي را احساس نخواهد كرد و مي تواند بي ديدن لحظه اي كه ديگر گريزي از آن محل برايش ميسر نيست آنرا از سر بگذراند. با اين وصف ، در ظرف فقط چند ساعتي كه از ادامه در همفرونشيني آن ناحيه گذشت آنگاه اختلاف بين نيرو هاي جاذبه وارد بر پاها و سر او آنقدر قوي خواهد شد كه باز هم او را خواهد دريد.
كاري كه راجر پن روز و ن بين سال هاي 1965 و 1970 انجام داديم نشان داد كه به موجب نظريه نسبيت عام بايستي در رابطه با نامتناهي بودن چگالي و بينهايت بودن خميدگي فضا – زمان ، درون يك سياهچال يك تكينگي وجود داشته باشد كه تا اندازه اي شبيه به حالت انفجار بزرگ در آغاز زمان است فقط با اين تفاوت كه اين تكينگي پاياني از زمان براي همفرونشيني ستاره و فضانورد مي باشد.در اين تكينگي قوانين علمي و توانايي ما براي پيشگويي آينده دستخوش از هم فروپاشي مي شود. با وجود اين هر ناظري كه در بيرون سياهچال باشد از نقيصه اي كه درقابليت پيشگويي ما پديد آمده است متاثر نخواهد شد زيرا نه نور و نه هيچ علامت خبري ديگري نمي تواند از اين تكينگي به او برسد. اين حقيقت شايان تامل و در خور توجه راجرپن روزا به آنجا رهنمون شد تا پيش فرض سانسور صفتي كيهاني را عرضه بدارد كه مي شود آنرا به اين گونه تاويل كرد : خداوند از تكينگي عريان و بي پرده متنفر و بيزار است. به ديگر سخن تكينگي هايي كه از طريق در همفرونشيني جاذبه اي بوجود مي آيند فقط در مكان هاي شبيه سياهچال ها بوقوع مي پيوندند كه درآنجا آنها بوسيله افق عارضه اي از چشمرس بيرون به نحو شايسته اي پنهان هستند. دقيقا اين همان چيزي است كه به پيش فرض سانسور صفتي بودن ضعف كيهاني شناخته شده است : اين خصيصه ناظراني را كه در بيرون سياهچال باقي مي مانند از عواقب لغو قابليت پيشگويي كه در موقع تكينگي رخ مي دهد حفظ و حراست مي كند ولي براي فضانورد بدبخت فلك زده كه در آن چاله افتاده به هيچ وجه كاري انجام نمي دهد.
براي معادلات نسبيت عام كه در آنها براي فضانورد ما امكان ديد يك تكينگي بي پوشش و عريان ميسر باشد راه حلهاي چندي وجود دارند تا : شايد او بتواند از برخورد با اين تكينگي دوري گزيند و بجاي آن با افتادن در يك راه مارپيچ در نقطه ديگري از كيهان سر بيرون آورد. اين امر امكاناتي بزرگي را براي مسافرت هاي فضا – زماني فراهم خواهدساخت اما بدبختانه چنين به نظر مي رسد كه تمام اين راه حلها ممكن است بسيار ناپايدار باشند و كمتر ين اختلالي مانند حضور يك فضانورد ممكن است طوري آنها را تغيير دهد كه فضانورد نتواند تكينگي را تاوقتي كه به آن برخورد نكرده مشاهده كند يعني وقتي كه كار از كارگذشته وزمان براي اوبه پايان رسيده است. به عبارت ديگر ، اين تكينگي هميشه در آينده او وجود خواهد داشت و هرگز در گذشته او موجود نبوده است . تاويل محكم و ميتن پيش فرض سانسور صفتي جهان هستي شارح آنست كه درراه حلي واقع بينانه ، تكينگي ها همواره يا كاملا در آينده قرار دارند ( مانند تكينگي هاي در همفرونشيني جاذبه اي ) و يا كاملا در گذشته وقوع يافته بوده اند ( مانند تكينگي انفجار بزرگ ) بايد اميد بسيار داشت كه برخي از تفسير هاي پيش فرض سانسور صفتي جهان هستي تحقق يابد زيرا شايد مسافرت به گذشته همدوش با تكينگي هاي آشكار و برهنه امكان پذير باشد. با اينكه چنين تفسيري براي نويسندگان افسانه هاي علمي- تخيلي ، نغز و زيبا است ولي معناي آن اين است كه زندگي هيچ كس هميشه ايمن نيست چرا كه : ممكن است كسي به درون گذشته برود و پيش از آنكه شما آگاه شويد پدر و مادرتان را به قتل برساند!
افق عارضه و يا مرز ناحيه اي از فضا – زمان كه گريز از آن امكان پذير نيست تا اندازه اي همانند سراپرده اي با راه يك طرفه در پيرامون سياهچال عمل مي كند يعني : در آن افتادن همان و تا ابد در آنجا ماندن همان ، چيزهايي مانند فضانورد بي تدبير مي توانند از طريق افق عارضه بدرون سياهچال فروروند ليكن هرگز چيزي نمي تواند از طريق افق عارضه از اين سياهچال به خارج فرار كند.( بياد داشته باشيد كه افق عارضه مسير نوري است در فضا – زمان كه در تلاش رهايي از سياهچال مي باشد و ضمنا هيچ چيز تندتر از نور حركت نمي كند . ) ممكن است كسي افق عارضه را باگفته دانته در مدخل جهنم هم مضمون بداند كه گفت : هر كس كه وارد اين جا شود همه اميدش را از دست مي دهد. هر چيز يا هر كسي كه از طريق افق عارضه در اين چاه ويل فرو افتاد بزودي به ناحيه اي خواهد رسيد كه در آن چگالي به بي نهايت و زمان به غايت رسيده است.
