مسافر007
26th August 2011, 02:47 PM
با توجه به اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتوم، احتمال هر روhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/eb/Stephen_Hawking.StarChild.jpgیدای همیشه بزرگتر از صفر است. یکی از نتیج منطقی آن این است که ما بپذیریم خلاء “فضای تهی” واقعاً تهی نیست. و فضای تهی از ذرات مجازی انباشته شده است، از ذرات ماده و انرژی و نه کاملاً حقیقی. ذرات مجازی با این که حقیقی نستند، قوانین نشان می دهند که جهان در مقیاس کوانتومی چگونه رفتار می کند. برای مثال آنها برای توضیح کنش فوتون و الکترون لازم هستند.اگر ما فضا را خلا فرض كنیم، راه درستی نرفته ایم. در اینجا می خواهیم علت آن را بیابیم. اصل عدم قطعیت به این معنی است كه ما هیچ گاه نمی توانیم با دقت كامل، به طور همزمان، مكان و سرعت یك ذره را بداینم. معنای آن از این هم بیشتر است: ما هرگز نمی توانیم كمیت یك میدان (به عنوان مثال: میدان گرانشی یا میدان الكترومغناطیسی) و آهنگ تغییرات آنرا همزمان، با دقت كامل تعیین كنیم. هر قدر كمیت میدان را با دقت بیشتر بدانیم، دقت ما در دانستن آهنگ تغییرات آن كاهش خواهد یافت و بالعكس، همچون الاكلنگ. در نتیجه، شدت یك میدان هیچ وقت به صفر نمی رسد. صفر هم از نظر كمیت و هم از نظر آهنگ تغییرات میدان، اندازه گیری بسیار دقیقی خواهد بود كه اصل عدم قطعیت، آن را مجاز نمی داند. نمی توان فضای خالی داشت، مگر اینكه تمام میدانها دقیقاً صفر باشند: اگر صفر نباشند، فضای خالی وجود ندارد.به جای فضای خالی یا خلأ كامل كه اغلب ما تصور می كنیم در فضا هست، مقدار حداقلی از عدم قطعیت، اندكی ابهام یا نامعلومی به صورتی داریم كه نمی دانیم مقدار میدان در «فضای خالی» چیست. این افت و خیز در مقدار میدان، این لرزش اندك به سوی جوانب مثبت و منفی صفر را كه هرگز صفر نمی شود، می توان به طریق زیر تصور كرد.زوجهایی از ذرات ـ زوجهای فوتونها یا گراویتونها ـ مدام ظاهر می شوند. دو ذره به صورت یك جفت در می آیند و سپس از هم جدا می شوند. پس از فاصله زمانی بسیار كوتاه غیرقابل تصوری، آن دو ذره بار دیگر به هم می رسند، و یكدیگر را منهدم می كنند حیاتی كوتاه ولی پر ماجرا دارند. مكانیك كوانتومی به ما می گوید كه این واقعه همیشه و همه جا در فضای «خلأ» روی می دهد
ممكن است كه اینها ذرات «واقعی» كه بتوانیم وجود آنها را با یك آشكارساز ذرات، تشخیص دهیم نباشند، ولی نباید تصور كرد كه آنها ذرات خیالی هستند. حتی اگر آنها فقط ذراتی «مجازی» باشند، می دانیم آثار آنها را روی ذرات دیگر تشخیص دهیم.بعضی از این زوجها، زوجهای ذرات ماده یا فرمیونها هستند. در این حالت، یكی از ذرات زوج، پاد ذره دیگری است. «پاد ماده» را كه در بازیهای خیالی و داستانهای علمی تخیلی با آن آشنا هستیم، صرفاً تخیلی نیست. می دانیم كه مقدار كل انرژی در جهان، همیشه ثابت و بدون تغییر است. انرژی نمی تواند از جایی به طور ناگهانی به جهان وارد شود. چگونه ما می توانیم مسأله این زوج تازه به وجود آمده را با این اصل سازگار كنیم؟ این زوجها، با «وام گرفتن» انرژی، به طور بسیار موقتی به وجود آمده اند. آنها به هیچ وجه دایمی نیستند. یكی از ذرات این زوج انرژی مثبت و دیگری انرژی منفی دارد. تراز انرژی آنها برابر است. به مقدار انرژی كه در جهان وجود دارد، چیزی اضافه نشده است.استیون هاوكینگ استدلال كرد كه زوج ذره های بسیاری به طور غیر منتظره، در افق رویداد یك سیاهچاله به وجود می ایند و از بین می روند. بنابر تصور او، ابتدا یك زوج از ذرات مجازی ظاهر می شود. قبل از آنكه این زوج به یكدیگر برسند و یكدیگر را منهدم كنند، ذره ای كه انرژی منفی دارد از افق رویداد عبور كرده، وارد سیاهچاله می شود. آیا این بدان معنی است كه ذره با انرژی مثبت باید همتای بدبخت خود را، با هدف برخورد و منهدم كردن دنبال كند؟ نه. میدان جاذبه در افق رویداد یك سیاهچاله به قدر كافی قوی است كه با ذرات مجازی، حتی با ذرات بدبخت با انرژی منفی كار شگفت انگیزی می كند: میدان جاذبه می تواند آنها را از « مجازی» به « واقعی» تبدیل كند. این تبدیل، تغییر قابل ملاحظه ای در زوج به وجود می آورد. آنها دیگر مجبور نیستند با یكدیگر برخورد كرده و یكدیگر را منهدم كنند. آنها می توانند هر دو مدت بسیار طولانیتری، جدا از هم وجود داشته باشند. البته ذره با انرژی مثبت نیز می تواند در سیاهچاله بیفتد، ولی مجبور به چنین كاری نیست. او از مشاركت آزاد است، می تواند بگریزد. برای یك مشاهده كننده از دور، به نظر می آید كه از سیاهچاله بیرون آمده است. در حقیقت این ذره، نه از بیرون، بلكه از نزدیك سیاهچاله می آید. در این ضمن همتای او انرژی منفی به سیاهچاله وارد كرده است. تابشی كه به این ترتیب از سیاهچاله گسیل می شود، تابش هاوكینگ نامیده می شود. با تابش هاوكینگ، كه دومین كشف مشهور او در زمینه سیاهچاله ها بود، استیون هاوكینگ نشان داد كه اولین كشف مشهور او، قانون دوم دینامیك سیاهچاله (كه مساحت افق رویداد هیچ گاه نمی تواند كاهش یابد)، همیشه استوار نیست. تابش هاوكینگ این معنی را می دهد كه یك سیاهچاله می تواند كوچك شده و در نهایت كاملاً از بین برود، چیزی كه یك مفهوم واقعاً اساسی است.چگونه تابش هاوكینگ یك سیاهچاله را كوچكتر می كند؟ سیاهچاله، به تدریج كه ذره های مجازی را به واقعی تبدیل می كند انرژی از دست می دهد. اگر هیچ چیز نمی تواند از افق رویداد بگریزد، چه طور ممكن است چنین چیزی روی بدهد؟ چه طور سیاهچاله می تواند چیزی از دست بدهد؟ به این سؤال می توان پاسخ زیركانه ای داد: زمانی كه ذره ای با انرژی منفی این انرژی منفی را با خود به سیاهچاله می برد، انرژی سیاهچاله را كمتر می كند.یعنی منفی « منها» است كه مترادف كمتر است.بدینسان، تابش هاوكینگ از سیاهچاله انرژی می رباید. انرژی كمتر، كاهش جرم را به دنبال دارد. معادله اینشتینE = mc۲ را به خاطر بیاوریم. در این رابطه، Eانرژی،
mجرم وcسرعت نور است. هنگامی كه انرژی (در یك سوی این رابطه) كاهش می یابد (كه در مورد سیاهچاله ها این طور است)، یكی از كمیتهای طرف دیگر باید كمتر شود. چون سرعت نور ثابت است، جرم باید كاهش پیدا كند. بنابر این موقعی كه ما می گوییم انرژی از سیاهچاله ربوده شده است، مثل این است كه جرم از آن ربوده شده است.به خاطر داشته باشیم و به یاد آوریم كه نیوتن درباره گرانی چه چیزی به ما آموخت: هر تغییر در جرم جسم، مقدار كشش گرانشی آن را كه بر جسم دیگر اعمال می كند، تغییر می دهد. اگر جرم زمین كمتر شود (جرمش كمتر شود نه آنكه كوچكتر شود) كشش گرانش آن در مدار حركت ماه كاهش می یابد. اگر سیاهچاله جرم از دست بدهد، كشش گرانشی آن در جایی كه افق رویداد (شعاع بدون بازگشت) وجود دارد، كاهش می یابد. سرعت گریز در این شعاع كمتر از سرعت نور می شود. در این حال شعاع افق رویداد كوچكتر از شعاعی می شود كه در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور بوده است. در نتیجه افق رویداد منقبض شده است. این، تنها راه توجیه كوچكتر شدن سیاهچاله است.