پايان فيزيك - بخش هشتمبرگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and work نوشته Kitty Ferguson
اگر روزي زمين فشرده شود!
به خاطر بياوريد كه از نيروي گرانش بر روي زمين چه احساسي داريد. فرض كنيد كه مي‌خواهيد براي گذراندن تعطيلات به فضا برويد. در زمان غيبت شما، واقعه عجيبي در زمين روي مي‌دهد: زمين فشرده مي‌شود و به نصف اندازه اصليش مي‌رسد. در اين حال، زمين هنوز همان جرم قبلي را دارد، ولي اكنون فشرده شده است. پس از پايان اين مسافرت به زمين باز مي‌گرديد، فضاپيماي شما مدتي سرگردان مي‌ماند، تا محلي را كه قبل از فشرده شدن، از آن پرواز كرده بود، پيدا كند. در اين مسير كه شعاع آن، برابر شعاع سابق زمين است، خود را با همان سنگيني قبل از پرواز، احساس مي‌كنيد. كشش جاذبه زمين در آنجا تغييري نكرده است زيرا در جرم شما و جرم زمين، نسبت به سابق تفاوتي وجود ندارد. فاصله شما از مركز گراني (گرانيگاه) زمين نيز همان فاصله قبلي است(نيوتن را به ياد آوريد!). ماه نيز مانند گذشته دور زمين مي‌گردد. اما هنگامي كه فضاپيماي شما در همان مكاني كه از آن پرواز كرده بوديد فرود مي‌آيد (با شعاع بسيار كمتر و نزديكتر به مركز گرانش زمين)، گرانش در سطح جديد زمين چهار برابر مقداري است كه قبل از فشردگي زمين به ياد داريد. شما خود را بسيار سنگينتر احساس مي‌كنيد.
اگر واقعه بسيار شگفت‌انگيزتري روي دهد چه مي‌شود؟ چه مي‌شود، اگر زمين تا اندازه يك نخود فشرده شود، يعني تمام جرم زمين كه ميلياردها تن است، در فضايي آنقدر كوچك تمركز يابد؟ گراني در سطح اين كره نخودي آنقدر شديد مي‌شود كه سرعت گريز از آن، بيشتر از سرعت نور خواهد بود. زمين به يك سياهچاله تبديل مي‌شود. حتي نور هم نمي‌تواند از آن بگريزد. با وجود اين، در شعاعي از فضاي خارج آن، جايي كه سطح زمين قبل از فشردگي بوده، كشش گراني زمين هنوز همان است كه امروز احساس مي‌كنيم. كره ماه مثل قبل، روي مدار خود در حركت خواهد بود.
تا آنجا كه ما مي‌دانيم، چنين داستاني روي نخواهد داد. سياره‌ها به سياهچاله تبديل نمي‌شوند. اما احتمال آن زياد است كه اين واقعه براي بعضي از ستارگان، روي دهد. اكنون همين داستان را، در باره يك ستاره بازگو مي‌كنيم. از ستاره‌اي شروع كنيم كه جرمي در حدود ده برابر جرم خورشيد دارد. شعاع ستاره تقريباً 3 ميليون كيلومتر يعني قريب 5 برابر شعاع خورشيد است. سرعت گريز از اين ستاره حدود 1000 كيلومتر در ثانيه و عمر آن نزديك به 100 ميليون سال است و در اين مدت زمان، زندگي و مرگ و كشاكش نيروها با يكديگر ادامه دارد. در يك سوي اين كشاكش، گرانش است: جاذبه هر ذره موجود در ستاره، براي جذب ذرات ديگر. اين گرانش بود كه در آغاز پيدايش ستاره، ذرات گازي را به سوي هم كشيد تا نخستين بار، ستاره تشكيل شود. اين كشش حتي اكنون كه ذرات به هم نزديكتر شده‌اند، زيادتر شده است. تيم گرانش، در اين مسابقه، سعي در رمبيدن(كولاپس) ستاره دارد.
طرف مقابل اين كشاكش، نيروي فشار گاز در ستاره است. اين فشار از گراماي حاصل از همجوشي هسته‌هاي هيدروژن، و تشكيل هسته هليوم ناشي مي‌شود. اين انرژي گرمايي، موجب درخشندگي ستاره مي‌شود و فشار كافي براي مقاومت در برابر گرانش و جلوگيري از رمبيدن ستاره ايجاد مي‌كند. كشاكش نيروها، 100 ميليون سال ادامه دارد. آنگاه سوخت ستاره تمام مي‌شود. ديگر هيدروژن، براي تبديل به هليوم موجود نيست. پاره‌اي از ستارگان، هليوم را نيز با همجوشي هسته‌اي به عناصر سنگينتر تبديل مي‌كنند ولي اين عمل فقط مدت كوتاهي به عمر ستاره اضافه مي‌كند. زماني كه ديگر فشاري براي مقابله با نيروي جاذبه موجود نباشد، ستاره منقبض مي‌شود. در اين حال، گرانش در سطح ستاره، مانند آنچه قبلاً در مورد داستان فشردگي زمين ديديم، به تدريج افزايش مي‌يابد. لازم نيست كه ستاره، براي آنكه به يك سياهچاله تبديل شود، به اندازه يك نخود در آيد. زماني كه شعاع اين ستاره كه جرم آن ده برابر خورشيد بود به 30 كيلومتر برسد، سرعت گريز از آن 300 هزار كيلومتر در ثانيه يعني برابر سرعت نور خواهد بود. موقعي كه نور نتواند از آن بگريزد، ستاره به سياهچاله تبديل مي‌شود. (به دلايلي كه جاي بحثش اينجا نيست، ستاره‌هايي كه جرم آنها از 8 برابر خورشيد كمتر باشد، احتمالاً پس از طي اين مراحل، به سياهچاله تبديل نمي‌شودند. تنها ستارگاني كه جرم آنها بيشتر باشد، سياهچاله به وجود مي‌آورند.)
