رفتن به محتوای اصلی
Koohestun
توضیح کوهستانفیزیک سیاه‌چالهمقاله تشریحی· 5 دقیقه مطالعه· در علم

شعاع Rs = 2GM/c²: متریک شوارتزشیلد چگونه مرز بی‌بازگشت را تعریف می‌کند

شعاع شوارتزشیلد آستانه دقیق ریاضیاتی را تعیین می‌کند که در آن فروپاشی گرانشی غیرقابل‌بازگشت شده، نور را به دام می‌اندازد و یک افق رویداد می‌سازد. این معادله ساده که در سال ۱۹۱۶ به دست آمد، همچنان ابزار بنیادین برای نقشه‌برداری از مرزهای جهان قابل‌مشاهده است.

به قلم اِلا فرجاد

نسبیت‌گرایان عام 40%نظریه‌پردازان گرانش کوانتومی 30%اخترفیزیکدانان رصدی 30%
نسبیت‌گرایان عام
شعاع شوارتزشیلد را به عنوان یک مرز هندسی مطلق می‌بینند که توسط انحنای فضازمان کلاسیک تعریف می‌شود.
نظریه‌پردازان گرانش کوانتومی
استدلال می‌کنند که مکانیک کوانتومی باید افق رویداد را برای حل پارادوکس‌های اطلاعاتی اصلاح کند.
اخترفیزیکدانان رصدی
بر پدیده‌های قابل‌تشخیص درست در بیرون از شعاع، مانند قرص‌های برافزایشی و حلقه‌های فوتونی تمرکز می‌کنند.

دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده

  • نظریه‌پردازان ریسمان
  • طرفداران گرانش جایگزین

اصطلاحات کلیدی

افق رویداد
مرز مطلق پیرامون یک سیاه‌چاله که فراتر از آن هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند بگریزد.
نسبیت عام
نظریه گرانش آلبرت انیشتین که جاذبه گرانشی را به عنوان انحنایی در تار و پود فضازمان توصیف می‌کند.
تکینگی
نقطه نظری در مرکز یک سیاه‌چاله که در آن ماده تا بی‌نهایت فشرده شده و فیزیک کلاسیک در هم می‌شکند.
سرعت گریز
حداقل سرعتی که یک جسم باید به آن برسد تا از کشش گرانشی یک جرم عظیم رها شود.

فروپاشی یک ستاره در حال مرگ زمانی به یک آستانه بحرانی می‌رسد که شعاع فیزیکی آن از یک مرز ریاضیاتی که کاملاً توسط جرم خودش دیکته می‌شود، کوچک‌تر شود. این مرز تعیین می‌کند که آیا ستاره به عنوان یک بقایای نوترونی متراکم تثبیت می‌شود یا تا بی‌نهایت در یک تکینگی فرو می‌ریزد. هنگامی که ماده از این آستانه دقیق عبور کند، سرعت گریز گرانشی از ۲۹۹٬۷۹۲ کیلومتر بر ثانیه — یعنی سرعت نور — فراتر می‌رود و سرنوشت جسم مهر و موم می‌شود.[2]

این آستانه همان شعاع شوارتزشیلد است؛ تعریف ریاضیاتی یک افق رویداد. این یک سطح فیزیکی ساخته‌شده از ماده نیست، بلکه یک حد هندسی در تار و پود فضازمان است. در درون این کره، انحنای فضا چنان شدید می‌شود که تمام مسیرهای ممکن به سمت داخل اشاره می‌کنند. حرکت به سمت بیرون نیازمند سفری سریع‌تر از نور است که نقض قوانین بنیادین فیزیک محسوب می‌شود.[1][4]

اخترشناس آلمانی، کارل شوارتزشیلد، این هندسه دقیق را در سال ۱۹۱۶، زمانی که در جبهه شرقی در طول جنگ جهانی اول خدمت می‌کرد، به دست آورد. او محاسبات خود را تنها چند هفته پس از انتشار نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین، برای او پست کرد. شوارتزشیلد معادلات میدان را برای فضازمانِ پیرامون یک جرم کروی و غیرچرخان حل کرد و اولین پاسخ دقیق برای نسبیت را ارائه داد و ثابت کرد که فروپاشی گرانشی از نظر تئوری می‌تواند یک فضای خالی گریزناپذیر ایجاد کند.[1][2]

معادله‌ای که این مرز را تعریف می‌کند، یعنی R_s = 2GM/c^2، به شکل قابل‌توجهی ظریف است. در این فرمول، G نشان‌دهنده ثابت گرانش نیوتنی، M جرم جسم و c سرعت نور است. از آنجا که هم گرانش و هم سرعت نور ثابت‌های جهانی هستند، شعاع افق رویداد کاملاً و به صورت خطی به جرم جسمِ در حال فروپاشی بستگی دارد.[1][2]

این شعاع با جرم جسم رابطه خطی دارد و توسط سرعت نور و ثابت گرانش تعیین می‌شود.

