ديناميكا الكون
استناداً على النظرية الشبه نيوتنيه
قبل البدء بالديناميكا الكونية للنسبية العامة الأفضل أن نبدأ بالنظرية الشبه نيوتنيه لاستنتاج معادلة ونموذج يمكن انتزاعه لاحقاً من نظرية النسبية العامة.
نبدأ من معادلة بواسون ρπG4=Δ^2 φ في هذه المعادلة ρ الكثافة وهي دالة المتغير فيها الزمن ρ(t) نفرض أن الزمان الذي يحيط بالمراقب الواقف في النقطة P هو فضاء ذو تناظر كروي، ولا يمكن أن تكونφ في هذه النقطة ما لا نهاية وجوابها هو
φ=a+bσ+cσ^2+dσ^3+⋯
في هذا التساوي σ الفاصلة في الفضاء الإقليدي من النقطة P، أو بالأحرى كرة مركزها النقطة P . أحد أجوبة φ هي: φ=2/3 πGρσ^2
معادلات نيوتن للحركة الدورانية هي σ ̈=-(dφ )/(dσ )لذلكσ ̈=-4/3 πGρσ إذا فرضنا أن الفضاء حول النقطة P هو كرة نصف قطرها σ والكتلة الموجودة في هذه الكرة هي M ́ لهذا M^'=4/3 πρσ^3
إذن σ ̈=-( GM^')/σ^2
إذا فرضنا أن الفواصل في حدود المجرات والفاصلة من المجرة Q إلى النقطة P تساوي r في هذه الحالة من الفضاء ثابتة ولا تتغير مع الزمن، لأن في حالة انبساط الفضاء فإن المادة لا تدخل ولا تخرج من هذه الكرة وهذا استناداً على قانون نيوتن في الحفاظ. إذا فرضنا أن الفاصلة بين المجرة Q والمجرة P عبارة عن الدالة R(t) هذه الدالة متغيرها الزمن إذن:R ̈=-(GM )/R^2
في هذه الرابطةR ̈=-GM/R^2 و M=M ́/h هنا h ثابت فلكي وM الكتلة الموجودة في كرة نصف قطرها R(t) .
نظرية النسبية العامة لآينشتاين:
لقد فرضنا أن جواب φ حسب الفاصلة σ بصورة
φ=a+bσ+cσ^2+dσ^3+⋯
وتوصلنا إلى الجواب φ=2/3 πGρσ^2بما أن 2/3 πGρ هو ثابت لذلك يمكن فرض جواب آخر مع ثابت آخر كالثابت Λ وسنحصل على جواب آخر هوφ=-1/6 c^2 Λ σ^2إذا استعنا باتفاقية الجمع أو التراكب سنحصل على:
dφ/dσ= 4/3 πGρσ-1/3 c^2 Λσ
لقد فرضنا أن الفاصلة بين المجرتين P و Q عبارة عن الدالة R(t) لهذا R=σ وR ̈=σ ̈
إذن:R ̈=-4/3 πρGR+1/3 c^2 ΛR⇒R ̈=-GM/R^2 + (c^2 ΛR )/( 3 )
نضرب طرفي المعادلةR ̈=-GM/R^2 + (c^2 ΛR )/( 3 )
في 2R(هذا الضرب عبارة عن تكامل) مع العلم أن 2RR ̇= R^' و 2R ̇R ̈=〖R ̇^2〗^' و 2 ́/R = (-2R ̇)/R
ونصل إلى:
R ̇^2=2GM/R + (c^2 ΛR^2)/3-k ̃c^2 في هذه الرابطة - K ̃C^2 ثابت التكامل إذا فرضنا أن C=2GM نصل إلى هذه المعادلة:
R ̇^2=C/R + (C^2 Λ)/3 R^2 -K ̌C^2
تعمدنا في هذه المعادلات بالاستفادة من ثوابت خاصة وذلك للتوفيق بين هذه المعادلة والمعادلة التي سنستنتجها من ميكانيك النسبية العامة:
استناداً على نظرية النسبية العامة لآينشتاين:
نبدأ هذا البحث بمترية روبرتسون – واكر
في هذه المترية K=∓ 1 و K=0
ds^2=c^2 dt^2-(R^2 (t))/(1-kr^2 ) dr^2-R^2 (t) r^2 dθ^2-R^2 (t) r^2 〖sin〗^2〖θdϕ^2 〗
معادلات حقل آينشتاين لحل هذه المترية:
G_μv=R^μv-1/2 〖Rg〗^μν+〖Λg〗^μν=-〖KT〗^μν
A=g_11=(R^2 (t))/(1-〖kr〗^2 )
α=-(1-〖kr〗^2)/(2R^2 (t) )
B=g_22=-R^2 (t) r^2
β=- 1/( 2R^2 (t) r^2 )
C=g_33= -R^2 (t) r^(2 ) 〖sin〗^2 θ
γ=-1/( 2 R^2 (t) r^(2 ) 〖sin〗^2 θ )
D=g_44=c^2
δ= 1/( 2c^2 )
إذن:
G_11/g_11 = G_22/g_22 = G_33/g_33 =-( 2(R ) ̈)/( Rc^2 ) - R ̇^2/(R^2 c^2 )-k/R^2 +Λ
G_44/g_44 =( 3R ̇^2)/(R^2 c^2 ) - 3k/R^2 +Λ
كذلك يمكن مراجعة المثال الثامن:
إذا كانت μ≠ν في هذه الحالةG_μν=0 كذلك T=c^2 ρ ( في هذه الرابطة T الطاقة و c سرعة الضوء وρ الكثافة) إذا وضعنا هذه الرابطة والمعادلتين أعلاه في قانون حقل عام آينشتاين G_μν =- (8πG )/c^4 T_μν سنحصل على هذين الشرطين:
الطرف الأيمن في هذه المعادلة هو -(8πG )/c^4 قيمة الضغط P صفر
( 2R ̈)/( Rc^2 )+R ̇^2/(R^2 c^2 )+k/R^2 - Λ=0
R ̇^2/(R^2 c^2 )+k/R^2 -Λ/3 = (8πρG )/(3c^2 )
إذا نقصنا المعادلة الثانية من المعادلة الأولى نحصل على:
R ̈/R = (Λc^2)/( 3) - ( 4πρG)/( 3 )
نضرب طرفي المعادلة
R ̇^2/(R^2 c^2 )+k/R^2 -Λ/3 = (8πρG )/(3c^2 )
في R^3 نحصل على:
R ̇^2 R+kc^2 R-(Λc^2 R^3)/( 3) = 8πρG/( 3) R^3
اشتقاق الطرف الأيسر يساوي 2R ̈R ̇R+R ̇^3+kc^2 R ̇-Λc^2 R ̇R^2
نضرب طرفي المعادلة ( 2R ̈)/( Rc^2 )+R ̇^2/(R^2 c^2 )+k/R^2 - Λ=0 في R ̇R^2 فنحصل على( 2R ̈)/( Rc^2 )+R ̇^2/(R^2 c^2 )+k/R^2 Λ=0
⇒2R ̈R ̇R+R ̇^3+kc^2 R ̇-Λc^2 R ̇R^2 0
إلان يمكن أن نستنتج أن تفاضل الرابطة 8πρG/( 3) R^3 يساوي صفر إذن تكامل هذه الرابطة يساوي عدد ثابت مثل C أي:
((( 8πρG )/( 3 )) ́R^3 )^'=0⇒ 8πρG/( 3) R^3=C
إذا وضعنا هذه النتيجة أي 8πρG/( 3) R^3=C في المعادلة
R ̇^2/(R^2 c^2 )+k/R^2 -Λ/3 = (8πρG )/(3c^2 )
نحصل على R ̇^2 = C/R+ (Λc^2 R^2)/( 3 )-kc^2
هذه هي المعادلة الاشتقاقية لفريدمان وقد تمكنا من استنتاجها من النظرية الشبه نيوتنيه ومن نظرية النسبية العامة. تمثل هذه المعادلة حدود النسبية العامة في النموذج "الغباري" لروبرتسون-واكر، لسنا هنا بصدد حل هذه المعادلة والبحث في نتائجها، يمكن مراجعة المصادر للتعرف على هذه المعادلة وأجوبتها. في نموذج فريدمان هناك نتائج شيقة للكون يمكن استنتاجها من هذه المعادلة وحلها، كذلك يمكن مقايسة ناتج هذا الحل مع النموذج الشبه نيوتني.