اگر تابش هاوكینگ از یك سیاهچاله بزرگ را كه در نتیجه رُمبش یك ستاره به وجود آمده است اندازه گیری كنیم، ناامید خواهیم شد. دمای سطح سیاهچاله ای به این بزرگی، كمتر از یك میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق خواهد بود. هر قدر سیاهچاله بزرگتر باشد، دمای آن كمتر است. استیون هاوكینگ می گوید، «سیاهچاله ای با جرم ده برابر خورشید، ممكن است چند هزار فوتون در ثانیه گسیل دارد، ولی این فوتونها طول موجی به اندازه سیاهچاله خوهاند داشت و انرژی آنها آنقدر كم خواهد بود كه آشكارسازی آنها ممكن نیست». مطلب را می توان این طور بیان كرد: هرقدر جرم زیادتر باشد، سطح افق رویداد بزرگتر، هرچه سطح افق رویداد بزرگتر باشد، آنتروپی بیشتر است. هرچه آنتروپی بیشتر باشد دمای سطح و آهنگ گسیل كمتر است .با این حال، هاوكینگ، خیلی زود، در سال ۱۹۷۱ نظر داد كه نوع دیگری از سیاهچاله وجود دارد: سیاهچاله های خیلی ریز كه جالبترین آنها به انداز هسته اتم است. این سیاهچاله ها به طور قطع منفجر می شوند و تابش می كنند. به یاد داشته باشیم كه هر قدر سیاهچاله كوچكتر باشد، دمای سطح آن بیشتر است. هاوكینگ در مورد این سیاهچاله های بسیار ریز می گوید: « این سیاهچاله ها را به زحمت می توان سیاه نامید: آنها در حقیقت داغ و سفیدنددر مکانیک کلاسیک سیاه چاله سیاه هستنداما در مکانیک کوانتومی سیاه چاله ها تابش می کنند و این چیزی است که نخستین بار هاوکینگ مطرح کرد.
ممكن است كه اینها ذرات «واقعی» كه بتوانیم وجود آنها را با یك آشكارساز ذرات، تشخیص دهیم نباشند، ولی نباید تصور كرد كه آنها ذرات خیالی هستند. حتی اگر آنها فقط ذراتی «مجازی» باشند، می دانیم آثار آنها را روی ذرات دیگر تشخیص دهیم.بعضی از این زوجها، زوجهای ذرات ماده یا فرمیونها هستند. در این حالت، یكی از ذرات زوج، پاد ذره دیگری است. «پاد ماده» را كه در بازیهای خیالی و داستانهای علمی تخیلی با آن آشنا هستیم، صرفاً تخیلی نیست. می دانیم كه مقدار كل انرژی در جهان، همیشه ثابت و بدون تغییر است. انرژی نمی تواند از جایی به طور ناگهانی به جهان وارد شود. چگونه ما می توانیم مسأله این زوج تازه به وجود آمده را با این اصل سازگار كنیم؟ این زوجها، با «وام گرفتن» انرژی، به طور بسیار موقتی به وجود آمده اند. آنها به هیچ وجه دایمی نیستند. یكی از ذرات این زوج انرژی مثبت و دیگری انرژی منفی دارد. تراز انرژی آنها برابر است. به مقدار انرژی كه در جهان وجود دارد، چیزی اضافه نشده است.استیون هاوكینگ استدلال كرد كه زوج ذره های بسیاری به طور غیر منتظره، در افق رویداد یك سیاهچاله به وجود می ایند و از بین می روند. بنابر تصور او، ابتدا یك زوج از ذرات مجازی ظاهر می شود. قبل از آنكه این زوج به یكدیگر برسند و یكدیگر را منهدم كنند، ذره ای كه انرژی منفی دارد از افق رویداد عبور كرده، وارد سیاهچاله می شود. آیا این بدان معنی است كه ذره با انرژی مثبت باید همتای بدبخت خود را، با هدف برخورد و منهدم كردن دنبال كند؟ نه. میدان جاذبه در افق رویداد یك سیاهچاله به قدر كافی قوی است كه با ذرات مجازی، حتی با ذرات بدبخت با انرژی منفی كار شگفت انگیزی می كند: میدان جاذبه می تواند آنها را از « مجازی» به « واقعی» تبدیل كند. این تبدیل، تغییر قابل ملاحظه ای در زوج به وجود می آورد. آنها دیگر مجبور نیستند با یكدیگر برخورد كرده و یكدیگر را منهدم كنند. آنها می توانند هر دو مدت بسیار طولانیتری، جدا از هم وجود داشته باشند. البته ذره با انرژی مثبت نیز می تواند در سیاهچاله بیفتد، ولی مجبور به چنین كاری نیست. او از مشاركت آزاد است، می تواند بگریزد. برای یك مشاهده كننده از دور، به نظر می آید كه از سیاهچاله بیرون آمده است. در حقیقت این ذره، نه از بیرون، بلكه از نزدیك سیاهچاله می آید. در این ضمن همتای او انرژی منفی به سیاهچاله وارد كرده است. تابشی كه به این ترتیب از سیاهچاله گسیل می شود، تابش هاوكینگ نامیده می شود. با تابش هاوكینگ، كه دومین كشف مشهور او در زمینه سیاهچاله ها بود، استیون هاوكینگ نشان داد كه اولین كشف مشهور او، قانون دوم دینامیك سیاهچاله (كه مساحت افق رویداد هیچ گاه نمی تواند كاهش یابد)، همیشه استوار نیست. تابش هاوكینگ این معنی را می دهد كه یك سیاهچاله می تواند كوچك شده و در نهایت كاملاً از بین برود، چیزی كه یك مفهوم واقعاً اساسی است.