نظريه نسبيت عام پيشگويي مي كند كه اجسام سنگين و متحرك موجب انتشار امواج جاذبه اي و چين خوردگي هاي در خميدگي فضا مي شوند كه با سرعت نور حركت مي كنند. اينها هم مانند امواج نوراني هستند كه چين خوردگي هاي در ميدان الكترو مغناطيسي مي باشند. ولي آشكار ساختن آنها به مراتب مشكل تر است ، آنها هم مانند نور انرژي اجسام ناشر خودشان را به يغما مي برند. بنابراين ممكن است كسي انتظار اين را داشته باشد كه منظومه از اجسام جسيم سرانجام در هم فرو نشسته و به حالت سكون در آيد ، زيرا انرژي آنها به وسيله امواج جاذبه اي تاراج مي شود. ( اين تا اندازه اي شبيه سقوط چوب پنبه اي به درون آب است يعني : در ابتدا مدتي بر روي سطح آب پايين و بالا مي رود ولي سرانجام پس از اينكه چين خوردگي هاي سطح آب انرژي انرا چپاول كردند بي رمق وناتوان بر روي سطح آب ساكن مي شود ).مثلا حركت زمين در مدار خود به دور خورشيد مولد امواج جاذبه اي است و اثر از بين رفتن انرژي آن سبب تغيير مدار حركت زمين مي شود به قسمي كه اين مدار به تدريج به خورشيد نزديك تر و نزديك تر شده و سرانجام به آن تصادم كرده و به حالت سكون در مي آيد شدت افت انرژي براي خورشيد و زمين بسيار كم و به اندازه اي است كه براي كار اندازي يك نجاري برقي كافي باشد. اين به معني آن است كه تقريبا يك هزار ميليون ميليون ميليون ميليون سال به درازا مي كشد تا زمين در مسيري حلزوني به خورشيد به پيوندد. بنابراين موجبي آني براي نگراني موجود نيست. تغيير مدار زمين بسيار به كندي انجام مي گيرد و قابل مشاهده نيست ليكن همين اثر در چند سال گذشته در مورد منظومه اي موسوم به PSR1913+16 در حال وقوع بوده است. اين منظومه داراي دو ستاره نوتروني است كه هر يك به دور ديگري مي گردد و مقدار انرژي كه آنها از طريق انتشار امواج جاذبه اي از دست مي دهند موجب گردش آنها در مسير مارپيچي به سوي يكديگر مي شود.
در طول مدت در هم فرونشيني يك ستاره براي تشكيل يك سياهچال ، حركات بسيار تندي خواهند شد و به اين ترتيب شدت انرژي بر باد رفته خيلي بيشتر مي شود بنابراين زمان رسيدن آن ستاره به حالت سكون طولاني نخواهد بود. حال ببينيم اين مراحل پاياني شبيه چيست؟ ممكن است كسي تصور كند كه شباهت اين مرحله به همه كميت ها و كيفيت هاي پيچيده ستاره بستگي دارد كه در شكل گرفتن سياهچال دخالت داشته اند يعني نه تنها به جرم و سرعت دوران ستاره بلكه همچنين به چگالي هاي مختلف اجزاء گوناگون آن و حركت هاي پيچيده گازهاي درون ستاره وابسته مي باشد. و اگر سياهچال ها هم به گوناگوني همان اجسامي بودند كه با در همفرونشيني خود آنها را تشكيل داده اند آنگاه هر گونه پيشگويي درباره سياهچال ها به طور كلي شايد دشوار باشد.
با اينهمه در سال 1967 دانشمندي كانادايي بنام ورنراسرائيل در مطالعه و بررسي سياهچال ها انقلابي پديد آورد . او نشان داد كه بر طبق نظريه نسبيت عام سياهچالهاي غير دوار بايد خيلي ساده باشند. شكل اين نوع سياه چال ها بايد كاملا كره بوده و ابعادشان بستگي به جرمشان داشته و هر زوج از آنها كه جرمشان با هم برابر باشد يكسان مي باشند.در حقيقت مي توان اين سياه چالها را با راه حل ويژه اي از معادلات انيشتن كه از سال 1917 معروفيت يافته اند توجيه كرد. اين راه حل ، كوتاه زماني پس از عرضه نظريه نسبيت عام ، به وسيله كارل شوارتزشيلد كشف شد. در آغاز افراد بسياري از جمله خود اسرائيل معتقد بودند كه چون سياه چالها بايد كاملا كروي باشند پس سياه چالها فقط مي توانند از در همفرونشيني يك جسم كاملا كروي تشكيل شوند. بنابراين هر ستاره حقيقي كه هرگز نمي تواند كره كاملي باشد – تنها مي تواند درشكل يك تكينگي عريان در همفرونشيند.
با اينهمه ، تاويل متفارتي از دستاورد اسرائيل وجود داشت كه مورد حمايت راجرپنروز بويژه جان ويلر قرار گرفت. آنان بر اين باور بودند كه حركات سريعي كه مستلزم در همفرونشيني يك ستاره مي باشند به معناي اين است كه امواج جاذبه اي كه اين ستاره منتشر مي كند كرويت آنرا به طور مستمر افزايش مي دهند و زماني كه آن ستاره به حالت سكون برسد كرويتي كامل خواهد داشت. برطبق اين نظر هر ستاره غير دواري با وجود شكل پيچيده و ساختار دروني غامض خود پس از همفرونشيني جاذبه اي به سياهچال كاملا كروي تبديل مي شود كه اندازه اش تنها به جرمش بستگي دارد. محاسبات بعدي مويد اين نظر بودند و به طور كلي مورد پذيرش قرار گرفت.
دستاورد ورنر اسرائيل سياهچالهايي را در بر مي گرفت كه فقط از اجسام غير دوار شكل گرفته بودند.يكي از شهروندان زلاندنو به نام روي كرا در سلا 1963 موفق به كشف مجموعه اي از راه حلهاي معادلات نسبيت عام شد كه سياهچالهاي دوار را تشريح مي كردند. سياهچالهاي كري با سرعت ثابتي دوران مي كنند و اندازه و شكل آنها تنها به جرم و نر دوران آنها بستگي دارد. اگر اين نرخ صفر باشد آن سياهچال كاملا مدور بوده و راه حل مربوط به آن با راه حل شوارتز شيلد يكسان است. اگر دوران مخالف صفر باشد سياهچال از نزديك خط استوايش به بيرون شكم مي دهد ( عينا مانند شكم دادن خورشيد يا زمين در نتيجه دوران به دورخودشان ) و هر چه تندتر به چرخد بيشتر شكم مي دهد. به اين ترتيب براي تعميم دستاورد اسرائيل به اجسام دوار كمان بر اين است كه هر جسم دواري كه براي تشكيل سياهچالي درهم فرونشيند سرانجام به حالت سكوني كه راه حل ( كري ) آنرا تشريح كرده درمي آيد.