في النسبية العامة ثابت التقوس k هو بديل الثابت النيوتني k ̃ "للطاقة" في معادلة فريدمان. في جميع النماذج النيوتنية يفرض أن الفضاء مسطح k ̃=0 ، لهذا فالنموذج النسبي العام الوحيد الذي هندسياً يشابه النموذج النيوتني هو النموذج الذي فيه k =0. نماذج النسبية العامة التي فيها1k=±
تشابه نظائرها النيوتنية التي فيها=∓1k ̃ هذا التشابه هو تشابه موضعي، أي الدالة R^2 (t)
لكلا هذان النموذجان مساوية أما فضاء النسبية متقوس. من مقايسة هذان النموذجان، إذا كانت الطاقة الكنماتيكية الموضعية أكبر من طاقة الهروب ، في النسبية العامة تقوس الفضاء سالب ، وإذا مانت أقل فتقوس الفضاء موجب . استنادا على ثابت هابل، طاقة الهروب متناسبة مع الكثافة الكونية، لذلك ناتج الكثافة العالية هو كون مغلق وناتج الكثافة القليلة كون مفتوح.
الثقوب السوداء
يقول نيوتن أن شدة الجاذبية التي تُمارس بين جسمين مُعينين في علاقة تناسب مع مجموع كتلتيهما وفي علاقة تناسب عكسي مع مربع المسافة الفاصلة بينهما.
الجاذبية من أهم القوى التي تحدث عنها نيوتن، لقد علم نيوتن أن قانون الجاذبية ينفذ على الأرض كما ينفذ بنفس الطريقة في كل المجموعة الشمسية وفي كل الكون فقد علم التكامل والتناسق بين كل الأجسام التي تسير عليها القانون، فكل الأجسام التي تحمل كتلة تجذب الأجسام تجاهها نحو مركزها.
سؤال.
لماذا لا يصطدم القمر بالأرضوالكواكب بالشمس بالرغم من كل الجاذبية التي تحملها. ؟؟
ببساطة نقول إن القوة النّابذة الناتجة عن القمر نتيجة دورانه حول الأرض تساوي بدقة فائقة تلك التي تؤثر فيها الأرض على القمر. مما يؤدي إلى أن القمر يرسم مدراً حول الأرض. بنفس الطريقة تتصرف الكواكب تجاه الشمس.
لقد أثبتت نظرية نيوتن للجاذبية صحتها بعد أن حاول العلماء التنبؤ بمواقع الكوكب حسابياً بعد عدة سنوات، كما أنها تستخدم بشكل أساسي في سير الأقمار لصناعية والمسابير الفضائية بحركتها حول الأرض.
في فوائد هذه النظرية وعلاقتها بالثقوبالسوداء، فهي تعرفنا على بعض المصطلحات التي لها علاقة بالثقوب السوداء كمصطلح سرعة التحرر (هي السرعة التي يحتاجها أي جسم للتخلص من الثقب الأسو).
لقد استطاع العالمان (جون ميتشيل) و (بيير سيمون دو لا بلاس) أن يتنبآ من وراء قانون التجاذب أن هناك بعض النجوم ذات الكتل الكبيرة جداً و الضخمة جداً لها سرعة تحرر تساوي سرعة الضوء أو أكثر حيث تبنى الفكرة لا بلاس بقوله:" لا شيء يمنعنا من أن الكون يحتوي على نجوم كتلتها من الضخامة بحيث تجعل سرعة التحرر على سطحها أعلى من سرعة الضوء " , حيث و بحسب نظرية نيوتن : إن سرعة التحرر تتزايد بتزايد كتلة الكوكب الذي يُراد المغادرة منه و في هذه الحالة لن يستطيع حتى الضوء مقاومة تلك القوة الهائلة و الجاذبية الكبيرة 1و هذا ما سيجعل منها نجوم سوداء.
آينشتاين
وصف آينشتاين النسبية الخاصة (1905) والعامة (1915) وقال فيها أن الزمان والمكان نسبيين (من هنا أتت كلمة نسبية) وليس مطلقين (أي ليسا مشتركين بين الجميع) كما كنا نتصور،والأكثر من ذلك أن الزمان لا يوجد بمعزل عن المكان، هكذا كان ينظر إلى الكون حيث أنهما مكونان ينتظمان ضمن بنية ذات أبعاد أربعة سماها الزمكان.
تقول إحدى بنود النسبية الخاصة أن سرعة الضوء تبقى نفسها مهما كان عدد الملاحظين وأينما كان مكانهم.
كما و بحث آينشتاين في نظريته حول لعلاقة بين الطاقة و الكتلة قائلاً أن الطاقة و الكتلة وجهان لعملة واحدة واصفاً تلك النظرية بالعلاقة الشهيرة و هي( (E=MC2حيث تمثلM الكتلة و C سرعة الضوء في الخلاء و E الطاقة, حيث أن هذا مما تحدث عنه آينشتاين بشأن النسبية الخاصة و سميت بالخاصة لأنها تنفذ في وقت خاص و هو حين إهمال الجاذبية .
ولكن ماذا عن الحالة التي لا يتسنى فيها لنا إهمال الجاذبية. ؟؟
هذا ما سمي بالنسبية العامة حيث وصفت النسبية العامة أن قوة التجاذب للكواكب تحدث في الزمكان فجوة كما تحدث تماماً كرة حديدية صغيرة في قطعة قماش. فهي تؤدي إلى حدوث فجوة في الزمكان. كما في الشكل(1)
بعد ذلك لم يعد ينظر إلى الجاذبية عل أنها قوة بل على أنها هندسة الزمكان.