پس از آنكه سرعت گريز از ستاره از سرعت نور فزوني يافت، ما ديگر براي اين سوال كه آيا ستاره به منقبض شدن خود ادامه خواهد داد يا نه، پاسخي نداريم. حتي اگر منقبض نشود، باز هم ما يك سياهچاله خواهيم داشت. به ياد داشته باشيم كه در داستان فشردگي كره زمين، گراني در شعاع اوليه زمين هيچ‌گاه تغيير نكرد. خواه ستاره تا سرحد يك نقطه با چگالي بي‌نهايت منقبض شود يا در شعاعي كه سرعت گريز از آن معادل سرعت نور است، باقي بماند، در هر دو حالت، مادامي كه جرم ستاره تغيير نكرده است، گراني در اين شعاع يكسان خواهد بود. سرعت گريز در آن شعاع، سرعت نور است و در سرعت نور باقي خواهد ماند. براي نور، گريز از ستاره غير ممكن است. باريكه‌هاي نور مجاور كه از ستارگان دور دست مي‌رسند، نه تنها منحرف مي‌شودن بلكه ممكن است چند دور اطراف سياهچاله بچرخند و بعد، از آن گريخته يا در آن سقوط كنند. اگر نور داخل سياهچاله شود، ديگر گريزي نخواهد داشت. هيچ چيز نمي‌تواند سرعتي بيش از سرعت نور داشته باشد. چه «خاموشي» عميقي خواهيم داشت! نه نور، نه بازتابش، نه هيچ‌گونه تابش (راديويي، ميكروويو، پرتو ايكس و غيره)، نه صدا، نه چشم‌انداز، نه كاوشگر فضايي، مطلقاً هيچ داده‌اي نمي‌تواند از آن خارج شود.
شعاع كره‌اي را كه سرعت گريز آن برابر سرعت نور باشد مرز سياهچاله، شعاع بدون بازگشت يا افق رويداد مي‌نامند. هاوكينگ و پن‌روز در اواخر دهه 1960، پيشنهاد جديدي براي تعريف سياهچاله ارائه كردند. بنابر اين تعريف، سياهچاله ناحيه‌اي از جهان يا «مجموعه‌اي از رويدادها»ست كه از يك فاصله معين، گريز از آن براي هيچ چيز ممكن نيست. در زمان ما اين تعريف پذيرفته شده است. يك سياهچاله با افق رويدادش به‌عنوان يك مرز بيروني، شكلي مانند كره دارد. يا اگر در حال چرخيدن باشد، به يك كره كشيده شده مي‌نمايد كه از ديدگاه جانبي بيضي شكل است (يا مي‌توانست به اين شكل نمايان شود، اگر ما مي‌توانستيم آن را ببينيم). افق رويداد، با مسيرهايي در فضا ـ زمان پرتوهاي نوري كه درست بر لبه آن منطقه كروي شكل در جا مي‌زنند، مشخص مي‌شود. اين پرتوها نه مي‌توانند به درون كره كشيده شوند و نه مي‌توانند از آن بگريزند. گرانش در اين شعاع، به آن شدت نيست كه اين پرتوها را به داخل بكشاند ولي به اندازه‌اي است كه از گريز پرتوها جلوگيري مي‌كند. آيا ما آن پرتوها را مانند كره‌اي با روشنايي ضعيف خواهيم ديد؟ خير. اگر فوتونها بتوانند از اين شعاع بگريزند، رسيدن آنها به چشمهاي ما نيز، ميسر نخواهد بود. براي اينكه شما چيزي را ببينيد، بايد فوتونهاي آن به چشم شما برسد. اندازه سياهچاله را جرم آن معين مي‌كند. اگر بخواهيم شعاع سياهچاله (شعاع تشكيل افق رويداد) را محاسبه كنيم، بايد جرم خورشيدي سياهچاله را در 3 كيلومتر ضرب كنيم. بدينسان، افق رويداد سياهچاله با جرم خورشيدي 10، برابر با 30 كيلومتر خواهد بود. (جرم خورشيد ستاره، برابر با جرم ستاره رمبيده شده نسبت به جرم خورشيد است، به شرط آنكه جرم ستاره، در جريان رمبيدگي و تبديل شده به سياهچاله، كم نشده باشد. ) روشن است كه اگر جرم سياهچاله تغيير پيدا كند، شعاع افق رويداد و اندازه سياهچاله نيز تغيير خواهد كرد. در باره امكان تغيير اندازه سياهچاله، بعداْ بسيار بيشتر خواهيم گفت.
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)