در سال 1970 يكي از دانشجويان و همكاران پژوهشي من در دانشگاه كمبريج بنام براندون كارتر نخستين گام را درراه ايقان و اثبات چنين گماني برداشت. او نشان دا به شرطي كه يك سياهچال دوار و ساكني داراي محور متقارني نظير محور يك فرفره چرخان باشد اندازه و شكلش فقط به جرم ونرخ دوارنش بستگي دارد. سپس در سال 1971 من ثابت كردم كه هر سياهچال دوار ساكني در واقع داراي چنين محور تقارني هست. سرانجام در سال 1973 ديويد رابينسون از دانشكده پادشاهي لندن از دستاورد هاي كارتر و من براي اثبات صحت آن گمان بهرمند شد: يك چنين سياهچالي در حقيقت بايد پيرو راه حل كري. از اين قرار يك سياهچال پس از در همفرونشيني جاذبه اي بايد به حالتي در آيد كه بتواند در آن دوران كند اما نه ضربان افزون براين شكل و اندازه آن وابسته به جرم و نرخ دورانش باشد نه به جنس جسمي كه با آن در هم فرونشيني خود را آغاز كرده است.اين نتيجه به اين قضيه معروف شد كه : سياهچال زلف ندارد. قضيه بي زلفي واجد اهميت عملي بزرگي است زيرا تنوع سياهچالها را به شدت محدود مي كند بنابراين امكان ساختن مدل هاي اجسامي كه ممكن است شامل سياهچال هاي باشند ميسر مي شود و مقايسه پيشگويي هاي اين مدل ها با مشاهدات انجام پذير ميشود. اين قضيه همچنين گويايي آن است كه هنگامي كه سياهچالي شكل گرفت بايد مقادير بسيار زيادي اطلاعات مربوط به جسمي را كه در همفرونشسته است از دست داده زيرا پس از آن تمام چيز هاي قابل اندازه گيري آن جسم شايد جرم و سرعت دوران آن باشد كه مراد از آن را در بخش بعدي كتاب خواهيم ديد.
سياهچالها در تاريخ علم يكي از موارد بسيار نادري هستند كه در آن يك نظريه اي همانند يك مدل رياضياتي پيش از وجود هر گونه و مدرك مشاهداتي كه دال بر صحت آن باشد با طول و تفسير زياد بسط و گسترش يافت. و در حقيقت همين به عنوان دليلي اصلي مورد استفاده مخالفان وجود سياهچالها قرار گرفت كه مي گفتند: چگونه ممكن است كسي به اجسامي معتقد باشد كه تنها سند وجودي آنها بر اساس محاسبات نظريه تردد آميز و پرسش بر انگيز نسبيت عام استوار باشد؟ با اين وصف ، مارتن اشميت ستاره شناس رصدخانه پالومر كاليفرنيا در سال 1963 سرخ گرايي يك جسم شبه ستاره تيره رنگ را در راستاي منبع انواج راديوي موسم به 3C273 اندازه گرفت. او كشف كرد كه اين سرخ گرايي از نوع گرانشي باشد آنگه آن شبه ستاره بايد به اندازه اي تنومند و بقدري به ما نزديك باشد كه موجب اختلال در مدارات سيارات منظومه شمسي گردد اما اين قضيه در عوض به ما چنين مي فهمانيد كه سبب اين سرخ گرايي انبساط عالم هستي است كه آن هم به نوبه خود اشاره بر اين داشت كه چنين جسمي بايد در فاصله بسيار دوري قرارداشته وبراي اين كه از اين فاصله بعيد قابل ديد باشد بايستي بسيار درخشان و فروزان بوده و به عبارت ديگر در حال انتشار مقدار عظيمي انرژي باشد. به نظر مي آمد كه تنها مكانيسمي كه مردم مي توانستند در مورد منبع و علت توليد چنين انرژي بزرگي به آن به انديشند نه فقط در هم فرونشيني يك ستاره بلكه در هم فرونشيني كل ناحيه مركزي كهكشان باشد. تعداد اجسام ديگر موسوم به كوازار كشف شدند كه همه آنها به مقدار زياد سرخ گرا بودند ليكن همگي به اندازه اي از ما دور هستند كه مشاهده آنها براي فراهم كردن مدركي قاطع از سياهچال ها بسيار دشوار است . دل گرمي ديگري كه براي يافتن اثر از سياهچال ها حاصل شد از طريق اكتشافي در اجرام آسماني بود كه ناشر ضربان هاي منظمي از امواج راديوي بودند و كاشف آن يك دانشجوي تحقيقاتي كمبريج بنام جاسليمبل بود كه در سال 1967 يافته خود را عرضه كرد. بل و سرپرست او به نام انتوني هيوايش در آغاز خيال مي كردند كه شايد با تمدني بيگانه در كهكشان تماس گرفته اند به ياد دارم كه در سميناري كه آنها يافته خود را اعلام كردند نام نخستين منابع چهار گانه اي راكه كشف كرده بودند ( LGH1_4 ) گذشته بودند ( مخفف آدم كوچولو هاي سبز مي باشد ) با اين وصف درپايان اين سمينار ، هم ايشان و هم ديگران به اين نتيجه كمتر خيالي رسيدند كه اين اجسام كه به آنها نام ستاره هاي طپنده داده شده بود در حقيقت ستاره هاي نوترني دواري هستند كه به دليل فعل و انفعالي پيچيده بين ميدان مغناطيسي خودشان و مواد پيرامونشان در حال انتشار امواج راديوي مي باشند.اين دستاورد براي نويسندگان وسترن هاي فضايي ، خبر بدي بود ولي براي تعداد اندكي از ما كه در آن زمان به سياهچال ها معتقد بوديم مژده اي اميدوار كننده بود يعني : آن نخستين شاهد مثبت از ستاره هاي نوتروني بود يك ستاره با شعاعي در حدود 16 كيلومتر است يعني فقط جند برابر شعاع بحراني كه به ازاء آن ستاره اي تبديل به يك سياهچال مي شود اگر ستاره اي بتواند تا به اين حد كوچكي درهم فرونشيند توقع اينكه ستارگان ديگري هم بتوانند حتي تا اندازه اي كوچكتري در هم فرو نشسته و به سياه چال تبديل شوند غير منطقي نخواهد بود.