إن المسارات التي ـتأخذها الأجسام عندما تسقط سقوطاً حراً ليست في خطوط مستقيمة بل على شكل جيوديزيات
كما أن المسار الذي ترسمه الأرض حول الشمس يتخذ شكلاً اهليليجياً لأن هذا هو شكل الجيوديزات الموجودة في جوار الشمس.
يمكن تبسيط تلك الفكرة الزمكان يُملي حركته على المادة بينما المادة تفرض تقوسها على الزمكان.
وعندما تكون قوى الجاذبية غير قوية بما فيه الكفاية فإن العلماء يلجؤون إلى تفسيرها بنظريات نيوتن لأنها أبسط وأيسر فيالتعامل، لكن النسبية العامة تكون أقوى وأكثر دقة.
أما عندما تكون الجاذبية قوية يصبح العتب كله على النسبية العامة في تفسيرها.
إن كل الذرات (باستثناء الهدروجين) تصنع من النجوم، فهي تعتبر مصانع الذرات فهي تطبخ فيها الذرات لتصبح ذرات أثقل، باستثناء الهدروجين الذي وُجد مع وجود الانفجارالعظيم.
سؤال قوي.
بما أن الإنسان مصنوع من ذرات وكل شيء في هذا الوجود وكل الكون أيضاً مصنوعة من الذرات نفسها بما فيها الكرسي والعصا وبما أن البعد هائل جداً بين النواة والإلكترونات وبما أنالإلكترونات تعتبر ذرة غبار مقارنة بحجم النواة وبما أن كتلة النواة أكبر بكثير من كتلة الإلكترونات. إذن فلماذا أي فعل
الجواب ببساطة بسبب غيمة الإلكترونات ففي القسم الخارجي من أي ذرة ما في الجسم الأول توجد شحنة سلبية على غرار أي شحنة في الجسم الثاني ولكن الشحنات السلبية تتدافع فيما بينها ولأن للذرات الكترونات تدور حولها ولأن القوة الكهربائية قوية ....
كل حياتنا إذن تعتمد على الذرة وخواصها ...
لنفترض أننا أطفأنا كل الشحنات الكهربائية. ببساطة لن يكون بسيط يفعل أي جسم تجاه أي جسم يؤدي إلى الاصطدام.فلماذا لا تتداخل الذرات مع بعضها بما فيها هذه الجسام. ؟؟
هناك دائي لدوران الإلكترون حول النواة.وبالتالي لن يكون هناك حياة. فستكون الحية بهذه الحالة كلها مفتتة.
إن الذرة تتألف من الكترونات ونواة التي تتألف تلك الأخرى من نترونات وبروتونات. لكن السؤال يكون ...
هل يمكن قطع البروتونات أو النترونات ...؟؟
يوجد لدينا الكواركات يوجد بداخلها خيوط صغيرة.ولكن هل يوجد نهاية للصغر أم أن الصغر شيء لانهائي ... ولكن ماذا عن الكبر ... هل هو أيضاً له نفس الصفة بأنه لانهائي ... ؟؟؟.
بسبب هذه الخواص للذرات والإلكترونات والنواة عُرف في القرون الوُسطى وعرف بعلمالسيمياء، حيث قيل في هذا العلم أن المادة مزيج من أربع مواد أساسية (الماء والنار والتراب والهواء) وهذه هي فكرة إغريقية قديمة،وقد فكروا أن تغيير نسب التراب والنار يجعل من الممكن تحويل النحاس إلى ذهب.
النوفا والسوبر نوفا
من أهم الظواهر التي تحدث للنجوم وهي من الظواهر الكونية المثيرة التي لا تزال تحير العلماء إنها ظاهرة السوبرنوفا اتي تحدث للنجم عندما ينفجر النجم فجأة دون ن يدخل في مرحلة العمالقة الحمر إذ تبلغ إضاءة نجم عندما يصبح في هذه المرحلة من السوبرنوفا إضاءة مليون نجم. حيث تستمر هذه الحالة لمدة أسبوعين في المتوسط وفيها يشع النجم طاقات جبارة تساوي تلك الناتجة من مليون شمس من شمسنا ولهذا فقد نرى ضوء النجم في ضوء النهار.
وهناك أيضاً ظواهر فلكية أقل قوة من السوبرنوفا وهي النوفاوهي عبارة عن انفجارات تقذف في الفضاء بجزء من مادة النجم.والفرق بين النوفا والسوبر نوفا أن النجم في حالة النوفا لا يفقد الكثير من مادته أما في حالة السوبرنوفا فهو يتمزق تماماً.
متى يدخل النجم في حالة السوبر نوفا. ؟؟
إذا بلغت كتلته 1.4 من كتلة الشمس أو كثر قليلاً. ولا يدخل في مرحلة القزم الأبيض.
إن التفاعل النووي في قلب النجم تنتج عنه مادة الحديد في درجة حرارة 2000 مليون درجة مئوية وتنتج كمية هائلة من الطاقة على شكل نيوترونات تفر من النجم وهنا لا بد أن ينكمش النجم ليعوض ما فقده وينتج عن هذا التقلص زيادة في درجة الحرارة في قلب النجم فتندفع بارتفاعها إلى ما بين أربعة إلى ستة آلاف مليون درجة مئوية في مدى أسابيع قليلة وهكذا ينهار كل شيء بشكل مفاجئ وهائل.
وعندما تبلغ درجة الحرارة 7000 مئوية فإن بناء العناصر من الخفيف إلى الثقيل ينعكس تماماً فيتحول عنصر الحديد والعناصر الأخرى الثقيلة إلى نوى هيليوم ويتبع عملية التحويل العكسية هذه إلى امتصاص طاقة بدلاً من إطلاقها. فيجد النجم نفسه مضطراً لأن يستعيد كل الطاقة التي بددها خلال ملايين سنين وجوده ...
بفعل الجاذبية فإن الطبقات الخارجية تدخل إلى النواة. تعد من أشهر سوبرنوفا هي لتي وصلت إلينا عام 1054 ويبعد عنا حوالي 7000 سنة ضوئية وهذا يعني أن الانفجار لم يتم في حقيقة 1054 بل قبل ذلك بحوالي 7000 عام لكننا لم نستطع رؤية هذه الظاهرة إلى بعد أن وصل الضوء الهائل إلينا.
النجم النيوتروني
في الظروف العادية يمكن أن يتفكك النيوترون إلى بروتون والكترون ولكن تحت ظروف قوى الجاذبية الهائلة التي تعتري النجم في مرحلة السوبرنوفا فإن تقلص المدة الشديد في حجم غاية في الصغر النسبي الذي يقرب ما بين الذرات واندفاع كتل هائلة إلى قلب النجم بسرعة جنونية لتسحق مادتها ثم تتولد لها طاقة إضافية عالية نتيجة اقترابها من النواة تتيح لها التفاعل مع البروتونات.
ويؤدي هذا التفاعل إلى تشكل النترونات واختفاء الإلكترونويؤدي هذا التحول إلى نقص مفاجئ في التركيب الذري وبهذا الانخفاض تحمل الجاذبية على تقليص المادة أكثر،وهكذا ينشأ النجم النيوتروني مكوناً كله تقريباً من نيوترونات وكنتيجة لتلكالانكماشاتواختفاء الفراغات الذرية يتقلص حجم النجم الهائل إلى أن يبلغ قطره عشرة كيلومترات فقط ومع هذا يحتوي على مادة هائلة وهكذا يزن السنتيمتر المكعب من مادة النجم حوالي مئة مليون طن.