این رابطه خطی دیکته می‌کند که هر جسمی در کیهان، صرف‌نظر از ترکیباتش، دارای یک شعاع شوارتزشیلد نظری است. اگر جسمی تا تبدیل شدن به کره‌ای کوچک‌تر از این شعاع فشرده شود، ناگزیر یک سیاه‌چاله تشکیل خواهد داد. برای زمین، که جرمی برابر با ۱۰^۲۴ × ۶٫۰ کیلوگرم دارد، این شعاع بحرانی تقریباً ۸٫۷ میلی‌متر است. اگر کل سیاره تا اندازه یک تیله فشرده می‌شد، گرانش آن نور را به دام می‌انداخت.[2]

خورشید با جرم ۱۰^۳۰ × ۲٫۰ کیلوگرم، شعاع شوارتزشیلدی دقیقاً برابر با ۳ کیلومتر دارد. یک انسان دارای شعاع نظری در حدود ۱۰^-۲۳ سانتی‌متر است؛ مقیاسی که به مراتب کوچک‌تر از هسته یک اتم منفرد است. در شرایط طبیعی، تنها پرجرم‌ترین ستاره‌ها گرانش کافی برای غلبه بر نیروهای کوانتومیِ مقاومت‌کننده در برابر چنین فشردگی شدیدی را دارند.[1][2]

برای آن دسته از اجسامی که فرو می‌ریزند، مرز حاصل یک سد اطلاعاتی مطلق ایجاد می‌کند. آوی لوئب (Avi Loeb)، رئیس بخش نجوم در دانشگاه هاروارد، به Space.com گفت: «افق رویداد دیوار نهایی زندان است — می‌توان وارد آن شد اما هرگز نمی‌توان از آن خارج شد.» هیچ سیگنال، تشعشع یا ماده‌ای نمی‌تواند از درون آن به جهان قابل‌مشاهده بازگردد.[4]

برای آن دسته از اجسامی که فرو می‌ریزند، مرز حاصل یک سد اطلاعاتی مطلق ایجاد می‌کند.

این متریک همچنین اعوجاج‌های نسبیتی شدیدی را برای هر کسی که از دور تماشا می‌کند، آشکار می‌سازد. برای یک ناظر بیرونی، جسمی که به سمت شعاع شوارتزشیلد سقوط می‌کند، با نزدیک شدن به مرز، به نظر می‌رسد که کند می‌شود. نوری که از جسم در حال سقوط ساطع می‌شود، به دلیل اتساع زمان گرانشی شدید، به طول موج‌های بلندتر و قرمزتر کشیده می‌شود. از دیدگاه ناظر دوردست، جسم در فرکانس‌های فروسرخ و رادیویی محو می‌شود و هرگز به نظر نمی‌رسد که کاملاً از آستانه عبور کند.[4]

هر جسم جرم‌داری یک شعاع شوارتزشیلد نظری دارد، اگرچه در طبیعت تنها ستاره‌های در حال فروپاشی به این چگالی می‌رسند.

در درون این شعاع، ریاضیات متریک شوارتزشیلد نشان می‌دهد که فضا و زمان عملاً نقش‌های خود را عوض می‌کنند. در فضازمان عادی، حرکت به جلو در زمان اجتناب‌ناپذیر است، در حالی که حرکت در فضا یک انتخاب است. در درون افق رویداد، حرکت به سمت تکینگی مرکزی به جهتِ رو به جلوی اجتناب‌ناپذیرِ زمان تبدیل می‌شود. هیچ مکانیسم فیزیکی برای متوقف کردن این سقوط وجود ندارد.[6]

اخترفیزیک مدرن برای نقشه‌برداری از شدیدترین محیط‌های کیهان به این متریک متکی است. گروه مرکز کهکشانی در دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس (UCLA) مدار ستاره‌هایی را که به دور کمان ای* (Sagittarius A*)، سیاه‌چاله کلان‌جرم در هسته راه شیری، می‌چرخند، ردیابی می‌کند. با اندازه‌گیری تأثیر گرانشی بر این ستاره‌ها، اخترشناسان جرم مرکزی را تقریباً ۴٫۱ میلیون برابر جرم خورشید محاسبه کردند.[3][6]