ما چگونه مي توانيم به آشكار ساختن سياه چالي اميدوار باشيم كه همان گونه مه از نامش پيدا ست هيچ نوري از آن ساطع نمي شود؟ اين تا اندازه اي شبيه جستجوي گربه سياهي درذغالدوني است. اما راهي بر اي آن وجود دارد. همانطور كه جان ميچل در سال 1783 در رساله راهگشاي خود خاطر نشان ساخت يك سياه چال هنوز هم به اجسام مجاور خود يك نيرو جاذبه وارد مي كند. ستاره شناسان، منظومه هاي بسياري را مشاهده كرده اند كه در آنها دو ستاره به دور يكديگر گردش مي كنند و با نيروي جاذبه به سوري يكديگر كشيده مي شوند، آنان همچنين منظومه هاي را ديده اند كه در آنها تنها يك ستاره مرئي در حول يك همبازي نامرئي گردش مي كند. بديهي است كه كسي نمي تواند في الفور داوري كند كه آن همبازي يك سياه چال استزيرا شايد: آن صرفا ييك ستاره خيلي كم نوري باشد كه به ديده در نيايد. با اينهمه برخي از اين منظومه ها مانند منظومه معروف به صروت فلكي غرنوق نيز منيع سرشاري از اشعه ايكس هستند بهترين توضيح براي اين پديده اين است كه بگوييم ماده درون اين ستاره نامريي از سطح آن به بيزون فوران كرده است و هنگامي كه اين ماده بدنبال همبازي نامريي خود مي افتد حركتي مارپيچي پديدار كرده ( تا اندازه اي شبيه جهش آب از يك آبپاش يا فواره ) و بسيار داغ و سوزان شده و شروع به انتشار اشعه ايكس مي كند.براي اين كه چنين مكانيسمي به تحقق بپيوندد آن جسن نامريي بايد همانند يك كوازار يا شبه ستاره نوتروني يا يك سياهچال كوچك باشد.كمترين جرم اين جسم ناپيدا را مي توان به وسيله مدار مشهود آن ستاره مرئي تعيين كرد.اين جرم در مورد صورت فلكي غرنوق تقريبا 6 برابر خورشيد مي باشد كه بر طبق دستاورد چاندراسخار براي جسمي نامرئي كه به صورت كوازار باشد اين مقدار بسيار زياد به نظر مي رسد و نيز براي ستاره نوتذوني جرمي عظيمي به شمار مي رودبنابراين اين جسم پرده نشين بايد يك سياهچال باشد.
براي توضيح صورت فلكي غرنوق مدلهاي ديگري وجود دارند كه سياهچال ها را در بر نمي گيرند لكن همگي تا اندازه اي بلا تشبيه مي باشند ، به نظر مي رسد كه يك سياهچال بايد تنها توضيح طبيعي و راستين در اين مشاهدات باشد. با وجود اين من با انيسيتو تكنولوژي كيپ تورنه كاليفرنيا شرط بسته ام كه صورت فلكي غرنوق شامل سياهچالي نباشد! اين نوع خط مشس به منزله بيمه اي براي من است . من كارهاي بسياري بر روي سياهچال ها انجام داده ام كه اگر معلوم شود سياهچالي وجود ندارد همه زحمات من برباد خواهد رفت ولي در آن صورت تنها مايه دلداري من ارمغاني است كه از برنده شدن در اين شرط بندي عايدم مي شود يعني دريافت چهار سال مجله Private Eye . اما اگر وجود سياه چالي محقق شود سازمان كيپ برنده يكسال مجله Pent House خواهد شد. وقتي كه ما در سال 1975 اين شرط را مي بستيم تا هشتاد در صد يقين داشتيم كه صورت فلكي غرنوق يك سياه چال است و در حال حاضر بايد بگوييم كه يقين ما به نود و پنج درصد رسيده است ليكن آن شرط هنوز باقي و بر قرار است.
ما اكنون هم مداركي براي سياه چالهاي متعدد ي در منظومه هاي نظير صورت فلكي غرنوق داريم كه در كهكشان خودمان و در دو كهكشان همسايه ما ( ابر هاي ماژلان ) وجود دارند، با اين حال تعداد سياهچال ها تقريبا به طور يقين بايد خيلي بيشتر از اينها باشد ، در طول تاريخ دور و دراز كيهان بايد سوخت هسته اي بسياري از ستارگان به پايان رسيده باشد و گرفتار در همفرونشيني شده باشند. حتي تعداد سياهچالهابايد افزونتر از ستارگان مرئي باشد كه تعدادشان فقط در كهكشان ما تقريبا بالغ بر صد هزار ميليون است. نيروي جاذبه خارق العاده چنين تعداد عطيمي از سياهچال ها مي تواند گوياي اين باشد كه چرا كهكشان ما با چنين سرعتي كه اكنون دارد دوران مي كند؟ زيرا جرم ستارگان مرئي موجود در كهكشان ما براي محاسبه چنين سرعتي به تنهايي كافي نيست. ما همچنين داراي شواهد و مداركي چند مي باشيم مشعر بر اينكه سياه چالي با جرم خيلي بيشتري در مركز كهكشان ما وجود دارد كه جرم آن در حدود يك صد هزار برابر جرم خورشيد است. ستارگان موجود در اين كهكشان كه زياد به اين سياهچال نزديك مي شوند در نتيجه اختلاف حاصل در نيروهاي جاذبه اي در دو سمت دور و نزديكشان از هم دريده خواهند شد وبقاياي آنها و گازي كه از ستارگان ديگر متصاعد مي شود به سوي اين سياهچال كشيده شد و همانند صورت فلكي غرنوق اين گاز ها با هم در مسيري مارپيچي چرخزنان به درون آن فرو خواهند رفت و در اين ضمن گرم هم مي شوند ولي نه به درجه اي كه در آن مورد گرم مي شدند يعني به آن اندازه گرم نمي شوند كه بتوانند اشعه ايكس از خود منتشر سازند ليكن گرماي آن به حدي مي رسد كه بتوانند براي همين منبع متراكم امواج راديويي و پرتو هاي فرو تر از سرخي كه از مركز كهكشانها صدار مي شوند پاسخي فراهم سازند.
گمان مي رود سياهچال هاي مشابه ولي بزرگتري با جرمهايي نزديك به يكصد ميليون برابر خورشيد وجود داشته باشند كه درمراكز كوازار ها قرار دارند. ماده اي كه درون چنين سياهچال مافوق سنگيني فرو مي افتد يگانه منبع پر قدرتي را بوجود مي آورد كه بتواند آن مقادير عظيمه انرژي را كه اين اجسام در حال انتشار آنها هستند تبيين و تشريح كند ، به محض آنكه ماده به درون سياهچال تنوره مي كشد آنرا در همان جهتي بدوران در آورد كه موجب پيدايش يك ميدان مغناطيسي شود كه تا اندازه اي شبيه ميدان مغناطيسي زمين است. ماده ساقطه در اين سياهچال در نزديكي آن ذراتي بسيار پر انرژي توليد خواهند كرد و كيدان آهن ربايي حاصله به اندازه اي توانمند است كه مي تواند اين ذرات را به صورت افشانه هايي در آورد كه از دو انتهاي محور دوران يعني در امتداد قطبهاي شمال و جنوب سياهچال به بيرون فوران كنند چنين افشانه اي در تعدادي از كهكشانها و كوازار ها واقعا مشاهده شده اند.