حيث إن بزيادة جاذبية النجم النيوتروني فشان حتى ذرات الضوء لا تستطيع الفلات منه بالرغم من أن فوتونات الضوء تتأثر أحياناً قليلاً بالجاذبية فتنحرف من مسارها.
هناك رابط قريب جداً بين الثقب الأسودوالنجوم النيوترونية لكن الثقوب السوداء تكون أكثر كثافة وأقل حجماًوأعظم تقلصاًوأثقل وزناً.
الثقوب السوداء
الثقب الأسود هو عبارة عن كتلة مركزة في حجم صغير مما يمنع أي جسم من الإفلاتمنها، إذ أن لكل جسم سماوي يوجد له ما يسمى بسرعة الإفلات حيث أنها السرعة التي يحتاجها أي شيء داخل هذا الجسم السماوي كي يتمكن من التخلص من قوة جذب الجسم السماوي الذي هو فيه، سرعة الإفلات للأرض مثلاً تساوي (40000 كم في الساعة).
إن تركيز المادة في الثقب الأسود عالي جداً لدرجة أنه حتى الضوء بسرعته (3000000 كم في الثانية) لا يستطيع الإفلاتمنها، فإن الثقب الأسود لديه القدرة على امتصاص الضوء حتى.
تقول النسبية العامة أن الجاذبية هي مظهر من مظاهر تقوس الزمكان.
للثقب الأسود يوجد ما يسمى بأفق الحدث event horizon وهو منطقة كروية الشكل تدل على حافةالثقبالأسودوفيها تكون سرعة الإفلات مساوية لسرعة الضوء ... حيث عندما يتجاوز الضوء أو أي شيء بسرعة الضوء تلك الحافة لن يكون بإمكانه الخروج بل سيتم ابتلاعه باتجاه المركز (singularity) وهو نقطة شديدة الكثافة تتمدد إلى ما لا نهاية
هناك طريقتان لمعرفة حجم الثقب الأسود ... الكتلة والمساحة.
الكتلة: كتلة الثقب الأسود قد تكون أية قيمة فهي يمكن أن تضغط حتى كثافة عالية جداً، يقول العلماء أن الكثير من الثقوب السوداء قد تتشكل نتيجة موت نجوم ضخمة تساوي كتلتها (1031) كيلوغرام أي ما يساوي عشر مرات كتلة الشمس.
المساحة: كلما ازدادت كتلة الثقب الأسود كلما ازددت المساحة التي يحتلها... قطر أفق الحدث يتناسب مع كتلة الثقب الأسود، فإذا كان هناك ثقب أسود كتلته أكبر بعشر مرات من كتلة الآخر فإن نصف قطر أفق حدث الأول أكبر بعشر مرات من نصف قطر أفق حدث الثاني...
سؤال ...
كيف يمكن لنا معرفة أين هو الثقب الأسود طالما أن الضوء لا يستطيع اجتيازه بل يُمتص من قبل الثقب. إذن فالثقب الأسود هو ظلام دامس فكيف يعرف العلماء مكانه وكيف يكتشفون موقعة بالنسبة للزمكان. ؟؟
بفضل جاذبيته القوية ... فإنه في المنطقة قبل أفق الحدث أو في منطقة قريبة جداً منها ولكن ليس بعدها ينحني مسار الضوء القادم من المجرات كما أنها تقوس الزمكان.
حيث أنه بفضل الثقوب السوداء التي تقوم بحني مسار الضوء لما وصل إلينا أبداً الضوء من المجرات البعيدة جداً.
دليل آخر.
من المادة التي تقوم الثقوب السوداء بابتلاعها. كلما زادت قوة الجاذبية كلما زاد قوة الضغط الواقع عليها مما يزيد درجة حرارتها.وبارتفاع درجة حرارتها ترتفع ترددات الإشعاعاتالإلكترو مغناطيسية التي تصدر عنها.
أنواع الثقوب السوداء:
النجمية: نجم يكون كبير يصل في نهاية حياته إلى انفجاره. كانفجار سوبرنوفا (سنتحدث عنه فيما يلي).
المتوسطة الكتلة
فائقة الضخامة: تنشأ عن ثقب أسود نجمي يلتهم نجماً أو تنشاً عن اندماج عدة ثقوب سوداء مع بعضها، توجد عادة في مراكز المجرات مما يجعل نوتها شديدة التوهج.
افق الحدث
يؤثر الثقب الأسود في الزمان والمكان بطريقتين فجاذبيته الهائلة تعوق مرور الشارات منه إلى ي مصدر خارجي كما أن مرور الوقت بالقرب من الثقب الأسود يتباطأ بشكل غريب.وكما نعلم فإن أفق الحدث هو تلك المنطقة الذي إلى تجاوزها أي جسم أصبح بين يدي الثقب الأسودوالتي تكون سرعة الفلات منها تساوي سرعة الضوء.
ما مصير الضوء الذي يدخل إلى أفق الحدث ...؟
لو افترضنا أن الضوء يتجه نحو الثقب الأسود فبمجرد عبورها لأفق الحدث فإنها لن تستطيع النجاة منه نهائياً.
داخل الثقب الأسود
ماذا يوجد إذن في مركز الثقب الأسود. ؟؟
لو فرضنا أن هناك سفينة فضاء قد أمكن لها اجتياز أفق الحدث إلى داخ الثقب الأسود فإنها ستنجذب بقوة نحو المركز،وقبل وصولها إلى المركز فإنها تسحق تماماً بفعل تيارات الجذب المتزايدة كلما اقتربنا من المركز.
في المركز تتراكم كل مادة الثقب الأسود حيث ينعدم الحجم ويصبح مساوياً للصفر وتكون كثافته غير محدودة.
إن أفق الحدث يشكل ما يسمى بالحاجز بين الثقب الأسودوالعالم الخارجي فكما نعلم لا شيء يعبر أفق الحدث ويخرج منه.
اشعاع هوكينغ
عكس الفيزياء التقليديةفإن ميكانيكا الكم لا تفترض أن الفراغ "فراغ لا يحتوي على شيء" وإنما هو حالة معقدة يتأرجح فيها الفراغ. ويفترض في ذلك أن التأرجح الفراغي يتكون من جسيمات افتراضيةحيث تظهر فجأة جسيم ونقيض الجسيمطبقا لمبدأ عدم التأكدل هايزينبيرغ لفترة زمنية قصيرة جدا جدا ثم يختفيان. كما يشكل أفق الحدثللثقب الأسودمنطقة يحدث فيها إنتاج زوجيلجسيمات افتراضية واختفائها كثيرا. تنشأ فجأة تلك الجسيمات المزدوجة الافتراضية وتكون -طبقالقانون بقاء الطاقة-طاقة جسيم موجبة أما نقيضهفتكون طاقته سالبة. ونظرا لكون شدة الجاذبيةللثقب الأسود بالغة الكبر فمن الممكن أن تحتوي على جسيمات حقيقية ذات طاقة سالبة. وعلى ذلك فمن الممكن أن يسقط جسيم افتراضي ذو طاقة سالبة في الثقب الأسود ويصبح فيه جسيما حقيقيا أو نقيض جسيم حقيقي. تؤدي تلك الحالة إلى انفصال الجسيم عن نقيضه عند أفق الحدث قبل أن يفني كل منهما الآخر. ويسقط أحدهما في الثقب الأسود بينما يسوح الجسيم الآخر كجسيم حقيقي في الفضاء وقد يترك نطاق الثقب الأسود. ويفقد الجسيم الحقيقي الساقط في الثقب الأسودطاقة الوضعوهي تكون كافية لتوليد ازدواج جديد وكافية لإطلاق الجسيم الآخر لكي يغادر حقل الجاذبية للثقب الأسود.