چگونه تابش هاوكینگ یك سیاهچاله را كوچكتر می كند؟ سیاهچاله، به تدریج كه ذره های مجازی را به واقعی تبدیل می كند انرژی از دست می دهد. اگر هیچ چیز نمی تواند از افق رویداد بگریزد، چه طور ممكن است چنین چیزی روی بدهد؟ چه طور سیاهچاله می تواند چیزی از دست بدهد؟ به این سؤال می توان پاسخ زیركانه ای داد: زمانی كه ذره ای با انرژی منفی این انرژی منفی را با خود به سیاهچاله می برد، انرژی سیاهچاله را كمتر می كند.یعنی منفی « منها» است كه مترادف كمتر است.بدینسان، تابش هاوكینگ از سیاهچاله انرژی می رباید. انرژی كمتر، كاهش جرم را به دنبال دارد. معادله اینشتینE = mc۲ را به خاطر بیاوریم. در این رابطه، Eانرژی،
mجرم وcسرعت نور است. هنگامی كه انرژی (در یك سوی این رابطه) كاهش می یابد (كه در مورد سیاهچاله ها این طور است)، یكی از كمیتهای طرف دیگر باید كمتر شود. چون سرعت نور ثابت است، جرم باید كاهش پیدا كند. بنابر این موقعی كه ما می گوییم انرژی از سیاهچاله ربوده شده است، مثل این است كه جرم از آن ربوده شده است.به خاطر داشته باشیم و به یاد آوریم كه نیوتن درباره گرانی چه چیزی به ما آموخت: هر تغییر در جرم جسم، مقدار كشش گرانشی آن را كه بر جسم دیگر اعمال می كند، تغییر می دهد. اگر جرم زمین كمتر شود (جرمش كمتر شود نه آنكه كوچكتر شود) كشش گرانش آن در مدار حركت ماه كاهش می یابد. اگر سیاهچاله جرم از دست بدهد، كشش گرانشی آن در جایی كه افق رویداد (شعاع بدون بازگشت) وجود دارد، كاهش می یابد. سرعت گریز در این شعاع كمتر از سرعت نور می شود. در این حال شعاع افق رویداد كوچكتر از شعاعی می شود كه در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور بوده است. در نتیجه افق رویداد منقبض شده است. این، تنها راه توجیه كوچكتر شدن سیاهچاله است.اگر تابش هاوكینگ از یك سیاهچاله بزرگ را كه در نتیجه رُمبش یك ستاره به وجود آمده است اندازه گیری كنیم، ناامید خواهیم شد. دمای سطح سیاهچاله ای به این بزرگی، كمتر از یك میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق خواهد بود. هر قدر سیاهچاله بزرگتر باشد، دمای آن كمتر است. استیون هاوكینگ می گوید، «سیاهچاله ای با جرم ده برابر خورشید، ممكن است چند هزار فوتون در ثانیه گسیل دارد، ولی این فوتونها طول موجی به اندازه سیاهچاله خوهاند داشت و انرژی آنها آنقدر كم خواهد بود كه آشكارسازی آنها ممكن نیست». مطلب را می توان این طور بیان كرد: هرقدر جرم زیادتر باشد، سطح افق رویداد بزرگتر، هرچه سطح افق رویداد بزرگتر باشد، آنتروپی بیشتر است. هرچه آنتروپی بیشتر باشد دمای سطح و آهنگ گسیل كمتر است .با این حال، هاوكینگ، خیلی زود، در سال ۱۹۷۱ نظر داد كه نوع دیگری از سیاهچاله وجود دارد: سیاهچاله های خیلی ریز كه جالبترین آنها به انداز هسته اتم است. این سیاهچاله ها به طور قطع منفجر می شوند و تابش می كنند. به یاد داشته باشیم كه هر قدر سیاهچاله كوچكتر باشد، دمای سطح آن بیشتر است. هاوكینگ در مورد این سیاهچاله های بسیار ریز می گوید: « این سیاهچاله ها را به زحمت می توان سیاه نامید: آنها در حقیقت داغ و سفیدنددر مکانیک کلاسیک سیاه چاله سیاه هستنداما در مکانیک کوانتومی سیاه چاله ها تابش می کنند و این چیزی است که نخستین بار هاوکینگ مطرح کرد.