همچنين مي توان سياه چال هايي رامشاهده كرد كه جرمي بسيار كمتر از جرم خورشيد دارند چنين سياهچالهاي نمي توانند از طريق در همفرونشيني جاذبه اي شكل گرفته باشند زيرا جرم آنها پايين تر از حد جرمي چاندراسخار است و ستارگاني با اين جرم كم حتي با پايان رسيدن سوخت هسته ايشان نم مي توانند در برابر نيروي جاذبه اي حافظ خود باشند. تشكيل سياهچالهاي كم جرم فقط در صورتي امكان پذير است كه ماده آنها تحت فشار هاي بسياز زياد تا رسيدن به چگالي هاي فوق العاده بالا در هم فشرده شوند چنين فشار هايي در بمب هاي هيدروژني خيلي حادث مي شود و : جان ويلر فيزيكدان معروف يك بار حساب كرده بود كه اگر كسي تمام آب هاي سنگين اوقيانوس هاي روي زمين را گردآوري كند آنگاه مي تواند از آنها بمب هيدروژني بسازد كه فشار حاصل از انفجار آن بقسمي ماده را به مركزش فشار دهد كه تبديل به سياهچال شود. امكان عملي تر آنست كه يك چنين سياهچالهاي كم جرمي ممكن است در همان اوايل آفرينش كيهان كه بر آن درجه حرارت و فشار زيادي حاكم بوده است تشكيل شده باشند سياهچالها فقط در صورتي مي توانند تشكيل شده باشند كه كيهان در اوايل بوجود آمدنش كاملا هموار و يكنواخت نبوده باشد زيرا فقط در صورتي كه ناحيه كوچكي از آن چگالي از حد ميانگين باشد مي تواند با اين شيوه در هم فشرده شود تا به تشكيل سياهچالي بينجامد فقط ما مي دانيم كه درآن ازمنه بايد بي نظمي هايي وجود مي داشته است زيرا در غير اين صورت ماده موجود در عالم خلقت بايد هنوز هم بجاي اينكه در ستاره ها و كهكشانها بروي هم تل انبار شده باشدبكونه اي يكنواخت در سراسر عالم پخش شده باشد.
الزامي بودن وجود اين ناهمگوني ها به عنوان خمير مايه اي براي تشكيل سياهچالها رهنمون اين نكته است كه تشكيل سياهچال هاي ابتدايي بطور وضوح بستگي به جزييات شرايط و اوضاع و احوال اوايل كيهان دارد. به اين ترتيب اگر ما بتوانيم تعيين كنيم كه هم اكنون چند سياهچال ابتدايي وجود دارد آنگاه مي توانيم طلاعات بسياري از همان مراحل اوليه كيهان فراگيريم. ساه چال هاي ابتدايي را كه داراي جرمي بيشتر از يك هزار ميليون تن باشند ( يعني برابر با جرم يك كوه بزرگ ) مي توان فقط از طريق اثر جاذبه اي آنها بر ديگران برماده مرئي يا انبساط جهان به شناسايي در آورد .
به نقل از سي پي اچ
منبع :almassi.persianblog.com
اگر در سياهچاله بيفتم چه اتفاقي براي من مي افتد؟
فرض كنيد سوار بر فضا پيماي خود به طرف سياهچاله اي كه ميليون برابر خورشيد جرم دارد و در مركز كهكشان ما قرار دارد ،حركت مي كنيد .(واقعا جاي بحث دارد كه آيا در مركز كهكشان ما سياهچاله وجود داشته باشد،فرض كنيد چنين چيزي باشد.)
در فاصله بسيار دوري از سياهچاله موشك خود را خاموش كنيد.چه اتفاقي مي افتد؟
اوايل شما هيچ نيروي گرانشي احساس نمي كنيد،ز يرا در حال سقوط آزاد هستيد.همه اعضاي بدن شما و فضا پيما به طور يكساني كشيده مي شوند. به خاطر همين احساس بي وزني مي كنيد.
(اين واقعا همان چيزي است كه براي فضا نوردان در مدار زمين اتفاق مي افتد.حتي اگر نيروي گرانش فضا نورد را به طرف زمين بكشد،هيچ نيروي گرانشي احساس نمي كند.زيرا همه چيز به طور يكساني كشيده مي شود).همچنان كه به مركز سياهچاله نزديك مي شويد احساس نيروي گرانش كشندي مي كنيد.فرض كنيد كه پا هاي شما نسبت به سرتان به مركز سياهچاله نزديكتر باشند.با نزديك شدن شما به مركز سياهچاله نيروي گرانش بيشتر وبيشتر مي شود ،بنا براين پاهايتان نسبت به سرتان تحت تا ثير نيروي گرانش بيشتري قرار مي گيرند،بنابراين احساس كشيدگي مي كنيد.(اين همان نيروي كشندي است و شبيه همان نيرويي است كه باعث جزر و مد روي كره زمين مي شود).همچنان كه به مركز نزديك و نزديكتر مي شويد اين نيرو قوي و قوي تر مي شود،و سر انجام باعث پاره شدن بدن شما مي شود.براي سياهچاله هاي بزرگي مانند اين سياهچاله اي كه در آن افتاده ايد ،نيروي كشندي تا حدود ششصد هزار كيلومتر (km600000)دورتر از مركز آن قابل توجه نيست.
اگر در سياهچاله كوچكتري مي افتاديد ،مثلا سياهچاله اي كه جرم آن در حدود جرم خورشيد است ،در شش هزاركيلومتري(km6000) مركز سياهچاله ،نيروي جزر ومدي شما را تحت تاثير قرار مي دهد،وخيلي قبل از آنكه از افق سياهچاله عبور كنيد،بدن شما را پاره مي كند.(به خاطر همين سياهچاله بزرگي را فرض كرديم ،چون مي خواستيم حد اقل تا زماني كه به داخل سياهچاله وارد شويد زنده بمانيد).
شما در زمان سقوط چه چيزي را مشاهده مي كنيد؟با كمال تعجب چيز خاصي نمي بينيد.تصوير اشياي دور ممكن است به دلايل ناشناسي كج شوند،چون گرانش سياهچاله نور را به طرف خود مي كشد؛ اين درون سياهچاله اتفاق مي افتد.هنگامي كه شما از پيرامون سياهچاله عبور مي كنيد تصوير اشياء خارجي را مي بينيد،زيرا نور اشياءخارجي هنوز به شما مي رسد.هيچ كس از بيرون نمي تواند شما را ببيند،زيرا نور پراكنده از شما نمي تواند از گرانش سياهچاله بگريزد.