طبقا لمعادلة أينشتاين لتكافؤ الطاقة والمادةE=mc) حيث E الطاقة،وm كتلة المادةو c² مربع سرعة الضوءفي الفراغ) فتكون الطاقة متناسبة طرديا مع الكتلة. فإذا اكتسب الثقب الأسود طاقة سالبة فيفقد بسبب ذلك جزءا من كتلته.وتشكل الجسيمات الحقيقية التي تهرب من الثقب الأسود ما يسمى بإشعاع هوكينغ. ونظرا لأن هذا لافتراض يمكن أن ينطبق أيضا على لفوتونات فيمكن أن يحتوي اشعاع هوكينغ على طيف مستمر من موجات كهرومغناطيسيةمختلفة في أطوال موجاتها.
ونظرا لأن انحناء الزمكان يكون شديدا بالقرب من الثقب الأسود فإن اهتزازات الفراغ هناك تكون شديدة أيضا، وتكون تلك ظاهرة مهمة بالنسبة إلى الثقوب السوداء القليلة الكتلة نسبيا. وتكون أبعاد الثقوب السوداء ذات كتلة صغيرة نسبياً_حد شوارتزشيلد_، ويكون أفق الحدث لها وكذلك الزمكان المحيط بها شديدي الانحناء. أي أنه كلما زادت كتلة الثقب الأسود كلما قل ما يخرج منه من أشعة. وكلما قلت كتلة الثقب الأسود كلما كان معدل تبخره سريعا.
ترموديناميك الثقوب السوداء
لعل الثقوب السوداء هي أكثر الموجودات حرارةً في الكون وإلى إلان ما تزال خواصها الحرارية ليست مفهومة بشكل تام
لكن ...قد وصفت خواصها بشكل دقيق إلى حد ما من خلال عدد صغير من المعلمات العيانية (الكتلة –العزم الزاوي-الشحنة) لكن درجات حرية هذه المعلمات التي تقود إلى السلوك الحراري لم تعرف بشكل كافي حتى إلان
تلميحات قوية من الخصائص الحرارية للثقوب السوداء أتت من سلوك وخواص معيناتهم والتي نموذجة في القوانين الأربع من ترموديناميك الثقوب السوداء
القانون الصفر في ترموديناميك الثقب الأسود هو أن جاذبية السطح K لثقب أسود ثابتة في أفق حدثه والجدير بالذكر أن هذا نظير للقانون الصفر في الترموديناميك التقليدي(الحرارة T ثابتة في نظام ذو توازن حراري)
القانون الأول في ترموديناميك الثقوب السوداء يعبر عن مصونيه الطاقة عن طريق الربط بين التغير في كتلة الثقب الأسودM إل التغيرات في مساحة سطحه A وعزمه الزاوي J وشحنته الكهربائية Q عبر العلاقة الآتية
δM=1/8π KδA+ΩδJ+ϕδQ
حيث أنΩ هي السرعة الزاوية و إمكانية التشويش الكهربائية
القانون الثاني في ترموديناميك الثقوب السوداء يدعى ب (نظرية منطقة هوكينغ) هي عبارة عن منطقة من أفق الثقب الأسود لا تتناقص كما أن هذه القاعدة تكافئ إلى حد ما القانون الثاني في الترموديناميك التقليدي _إن انتروبية نظام مغلق S لا تنقص_
القانون الثالث في ترموديناميك الثقوب السوداء ينص على أن K ثابت جاذبية السطح لا يمكن أن ينتهي إلى الصفر بسلسلة محددة من العمليات وهذا يناظر شكل نيرنست الضعيف للقانون الثالث في الترموديناميك التقليدي (هو أن حرارة نظام لا يمكن أن تنتهي إلى الصفر الطلق بسلسلة منتهية من العمليات)
لكن لو دققنا جيداً لوجدنا أنه لا يكافئ شكل بلانك _الشكل القوي_للقانون الثالث وهو أن انتروبية نظام تسعى للصفر عندما حرارة هذا النظام تسعى إلى الصفر
صيغة هوكينغ للإصدار
من أجل متريةكير نيومان (التي تعد مقاربة رياضية فريدة للثقوب السوداء الثابتة في نظرية أينشتاين ماكسويل)
قليلة هي الصيغ التي يمكن أن توضح حيث أن السطح A وجاذبية السطحK والسرعة الزاوية Ω وامكانية التشتت الكهربائيϕأما عن الكميات المصونة العيانية فإننا نرمز للكتلة M والعزم الزاوي J≡Ma≡M^2 a_*والشحنة الكهربائيةQ=MQ_*مستخدمين الرمز r_+ للدلالة على استخدام الاحداثيات الشعاعية r في أفق الحدث كمعلم وسيطي فتصبح المعادلات بالشكل
r_+=M+√(2&(M^2-a^2-Q^2 )=M[1+√(2&1-a_*^2-Q_*^2 )]
A=4π(r_+^2+a^2 )=4πM^2 [2-Q_*^2+2√((1-a_*^2-Q_*^2))]
K=(4π(r_+-M))/A=1/2M[1+(1-1/2 Q_*^2 )(√((1-a_*^2-Q_*^2 ) ))]
Ω=4πa/A = a_*/M[2-Q_*^2+2√((1-a_*^2-Q_*^2))]
Φ=(4πQr_+)/A=Q_* (1+√((1-a_*^2-Q_*^2)))/(2-Q_*^2+2√((1-a_*^2-Q_*^2)))
حيث أن a_*=a/M=J/M^2 وQ_*=Q/Mكما أنه في هذه الاحداثيات يكون للزمن والطول والكتلة والشحنة نفس الواحدة أما العزم مثلاً يكون له مربع هذه الواحدة
أما بالنسبة لثقب أسود غير مشحون لا يدور (نأخذ بعين الاعتبار مترية شوارتزشيلد) يكون
a_*=Q_*=0
ومنه يكون
r_+=2M
A=16πM^2
K=M/(r_+^2 )=1/4M
Ω=0,Φ=0
معادلة هوكينغ للإصدار للثقب الأسود ضمن الحقول الحرة التي تعطي العدد المتوقع من الجزيئات من نوع معين مع شحنتها المطروحة على شكل موجة معينة بالتواتر أو الطاقة ω والتوافق الشبه الدائري l والعدد الكمومي المحوري والعزم الزاوي mوالاستقطابp
N_Jωlmp=Γ_Jωlmp {1/(exp[〖2πk〗^(-1) (ω-Ωm-q_j Φ)]±1)}
حيث أن الإشارة السالبة هي للبوزونات أما الإشارة الموجبة هي للفرميونات وΓ_Jωlmp هي عبارة عن امكانية الامتصاص لموجة قادمة وبشكل أكثر دقة يمكننا القول أنΓ_Jωlmp هي عبارة عن نفي الطاقة الجزئية المكتسبة من تشتت موجة كلاسيكية مع مجموعة شعاعية داخلية وحيدة في أفق الحدث لذلك الثقب الأسود