اعمال معادله شوارتزشیلد بر این جرم، شعاعی در حدود ۱۲ میلیون کیلومتر به دست می‌دهد. اگرچه این حجم به اندازه‌ای بزرگ است که می‌تواند به راحتی چندین زمین را ببلعد، اما در مقیاس کیهانی به طرز چشمگیری فشرده است و به راحتی در مدار عطارد جای می‌گیرد. خود افق رویداد نامرئی باقی می‌ماند، اما ابعاد دقیق آن رفتار پلاسمای فوق‌داغی را که درست در بیرون آن می‌چرخد، دیکته می‌کند.[6]

فیزیکدانان نظری همچنان به بررسی محدودیت‌های این هندسه ادامه می‌دهند. تحقیقات اخیر منتشرشده در arXiv متریک‌های مجانبیِ شبه‌شوارتزشیلد را کاوش می‌کند و تحلیل می‌کند که این راه‌حل‌های گرانشی در فواصل بسیار دور یا زمانی که توسط مکانیک کوانتومی اصلاح می‌شوند، چگونه رفتار می‌کنند. متریک کلاسیک فرض می‌کند که یک خلأ کامل در بیرون از جرم وجود دارد؛ شرطی که هنگام در نظر گرفتن میدان‌های کوانتومی و تابش هاوکینگ در هم می‌شکند.[5]

سیاه‌چاله کلان‌جرم در مرکز کهکشان راه شیری شعاع شوارتزشیلدی در حدود ۱۲ میلیون کیلومتر دارد.

چگالی مورد نیاز برای تشکیل این افق‌ها یک قانون مقیاس‌پذیری غیرشهودی را آشکار می‌کند. از آنجا که حجم یک کره با مکعب شعاع آن متناسب است، اما شعاع شوارتزشیلد به صورت خطی با جرم افزایش می‌یابد، چگالی حجمی مورد نیاز با افزایش جرم به شدت افت می‌کند. یک سیاه‌چاله با جرم ستاره‌ای برای تشکیل شدن به چگالی غیرقابل‌درکی نیاز دارد.[6]

با این حال، یک سیاه‌چاله کلان‌جرم به فشردگی بسیار کمتری نیاز دارد. یک سیاه‌چاله با جرم ۱۰۰ میلیون برابر خورشید، چگالی متوسطی قابل‌مقایسه با آب دارد. بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم شناخته‌شده، با وزن میلیاردها برابر جرم خورشید، چگالی متوسطی کمتر از هوای جو زمین دارند؛ که نشان می‌دهد جرم شدید، و نه چگالی شدید، محرک واقعی فروپاشی گرانشی است.[6]

متریک شوارتزشیلد همچنان ابزار بنیادین برای درک این فروپاشی است. بیش از یک قرن پس از آنکه این معادله در یک سنگر زمان جنگ به دست آمد، همچنان نقطه دقیق ریاضیاتی را تعریف می‌کند که در آن جهان قابل‌مشاهده پایان می‌یابد و ناشناخته‌ها آغاز می‌شوند.[1][6]

آنچه نمی‌دانیم

  • آیا افق رویداد یک مرز ریاضیاتی کاملاً هموار است یا یک «توپ کرکی» (fuzzball) از اطلاعات کوانتومی.
  • واقعاً چه اتفاقی برای ماده و اطلاعاتی می‌افتد که از شعاع شوارتزشیلد عبور می‌کنند؛ مسئله‌ای که به عنوان پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله شناخته می‌شود.
  • متریک شوارتزشیلد در مرکز دقیق سیاه‌چاله، جایی که نسبیت عام کلاسیک یک تکینگی با چگالی بی‌نهایت را پیش‌بینی می‌کند، چگونه رفتار می‌کند.

منابع

پوشش منابع

6 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

نسبیت‌گرایان عام 40%نظریه‌پردازان گرانش کوانتومی 30%اخترفیزیکدانان رصدی 30%
  1. [1]Britannicaنسبیت‌گرایان عام

    Schwarzschild radius

    مطالعه در Britannica
  2. [2]COSMOS - Centre for Astrophysics and Supercomputingنسبیت‌گرایان عام

    Schwarzschild Radius

    مطالعه در COSMOS - Centre for Astrophysics and Supercomputing
  3. [3]UCLA Galactic Center Groupاخترفیزیکدانان رصدی

    learn about black holes

    مطالعه در UCLA Galactic Center Group
  4. [4]Space.comاخترفیزیکدانان رصدی

    What is a black hole event horizon (and what happens there)?

    مطالعه در Space.com
  5. [5]arXivنظریه‌پردازان گرانش کوانتومی

    The asymptotically Schwarzschild-like metric solutions

    مطالعه در arXiv
  6. [6]تیم سردبیری کوهستاناخترفیزیکدانان رصدی

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

دریافت علم اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، مستقیم در صندوق ورودی شما.