اين سفر شما چقدر طول مي كشد؟ بستگي دارد كه از كجا (چقدر دورتر)شروع كرده باشيد.
فرض كنيد در حال سكون از جايي شروع كنيد كه ده برابر شعاع سياهچاله باشد.پس براي سياهچاله اي كه ميليون برابر خورشيد جرم دارد ،حدود هشت دقيقه طول مي كشد تا به آنجا برسيد.بعد از آنكه اين فاصله را پيموديد،فقط هفت ثانيه طول مي كشد كه شما با نقطه تكين برخورد كنيد.اين زمان بستگي به اندازه سياهچاله دارد .بنا بر اين اگر در سياهچاله كوچكتري بيفتيد زمان مرگ شما زود تر فرا مي رسد.بعد از آنكه از افق سياهچاله عبور كرديد در هفت ثانيه باقيمانده ممكن است وحشت كنيدو نا اميدانه تمام تلاش خود را بكنيد و موشك خود را روشن كنيد تا از اين نقطه تكين دور شويد.متا سفانه،بي فايده است چون نقطه تكين جلوي شما قرار دارد و هيچ راهي براي دور شدن از آن وجود ندارد.در حقيقت به سختي مي توانيد موشكتان را روشن كنيد و به زودي با نقطه تكين برخورد مي كنيد.تجربه خوبي است به شرطي كه برگرديد و از ادامه مسافرت لذت ببريد.
منبع :parash.persianblog.com
رشد سیاه‌چاله‌های مرکزی کهکشان‌ها
جزیه و تحلیل ژرف ترین تصویر تلسکوپ فضایی هابل از کیهان نشان داده است که سیاه چاله های غول پیکر که در مرکز کهکشان ها یافت می شوند، از ابتدا با این اندازه متولد نشده و به دنبال ترکیب کهکشان ها با یکدیگر، رشد کرده و به این اندازه رسیده اند.
راجیر ویندهورست، از دانشگاه ایالتی آریزونا و عضو یکی از دو گروه انجام دهنده این تحقیق، می گوید؛ «با بررسی کهکشان های دوردست در «تصویر فرا ژرف هابل» (hudf)، نخستین مدارک در مورد ارتباط بین رشد سیاه چاله های بسیار پرجرم و ترکیب کهکشان ها به دست آمده است. سیاه چاله ها از طریق جذب و بلعیدن ستارگان، غبار و گاز رشد می کنند.
هنگامی که دو کهکشان با یکدیگر ترکیب می شوند این نوع اجرام بیشتر در دسترس سیاه چاله های مرکزی قرار می گیرند. دو تیم تحقیق کننده روی این موضوع نتایج کار خود را در کنفرانس خبری در دهم ژانویه که در دویست وهفتمین جلسه انجمن نجوم آمریکا در شهر واشنگتن برگزار شد، اعلام کردند.
سیاه چاله جسمی بسیار پرجرم است که به دلیل جرم بالای خود و چگالی بسیار زیاد آن تمایل به بلعیدن تمام اجرام موجود در اطراف خود را دارد. بر اساس یک نظریه، در مرکز کهکشان ها ابرسیاه چاله هایی وجود دارند که باعث می شوند تا کهکشان به شکل منسجم در بیاید و به دور سیاه چاله بچرخد. بررسی های جدید نشان می دهند که این ابرسیاه چاله ها بر اثر ترکیب دو کهکشان و بلعیدن مقدار بیشتری ماده، بزرگ تر می شوند و رشد می کنند. به این عمل «تغذیه سیاه چاله» می گویند.
مطالعات انجام شده در «تصویر فراژرف هابل»،پیش بینی های شبیه سازی های کامپیوتری را تایید می کند. در این مدل ها، کهکشان های تازه ترکیب شده آنقدر از غبار پوشیده شده اند که منجمان جذب و بلعیده شدن جرم های بسیار بزرگ توسط سیاه چاله مرکزی را نمی بینند. پس از وقوع این ترکیب های کهکشانی، صدها میلیون تا یک میلیارد سال طول می کشد تا غبار ایجاد شده در اطراف کهکشان ترکیبی پاک شود و منجمان تغذیه سیاه چاله مرکزی توسط ستارگان و گازها را مشاهده کنند. یکی از علائم وقوع این تغذیه، تغییر روشنایی این کهکشان ها در طول زمان است.
دو تیم «تصویر فرا ژرف هابل» معتقدند که در تحول کهکشان ها دو بخش کاملا جدا وجود دارد؛ بخش اول یا مرحله نوزادی که نمایانگر کهکشان هایی است که تازه به هم پیوسته اند و غبار موجود در اطراف آنها مانع از دیده شدن سیاه چاله مرکزی می شود و بخش دوم مرحله تغییرات نوری است که در آن کهکشان ترکیبی آنقدر از غبار پاک شده است که مواد در حال بلعیده شدن در اطراف سیاه چاله اصلی قابل رویت هستند.
«ویندهورست» توضیح می دهد؛ «تفاوت واضح بین این دو بخش بسیار تعجب آور است چون معمولا عقیده بر این است که ترکیب کهکشان ها و فعالیت سیاه چاله های مرکزی ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند. در اطراف کهکشان ما اکثرا کهکشان های بالغ موجودند که برای درک چگونگی شکل گیری آنها، باید جوانی و نوزادی آنها را بررسی کرد. ما به وسیله «تصویر فرا ژرف هابل» تصاویری از کهکشان های اولیه به دست می آوریم که به ما کمک می کند تا کهکشان های جوان را بررسی کنیم».
ارتباط بین رشد کهکشان ها در جریان ترکیب آنها و تغذیه سیاه چاله های مرکزی مدت ها مورد بررسی بوده است، اما نتایج، سال ها بی فایده بوده اند. «ست کوهن» از دانشگاه آریزونا و سرپرست یکی از دو تیم می گوید؛ «زمینه ژرف هابل اطلاعاتی با کیفیت بالا فراهم کرده و این نخستین اطلاعاتی است که به وسیله آن، این نظریه آزمایش شده است. ما در این پژوهش روی ۵۰۰۰ کهکشان دوردست در مدت ۴ ماه مطالعه کرده ایم».
شواهد تصویر فرا ژرف هابل توجه منجمان را به ارتباط بین رشد سیاه چاله های غول آسا و رشد کهکشان ها جلب کرده است. تیمی به سرپرستی «آمبرا استرا» از دانشگاه ایالتی آریزونا، تصویر فرا ژرف هابل را برای یافتن کهکشان های نوزاد جست وجو کردند. این دسته از کهکشان ها به خاطر وجود گره ها و دم هایی که بر اثر ترکیب کهکشان ها ایجاد شده است به این نام معروف اند.