كما أنΓ_Jωlmp موجب لجميع الأمواج ذات النمط الفرميوني والبوزونات التي تحقق ω-Ωm-q_j Φ>0والتي هي على الأقل ممتصة جزئياً من قبل الثقب الأسود لكنه سالب لبعض الأمواج ذات النمط البوزوني التي تضخم من قبل الثقب
والجدير بالذكر أن N_Jωlmpيستحيل أن يكون سالباً لأن عامل بلانك الحراري سالب للأمواج ذات النمط البوزوني كما أنN_Jωlmp لا يتباعد أبداً على الرغم من أن ثابت بلانك الحراري(ω-Ωm-q_j Φ )يتناهى إلى الصفرلكنΓ_Jωlmp يسعى معه إلى الصفر في هذه الحالة أيضاً مما يجعل N_Jωlmp محدودة
إن مصفوفة الكثافة لإشعاع هوكينغ _للحقول الحرة هي الناتج التنسوري (التنسور عبارة عن موتر تفاضلي) الغير مترابط لمترية الكثافة الحرارية لكل نوع مع تواتر محدد وعزم زاوي وشحنة، كما أن مترية الكثافة الحرارية لكل نمط هي قطرية في الأساس الرقمي مع احتمالية n جزيئة في النمط
p_n=N^n 〖(1±N)〗^(-n∓1)
والجدير بالذكر أن النمط المتوقع للجزيئات هو نمط ذو N_Jωlmpجزيئة أي في هذه المعادلة N〖=N〗_Jωlmp
وكما أن nيمكن أن تكون أي عدد صحيح غير سالب للبوزونات _الإشارة العلوية _ لكنها تنحصر على الصفر والواحد بالنسبة للفريميونات_إلاشارة السفلية_
وتحسب انتروبية فون نيومان لمصفوفة الكثافة الحرارية لكل نمط بالعلاقة
δS_rad=-∑_n▒p_n ln〖p_n=〗 (N±1) ln(1±N)-N lnN
فلنعتبر أن الضياع المتوقع للطاقة، العزمالزاوي، الشحنة للثقب من إصدار N جزيء في النمط هي〖N_(q_j ) 〖,N〗_m,N〗_ω
يكون التغير المتوقع في انتروبية الثقب الأسود من هذا النمط من الإصدار هو
δS_bh=-N[〖2πk〗^(-1) (ω-mΩ-q_j Φ)]=-N ln((Γ±N)/N)
وهنا يكون التغير الكلي في إلانتروبية هو مجموع التغيرات في إلانتروبية أي
δS=δS_bh+δS_rad=±ln(1±N)+N ln(1+(1-Γ)/(Γ±N))≥±ln(1±N)≥0
إن إصدار هوكينغ من الثقب الأسود إلى فضاء فارغ يتبع للقانون الثاني في الترموديناميك وفي الحقيق تنتج إلانتروبية من كل الأنواع التي يكون فيها إلاصدار (إصدار هوكينغ) لا يساوي الصفر ولما كان إلاصدار من الثقب الأسود ذو درجة حرارة T_bh>0 لفضاء خال ذو T=0 فهو تقدم أو تفاعل خارج عن التوازن
والجدير بالذكر أن كون N≡N_jωlmp لا يعتمد فقط على عامل بلانك بل وأيضاً علىΓ_Jωlmp كما أن الحرارة الفعالة T_Jωlmp تتغير من نمط إلى نمط ولعل أفضل طريقة لتحديدها هي من علاقة عامل بولتزمان
p_1/p_2 =e^(-ω)/T_jωlmp
ولما كانتp_1/p_2 =N/((1±N)) هذا يعطيT_jωlmp=ω/(ln((1±N_jωlmp)/N_jωlmp ))
عندما mΩ+q_j Φ=0 (كما في مترية شوارتزشيلد) يصبح عامل بلانك 1/(e^(2ωπ/k)∓1)
عندما Γ_Jωlmp=1 وبالتالي إن الموجة الكلاسيكية سيتم امتصاصها بالكامل من قبل الثقب الأسود ومنه يكون T_jωlmp=T_bh=k/2πوغالباً ما تعتمد الحرارة على نمط الثقب الأسود
فمثلاً عندما mΩ+q_j Φ=0عندها عموماً يكون Γ_Jωlmp<1 وT_jωlmp<T_bhالتي لديها عزم زاوي كبير بالمقارنة مع طاقتها وبالتالي هي بالمعظم تفتقد إلى الثقب الأسود وتمتلك إمكانية امتصاص ضئيلة Γ_Jωlmpوالحرارة الفعالة هي أقل بكثير من حرارة الثقب الأسود
ومن ناحية أخرى هناك الشديدة القرب من الثقوب السوداء حيث 1-a_*^2-Q_*^2≪1 وT_bh≪1/8πMوما تم ذكره 1-a_*^2-q_*^2 هو عبارة عن قيمة شوارتزشيلد ومن أجل إلانماط التي فيها ω-mΩ-q_j Φ<0(كما في البوزونات التي لديهاΓ_Jωlmp<0 ومن أجل الفرميونات التي لديهاΓ_Jωlmp>0 )
لكن عندما تكون T_jωlmp≫T_bh هذه هي الحالة حيث يكون لها تأثير مهمل وتصبح معادلة هوكينغ للإصدار تقريباً بالشكل〈N〉=±(A-1)حيث أن عامل التضخيم هنا A=-Γ_Jωlmpوالجدير بالذكر أن أولاكتشاف للإصدار التلقائي كان على يد زيلدوفيش
(d E_rad)/dt=-dM/dt=1/2π ∑_(j,l,m,p)▒∫▒〖ωN_Jωlmp dω〗
(d J_rad)/dt=-dJ/dt=1/2π ∑_(j,l,m,p)▒∫▒〖mN_Jωlmp dω〗
(d Q_rad)/dt=-dQ/dt=1/2π ∑_(j,l,m,p)▒∫▒〖q_j N_Jωlmp dω〗
(d S_rad)/dt=-dS/dt=1/2π ∑_(j,l,m,p)▒∫▒〖S N_Jωlmp dω〗
تدل على طاقة الثقب، والعزمالزاوي، والشحنة ومن انحفاظ الطاقة M,J,Q ملاحظات على المعادلات السابقة حيث
الكلية والعزم الزاوي والشحنة فالثقبالأسود يخسر هذه الكميات بسرعة السرعات التي اكتسبهم بها الإشعاع
لكن هذا لا ينطبق على إلانتروبية الكلية والتي بشكل عام ترتفع وكما لاحظنا أن انتروبية ثقب أسود تتغير بالنسبة للسرعة
(dS_bh)/dt=1/2π ∑_(j,l,mp)▒∫▒〖[2πk^(-1) (ω-mΩ-q_j Φ] N_jωlmp dω〗
وتصبح إلانتروبية الكلية
dS/dt=1/2π ∑_(j,l,m,p)▒〖∫▒dω[±ln(1±N_jωlmp ln(1+(1-Γ_jωlmp)/(Γ_jωlmp+N_jωlmp ))〗
ملخص عن حياة النجوم
منذ لحظات الميلاد الأولى للنجوم ومعظم الغاز الذي يدخل في تكوينه هو الهيدروجين، مخلوطاً بكميات صغيرة من الهيليوم وشوائب بسيطة من العناصر الأثقلمنه، حيث كلما ازدادت الكتلة كلم قصر الوقت اللازم لإمام مرحلة النجم الأولى، فالنجم كبير الكتلة يمكنه بسبب شدة مجال جاذبيته إنجاز ميلاده في وقت قصير نسبياً.
تبدأ التفاعلات النووية داخل النجم حينما يصل إلى حد تقلص معين وتكون درجة حرارته الداخلية حوالي نصف مليون درجة مئوية وعندها يتحول الهدروجين إلى هيليوم بفعل الاندماج النووي (حيث تتحد أربع ذرات هدروجين مشكلة ذرة هيليوم).وعندما تصل حرارة النجم في اللب إلى حوالي الثمانين مليون درجة يدخل الهيليوم متحولاً إلى عناصر أثقل،
ثم يأتي الوقت الذي يتعادل فيه ضغط الحرارة العالية في داخل النجم مع قوة الجاذبية وهكذا يتوقفالانكماشويدخل النجم في مرحلة التتابع الرئيسي ويصبح النجم مجرد آلة تشع ضوء وقودها مادتها.
تنتهي حياة النج عندما يستهلك كل وقوده النووي ومن ثم لن يستطيع الاحتفاظ بحرارة كافية في باطنه للإبقاء على طبقاته الخارجية وهكذا ينكمشأكثر.
تنتهي حياة النجم ذو الكتلة الصغيرة إلى نجم نيوتروني أو قزم أبيض أما إذا زادة كتلته عن حد معين فيصبح ثقب أسود.
هل يوجد في مجرتنا ثقب أسود. ؟؟
هناك أدلة مؤكدة عن أحداث عنيفة تجري في مركز مجرتنا فمثلاً هناك تركيب في شكل ذراع هائل يتألف غالباً من الهدروجين ويبعد نحو تسع سنوات ضوئية من المركز يُمكن أن يّشاهد مقبلاً نحو الكوة الأرضية سرعة تبلغ حوالي 50 كيلومتر في الساعة،وهذه الحركة يُمكن معرفتها بالتغير الذي يحدث في طول الموجات الراديوية التي يطلقها الهدروجين وهذا وغيره منالاضطرابات في لنبضات الراديوية تؤيد فكرة أن مركز مجرتنا يحوي ثقب أسود هائل.
رأي العلماء عن الثقب الأسود
فكر العلماء باستخدام الثقب كسلاح وقالوا بأنه يمكن أن يستعمل كقنبلة نووية هائلة التدمير.
نظرية النسبية تقول إن العلاقة بين الطاقة والكتلة هي أن الطاقة تساوي الكتلة مضروبة بمربع سرعة الضوء.
وعلى غرار هذه العلاقة بين الطلقة والكتلة قال عالمان من المعهد التكنولوجي بكاليفورنيا بإمكان استخدام الثقب الأسود كقنبلة ففي ظروف معينة يمكن تضخيم قوة الموجات الراديوية الطويلة بارتدادها من الثقوب السوداء وهذه الزيادة في القوة يُمكن أن تبلغ حداً معيناً ولكن إذا أحيد الثقب الأوحد بمجموعة من المرايا التي تستطيع عكس أكثر من 99.9% من الإشعاع الساقط عليها يُمكن أن تتضخم عدة مرات بارتدادها من الثقب الأسود حتى يصل الأمر إلى انفجار المرايا المحيطة بالثقب بشكل كبير.
الثقوب البيضاء والسفر عبر الزمن
وضع بعض العلماء تصورات نظرية ونماذج رياضية لتفسير بعض الظواهر الكونية الغامضة، من هذه التفسيرات أن هناك تدفقات كونية تأتي إلى كوننا المرئي من كون مجهول لا يعرفون عنه شيئاً.
فالمادة التي تختفي في الثقب الأسود تنتقل إلى كون آخر عن طريق ما يسمى بالنفق الكوني وتنبثق هناك في شكل متدفق كوني يطلق عليه اسم الثقب الأبيضوالثقب الأبيض هو عكس الثقب الأسود، فبينما تختفي المادة وتفقد كل خصائصها داخل مركز الثقب الأسود فإنه تندفع خلال نفق كوني لتنبثق مرة أخرى بشكل مختلف من الكون الآخر بشكل ثقب أبيض.
سؤال.
ألا توجد قوة م تمكننا من الهروب من الثقب الأسود ...؟
إن أية قوة كهذه يجب أن تمنع مزيداً من الانهيار، يجب أن تشتمل على طاقة حتى تحدث تأثيراً قويا.
ومصدر هذه الطاقة سيفعل هو نفسه (كما لو أن له كتلة) ولكن سيكون هناك أيضاً جاذبية لهذه الكتلة،وها يعجلالانهياروكلما كبر حجم الطاقة التي تحاول منع الانهيار زادت قوة الجاذبية.وهذا يُحدث مزيداً من الضغط،ومن ثم لن يمكن أبداً الهروب من قوة هذا التأثير والانهيار إلى مركز الثقب الأسود.
وفي داخل الثقب الأسود لا يمكن أبداً تفادي الفناء التام ولا حتى تأجيله إلى بعد فترة من الزمن. لأن الوقت الذي يستغرقه السقوط إلى المركز في داخل الثقب الأسود صغير ...يبلغ حواليواحد على مليون من الثانية الواحدة.
الملخص
لقد درسنا في هذا الفصل (لثقوب السوداء) عن النجوم وأنواعها وكيف تنهيحياتها. فإذا كان كتلة النجم ذو كتلة صغيرة فإنه ينهي حياته بقزم أبيض أو بنجم نيوتروني وإذا كانت كتلته أكبر من ثلاثة أضعف شمسنا فإنه ينهي حياته بثقب أسود.
وتتوقف حياة النجم عندما تتوقف التفاعلات النووية الموجودة في دخله.
وكل هذا الكلام عن الثقوب السوداء (إذا كان لها وجود طبعاً) فهي تنشأ من غبار النجوم وأهم ما يميز الثقوب السوداء أنها تحوي أفق حدث (وهو حد كروي يفصل بين داخل الثقب الأسود العالم الخارجي عن الثقب الأسود).