این قسمت ها (گره و دم) هنگامی پدیدار می شوند که کهکشان ها اثر گرانشی خود بر ستارگان را از دست داده و تعدادی از آنها را در فضا رها می کنند. این تیم در حدود ۱۶۵ کهکشان نوزاد یافت که ۶ درصد کل تعداد این کهکشان ها را تشکیل می دهد. «استران» می گوید؛ «این کهکشان های نوزاد هیچ گونه تغییر در روشنایی از خود نشان نمی دادند. هنگامی که تغییرات روشنایی پدیدار شود، نور از موادی که در اطراف سیاه چاله موجودند تابش می شود.
این مواد قبل از بلعیده شدن گرم شده و شروع به تابش می کنند. هرچه این مواد به سیاه چاله نزدیک تر می شوند، روشنایی آنها به سرعت تغییر می کند. این مطالعه روی کهکشان های نوزاد بیان می کند که سیاه چاله ها در کهکشان های ترکیبی از غبار پوشیده شده اند و در نتیجه مشاهده ماده بلعیده شده برای ما غیر ممکن است.»
تیم «کوهن» در مورد روشنایی ۴۶۰۰ جرم در تصویر فرا ژرف هابل مطالعه کرده اند. این تیم در مورد ۴۵ جرم که یک درصد کهکشان های کم نور مطالعه شده را تشکیل می دهند، تغییرات قابل ملاحظه ای در روشنایی را ثبت کردند. این واقعیت نشان می دهد که کهکشان ها احتمالا شامل سیاه چاله های بسیار پرجرمی هستند که از ستارگان و گازها تغذیه می کنند.
«ویندهورست» می گوید؛ «مدت تغذیه یک سیاه چاله معمولی در حدود چند میلیون سال است. این همانند آن است که این سیاه چاله ۱۵ دقیقه در روز را به تغذیه و بلعیدن اجرام نزدیک خود اختصاص دهد». تجزیه و تحلیل زمینه ژرف هابل نیز مطالعات قبلی تلسکوپ فضایی هابل روی سیاه چاله های غول پیکر در مرکز کهکشان های نزدیک را تقویت می کند.
این مطالعات نشان داده بودند که ارتباط نزدیکی بین جرم حباب مرکزی و جرم سیاه چاله مرکزی در کهکشان ها برقرار است. کهکشان ها از سیاه چاله های مرکزی با جرمی در حدود چند میلیون تا چند میلیارد جرم خورشید تشکیل شده اند.
منحنى هاى زمان گونه بسته در جهان هاى پوسته اى خميده غيرمتقارن يا سفر در زمان!
مطلبي در مورد يكي از جديد ترين مقاله هاي "هانريش پاس" پيدا كردم كه به روش جديد احتمالي سفر در زمان مي پردازه. به نظرم خيلي جالب اومد. با اجازه ي اساتيد فيزيك اينجا
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
، تو چند تا پست براتون ميذارم.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
شايد سفر زمانى بسيار راحت تر از آن باشد كه تصور مى كنيم
احتمالاً عنوان جديدترين مقاله علمى «هانريش پاس» ( Pas.H) براى شما بيش از حد عجيب و غريب و نامفهوم به نظر برسد: «منحنى هاى زمان گونه بسته در جهان هاى پوسته اى خميده غيرمتقارن» ! اما براى آنهايى كه به فيزيك نظرى مسلط هستند اين مقاله از يك حقيقت شگفت انگيز پرده بردارى مى كند. براساس اين مقاله، ساخت ماشين زمان، بسيار راحت تر و دردسترس تر از آن چيزى است كه تاكنون تصور مى شد. پس ديگر كند و كاو طاقت فرسا در جهان براى يافتن سياه چاله هاى چرخان يا كرم چاله هاى عجيب و غريب را ( كه تا پيش از اين به نظر مى رسيد كه تنها راه هاى سفر در زمان باشند) فراموش كنيد. براساس نظر «پاس» و همكارانش در دانشگاه هاوايى، در سفر در زمان، همواره و در همه جا در جهان بر روى ما گشوده است. نكته جالب تر اينكه برخلاف اغلب سناريوهاى قبلى، صحت اين ايده را مى توان همين جا بر روى زمين هم به معرض آزمون گذاشت. «بيل لوئيز» (Louis.B) كه فيزيكدانى از آزمايشگاه ملى لس آلاموس در نيومكزيكو و يكى از مسئولان ارشد آزمايش معروف باريكه نوترينوى MiniBoone در آزمايشگاه شتاب دهنده فرمى است دراين باره مى گويد: «به نظر من ايده اى كه «پاس» ارائه كرده، ايده اى بسيار شگفت انگيز و فوق العاده است. اما هم اكنون مسئله مهم،نشاندادنصحتاينايدهاست.»
البته فيزيكدانانى نظير «لوئيز» حق دارند كه كمى محتاط باشند. در واقع بايد گفت كه هرچند هيچ يك از قوانين طبيعت امكان سفر در زمان را عملاً رد نمى كنند، اما فيزيكدان ها از ديرباز با اين مسئله ميانه چندان خوشى نداشته اند، چرا كه سفر در زمان مى تواند فرض پذيرفته شده تقدم علت بر معلول را زير سئوال ببرد. از طرفى نقض قانون موجبيت مى تواند اوضاع جهان را به هم بريزد.به عنوان مثال شما مى توانيد به گذشته سفر كرده و از تولد خودتان جلوگيرى كنيد.
وجود چنين تناقض نماهايى منجر به ارائه حدسى از سوى «استفن هاوكينگ» شد كه اصطلاحاً «حدس حفاظت از تاريخ» ناميده مى شود. براساس اين حدس بايد اصولى در فيزيك (كه هنوز كشف نشده اند) وجود داشته باشند كه از امكان وقوع سفر در زمان جلوگيرى كنند. تا همين سه سال پيش هيچ كس نتوانسته بود جزئيات چنين اصولى را ترسيم كند تا اينكه در سال ۲۰۰۳ گروهى از محققان كه بر روى نظريه ريسمان ها (كه بهترين گزينه براى رسيدن به نظريه اى واحد در فيزيك است) كار مى كردند، مدعى شدند كه براساس اين نظريه، ساز و كارهايى وجود دارند كه مى توانند از سفر در زمان جلوگيرى كنند.