وتحدثنا أيضاً عن احتمال السفر عبر الزمن عن طريق النفق الدودي واحتمالية وجود ثقوب بيضاء.
وكل ما تحدثنا عنه في هذا الفصل مع الفئة المؤيدة لفكرة الثقب الأسود. حيث يوجد أيضاً فئة غير مقتنعة بوجود الثقب الأسودولها دلائلعليها.
قد حاول ألبرت أينشتاين في نهاية حياته أن يحل لغزاً كبيراً .... وهو أن يجد نظرية واحدة تقوم بوصف كل ما يجري في الكون لكنه وللأسف قد كان الموت حاجزاً بينه وبين تحقيق حلمه لكن الفيزيائيين اليوم يعتقدون أنهم يمسكون بحل ذاك اللغز العظيم إلا وهو نظرية الأوتارال فائقةString theory نظرية تنسف أفكارنا التقليدية عن الكون وتجعل العالم ساحة للخيال البحت...
نظرية الأوتار الفائقة
تنص نظرية الأوتار الفائقة على أننا نعيش في كون يلتقي فيه الخيال العلمي مع الحقيقة كون يتألف من أحد عشر بعداً وأكوان موازية أقرب إلى كوننا مما نتخيل. كون تنسجه موسيقى الأوتار.... والمبدأ بسيط ٌ جداً فالنظرية تقول إن كل ما في الكون من النجوم العملاقة إلى أصغر جزء في الذرة مكونة من خيوط مهتزة متحركة صغيرة جداً من الطاقة ندعوها أوتاراً والنغمات التي تستطيع أوتار الطاقة هذه إصدارها تشكون الكون بأكمله
استنادا إلى نظرية الأوتار الفائقة فإن الكون الذي نعيش فيه ليس وحيدا، وإنما هنالك أكوان عديدة متصلة ببعضها البعض، ويرى العلماء أن هذه الأكوان متداخلة ولكل كون قوانينه الخاصة به، بمعنى أن الحيز الواحد في عالمنا قد يكون مشغولاً بأكثر من جسم ولكن من عوالم مختلفة، وبحسب هذه النظرية فإن الكون ما هو إلا سيمفونية أوتار فائقة متذبذبة، فالكون عزف موسيقي ليس إلا ومن الممكن معرفة الكون ومما يتكوّن من خلال معرفتنا للأوتار ونغماتها، فالكون يتصرف على نمط العزف على الأوتار.
نظرية الأوتارالفائقة. الفكرة الأساسية:
تقدم نظرية الأوتار نموذجاً قوياً مبنياً على الفهم يتضمن لأول مرة ظهور إطار يجيب عن تلك التساؤلات. ولنبدأ بالفكرة الأساسية.
إن الجسيمات الدقيقة التي تبدو لنا كأنها "حروف" جميع المواد، وفق النظرية الوترية هي ليست مجرد "نقطة" بل تتكون من أنشوطة أحادية البعد مغلقة أو مفتوحة وطولها أصغر بمئة مليار مرة من نواة الذرة (1020 مرة). وكل جسيمة تتكون من فتيل (string) يتذبذب ويهتز ويتراقص مثل حلقة من المطاط متناهية النحافة (صورة الأوتار ثم صورة تسلسل البناء من تفاحة إلى وتر) وهذا الانحلال المباشر للجسيمات محل جدائل الأوتار كعناصر أساسية يؤدي إلى نتائج بعيدة المدى أولها وأهمها أنه يزيل التناقض بين النسبية العامة وميكانيك الكم حيث أن الطبيعة الفراغية الممتدة للوتر هي العنصر الحرج الجديد الذي يسمح بإطار فريد متجانس يربط بين النظريتين. وثانيهما أن نظرية الأوتار تقد نظرية موحدة تقترح أن كل المادة وكل القوى تنشأ من مكون أساسي واحد هو الأوتار المتذبذبة وأخيراً فإن هذه النظرية تغير مرة أخرى وبصورة جذرية فهمنا للزمكان.
استناداً إلى نظرية الأوتار الفائقة فإن الكون ما هو إلا سيمفونية أوتار فائقة متذبذبة، فالكون عزف موسيقي ليس إلا ومن الممكن معرفة الكون ومما يتكوّن من خلال معرفتنا للأوتار ونغماتها، فالكون يتصرف على نمط العزف على الأوتار.
مازالت هذه النظرية في بداياتها المتواضعة لكنها بالفعل تطرح مفهوماً جديداً كلياً عن الكون وما في داخله
The unification
التوحيد هو صياغة قانون وحيد يصف كل ما في هذا الكون بواسطة فكرة واحدة أو معادلة واحدة رئيسية يعتقد العلماء أن التوحيد موجود لأن فهمنا للكون أعطانا مجموعة من التفسيرات العديدة والتي تشير إلى الاتجاه نفسه تقود إلى طريق واحد
"التوحيد هو ما نسعى لتحقيقه لأن هدف الفيزياء الأساسي هو أن نصف المزيد والمزيد من ظواهر الكون بطرق ومبادئ أبسط وأبسط “ستيفنوينبرغ
"إن قدرتنا على وصف الظواهر الهائلة العدد بشكل واحد بسيط هو خطوة خطيرة جداً في مفاهيمنا عن الكون ووجوده “مايكل غرين
يعد التوحيد من خلال نظرية الأوتارالنموذج القياسي إلى جانب عدم مقدرته على احتواء قوة الجاذبية فإنه أيضاً لا يوجد تفسيراً لتفاصيل التركيب. فهو يأخذ قائمة الجسيمات كمدخلات تجريبية ولا يقدم أي تنبؤ إن لم يتم إدخال البيانات عن الخواص الأساسيةللجسيمات. أما نظرية الأوتار فهي مختلفة جذرياً ولا تتطلب أي مدخلات. فكل خواص العالم الميكروي تقع داخل مجال قدرتها على التفسير.
فمثلاً. لوتر الكمان عدد هائل من لانساقالاهتزازية المختلفة وتسمى الرنين (Resonance) وأنساق الموجات هذه بقممها ومنخفضاتها تفصل بينها مسافات متساوية وتناسب تماماً المسافة بين نقطتي تثبيت الوتر وتشعر إذنانا برنين لانساقالاهتزازية المختلفة كنغمات موسيقية متباينة.
وللأوتار في نظرية الأوتار الفائقة صفات مماثلة حيث هناك رنين لنسق اهتزازي يحدثه الوتر نتيجة المسافات المتساوية بين القمم والمنخفضات التي تناسب تماماً بعده المكاني. وكما تعطي لانساقالاهتزازية لأوتار الكمان نغمات موسيقية مختلفة، فإن لانساقالاهتزازية المختلفة لوتر أساسي تعطي كتلاً وشحنات وقوىً مختلفة أي أن خواص الجسيمة الأولية تتحدد بنسق الرنين الدقيق للاهتزازات التي يحدثها وترها الذاتي.
والجدير بالذكر أنه تم اقتراح خمس نظريات في توحيد الكون لا واحدة وهذا ما سنتطرق إليه إلان في مفهوم الثنائيات