تا به اينجا ظاهراً همه چيز درست بود. اما حتماً مى دانيد كه فيزيكدان ها در قانع نشدن به يك جواب، شهره خاص و عام هستند. اين گونه بود كه «پاس» و دو نفر از همكارانش به نام هاى «سنديپ پاكواسا» (Pakvasa.S) از دانشگاه هاوايى و «توماس ويلر» (Weiler.T) از دانشگاه وندربيلت در تنسى شروع به تجزيه و تحليل مجدد نظريه ريسمان ها كردند. اين نظريه، اجزاى بنيادين جهان را نه به صورت ذرات نقطه اى بلكه به شكل ريسمان هاى مرتعش انرژى مى داند. در اين نظريه، ارتعاش سريع تر اين ريسمان ها معادل جرم بيشتر ذرات است.
اين ريسمان هاى مرتعش مى توانند نحوه هزاران نوع برهم كنش مابين تمامى ذرات بنيادى نظير كوارك ها و الكترون ها را توضيح دهند. اما نكته اى اساسى در مورد اين نظريه وجود دارد: اين نظريه تنها زمانى جواب مى دهد كه اين ريسمان هاى انرژى به جاى چهار بعد معمول، در يك فضا- زمان ۱۰ بعدى در حال ارتعاش باشند. در واقع براساس نظريه ريسمان ها، اين ابعاد اضافى يا فوق العاده كوچك هستند، به طورى كه تاكنون متوجه حضور آنها نشده ايم و يا بسيار بزرگ و به گونه اى خميده هستند كه باز هم تا به حال از ديد ما پنهان مانده اند.
بنابر نظريه ريسمان ها، جهان ما در واقع پوسته اى چهار بعدى است كه در يك فضا- زمان ۱۰بعدى شناور است. اما از آنجايى كه تمامى ذرات و نيروهاى جهان ما مقيد به پوسته چهار بعدى اين جهان هستند و امكان خروج از آن را ندارند، بنابراين ما نيز تاكنون از وجود ابعاد بالاتر خارج از جهان خود (يعنى همين چهار بعدى كه تجربه هاى ما محدود به آن است) هيچ اطلاعى نداشتيم. «پاس» در اين باره مى گويد: «اگر واقعاً چنين باشد پس امكان ميان بر زدن از ميان اين ابعاد بالاتر نيز وجود خواهد داشت و همين مسيرهاى ميان بر است كه سفر در زمان را ممكن مى سازد.»
تجسم چنين ميان برهايى كار چندان دشوارى نيست. فرض كنيد كه پوسته چهار بعدى جهان ما كه در بعد بالاتر (بعد پنجم) جاى گرفته همانند كاغذى باشد كه از وسط تا شده و دو انتهاى آن بر روى همديگر قرار گرفته است. در اين صورت مى توان از نقطه اى واقع بر پوسته جهان، آن را ترك كرده و وارد بعد بالاتر شد و پس از پيمودن مسيرى كوتاه در بعد پنجم دوباره و در نقطه اى ديگر در مقابل آن به جهان بازگشت. جالب اينجاست كه اگر اين صفحه خم شده (يعنى جهان ما) صفحه اى بسيار بزرگ باشد، در اين صورت براى پيمودن همين مسير از روى خود صفحه (يعنى از درون جهان) مى بايست فاصله اى بسيار طولانى را طى مى كرديم اما با خروج از پوسته جهان و عبور از ميان ابعاد بالاتر عملاً ميان برخواهيم زد.
اما مسئله اى در ارتباط با تصويرى كه ارائه شد وجود دارد. اگرچه اساساً مى توان جهانى را تصور كرد كه بتوان از يك سوى آن به سوى ديگر ميان بر زد اما مسئله آن است كه جهان ما نمى تواند مشابه چنين جهانى باشد. علت اين امر آن است كه فضا- زمان چنين جهانى به شدت خميده بوده و نتيجتاً با نظريه نسبيت خاص اينشتين (كه هندسه فضا را تخت يا اقليدسى مى داند) ناسازگار خواهد بود. از آنجايى كه آزمون هاى تجربى متعددى تاكنون صحت پيش بينى هاى نسبيت خاص را در حوزه محلى موقعيت ما در جهان تا دقتى بالاتر از يك به يك ميليون تاييد كرده اند، بنابراين بسيار بعيد است كه پوسته چهاربعدى جهان ما همانند يك كاغذ تاشده باشد.
بنابراين پاس، پاكواسا و ويلر از فرض ديگرى استفاده كردند. آنها فضا- زمانى را در نظر گرفتند كه در آن، جهان ما يك پوسته چهاربعدى تخت بوده اما اين پوسته تخت، در ابعاد بالاترى شناور است كه به شدت خميده هستند. از آنجايى كه در اين تصوير، جهان ما تخت است بنابراين نسبيت خاص همچنان در آن معتبر خواهد بود. اما ميزان انحناى ابعاد بالاتر خارج از جهان ما به حدى است كه نسبيت خاص در آن ابعاد ديگر اعتبار خود را از دست خواهد داد. اين امر بدان معناست كه هر چيزى كه بتواند از ابعاد جهان ما خارج شده و وارد بعد پنجم شود قادر خواهد بود يكى از بنيادى ترين اصول نسبيت خاص را زير پا بگذارد: چنين چيزى قادر است با سرعتى فراتر از سرعت نور حركت كند.
اين امر، نتايج خارق العاده اى را براى ساكنان پوسته جهان ما در بر خواهد داشت. در نظر اشخاصى كه در اين جهان زندگى مى كنند، هر چيزى كه مسيرى ميان بر را از ميان ابعاد بالاتر هستى طى كند، ناگهان از نقطه اى از جهان ما غيب شده و در نقطه اى ديگر در جهان ظاهر مى شود. در نظر برخى از ساكنان جهان، هويت مزبور فاصله مابين اين دو نقطه را حتى سريع تر از نور طى خواهد كرد. اما شگفت انگيزتر آن كه در نظر برخى ديگر، آن چيز حتى در زمان سفر كرده و به گذشته باز خواهد گشت. علت اين امر آن است كه براساس نظريه نسبيت خاص، در برخى از چارچوب هاى مرجع، حركت سريع تر از نور معادل سفر در زمان و بازگشت به گذشته است. «پاس» در اين باره مى گويد: «چنين مسيرهاى ميان برى كه از ابعاد بالاتر هستى در خارج از جهان ما عبور مى كنند اصطلاحاً «منحنى هاى زمان گونه بسته» ناميده مى شوند. يافتن چنين مسيرهايى در واقع معادل دستيابى به رمز ماشين زمان است.»
------------------
از وبسايت خواندني "فيزيك، سلوك در ژرفاي گيتي"
