فیزیک

منظومه شمسی پیرتر از تصور ماست

گربه شرودینگر

گربه شرودینگر یک آزمایش فکری در فیزیک کوانتمی است.

فرض کنید گربه ای در جعبه‌ای در بسته زندانی است. در این جعبه یک شیشه گاز سیانور، یک چکش، یک حسگر پرتوزا (رادیواکتیو) و یک منبع پرتوزا نیز وجود دارد. همانطور که می‌دانید ذرات پرتوزا بصورت نامنظم تابش می‌کنند و به همین دلیل برای آنها نیمه عمر در نظر می‌گیرند. حال فرض کنید سنسور و چکش طوری تنظیم شده باشند که در صورت تابش موج پرتوزا بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱، چکش شیشه حاوی گاز را شکسته و گربه بمیرد. اگر شما در ساعت ۱۲:۰۱ در جعبه را باز کنید چه خواهید دید؟ اگر از طریق فرمول نیمه عمر منبع، احتمال تابش بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱ را ۵۰٪ پیش بینی کنید. گربه داخل جعبه در هنگام برداشتن درب جعبه ۵۰٪ مرده است و ۵۰٪ زنده است. اما وقتی درب جعبه را بر می‌دارید خواهید دید که گربه یا مرده و یا زنده است. نمی توان گفت ۵۰٪ سلولهای بدن گربه مرده‌اند و ۵۰٪ آنها زنده اند. در فاصله یک لحظه، احتمال به یقین تبدیل خواهد شد. این امر کاملاً متضاد با مکانیک کوانتومی می‌باشد. همانطور که گفتیم هیچگاه نمی‌توان موقعیت یک سیستم را به دقت اندازه گیری نمود. اما در این مثال کاملاً این امر ممکن شده است.

این گونه پارادوکسها در مکانیک کوانتومی بسیار زیاد است. اما با این همه مکانیک کوانتومی در پیش بینی نتایج بسیاری از آزمایشها به طور درخشانی موفق بوده است و زمینه تقریباً تمامی علم و فن نوین است. بر رفتار ترانزیستورها و مدارهای مجتمع که جزء اساسی وسائلی نظیر تلویزیون و رایانه‌اند، فرمان می‌راند و نیز بنیاد شیمی و زیست‌شناسی نوین می‌باشد.

سیاهچاله ها چه هستند؟

سیاهچاله منطقه ای در فضاست كه نیروی جاذبه اش به قدری قوی ست كه هیچ چیز نمی تواند از آن فرار كند. سیاهچاله غیرقابل مشاهده است. زیرا حتی نور را هم به تله می اندازد. اساس توصیف اصولی سیاهچاله ها بر اساس معادلات نظریه نسبیت عام (general relativity) است كه به وسیله آلبرت اینشتین فیزیكدان متولد آلمان توسعه داده شد. این نظریه در سال 1916 منتشر شد.

شاخصه های سیاهچاله ها

نیروی جاذبه نزدیك سیاهچاله قوی ست. زیرا همه مواد سیاهچاله در مركز یك نقطه متمركز شده اند. فیزیكدانان این نقطه را یك سینگولاریتی singularity می نامند. عقیده بر این است كه این نقطه خیلی كوچك تر از هسته یك اتم است.

سطح سیاهچاله به عنوان حادثه افق horizon event شناخته می شود. این یك سطح معمولی نیست كه شما بتوانید آن را ببینید یا لمسش كنید. در حادثه افق، كشش جاذبه ای بی نهایت قوی ست. بنابراین یك شیء می تواند در آنجا برای تنها یك لحظه وجود داشته باشد و با سرعت نور در داخل آن شیرجه می زند و فرو می رود.

ستاره شناسان شعاع حادثه افق را برای تعیین اندازه سیاهچاله به كار می برند. شعاع یك سیاهچاله به كیلومتر مساوی ست با سه برابر شماره جرم های خورشید در سیاهچاله. یك جرم خورشیدی جرم (مقدار ماده) خورشید است.

هیچ كس هنوز به طور مشخص یك سیاهچاله را كشف نكرده. برای اثبات این كه یك شیء متراكم و به هم فشرده یك سیاهچاله است، دانشمندان باید اثراتی را كه تنها یك سیاهچاله می تواند تولید كند را اندازه گیری كنند. دوتا از چنین تأثیراتی عبارتند از یك-خم شدن شدید یك شعاع نور و دیگری كند شدن بسیار شدید زمان. ستاره شناسان اشیاء متراكمی را پیدا كرده اند كه تقریباً مسلم است كه سیاهچاله هستند. ستاره شناسان این اشیاء را به سادگی سیاهچاله می نامند. با وجودی كه اندكی در مورد آن شك دارند.

تشكیل سیاهچاله

مطابق با قانون نسبیت، سیاهچاله ممكن است موقعی شكل بگیرد كه یك جرم سنگین, سوخت هسته ایش را از دست بدهد و در اثر نیروی جاذبه خودش, در خودش واژگون شود. هنگامی كه یك ستاره سوخت می سوزاند، فشاری رو به خارج به وجود می آید كه در مقابل كشش روبه داخل جاذبه ایستادگی می كند. موقعی كه هیچ سوختی باقی نمی ماند، ستاره نمی تواند طولانی تر از این از وزنش محافظت كند. در نتیجه، هسته ستاره در خودش واژگون می شود. اگر جرم هسته سه یا بیشتر از سه برابر جرم خورشید باشد، هسته در كسری از ثانیه به داخل یك سینگولاریتی (singularity) سقوط می كند.

سیاهچاله های كهكشانی

بیشتر ستاره شناسان باور دارند كه كهكشان راه شیری -كهكشانی كه منظومه شمسی ما در آن واقع شده- شامل میلیون ها سیاه چاله است. دانشمندان شماری از سیاهچاله ها را در منظومه شمسی ما پیدا كرده اند. این اشیاء در بین ستارگان دوگانه ای یافت می شوند كه اشعه ایكس خارج می كنند. ستاره دوگانه یك جفت ستاره است كه به دور همدیگر می گردند. برای کسب اطلاع درباره انواع ستاره ها و طبقه بندی آنها اینجا را کلیک کنید.

در سیستم دوگانه ای كه یكی از دو تا شیء یك سیاه چاله است، سیاهچاله و یك ستاره قابل مشاهده در نزدیك هم به دور همدیگر می گردند. در نتیجه سیاهچاله گاز را از ستاره طبیعی می گیرد که این گاز به شدت به داخل سیاهچاله سقوط می كند. اصطكاك بین اتم های گاز، گاز نزدیك حادثه افق را چند میلیون درجه گرم می كند. پیامد این اتفاق این است كه انرژی از گازی مثل اشعه ایكس تابش می شود. ستاره شناسان این تابش را با تلسكوپ های اشعه ایكس آشكار كرده اند.

ستاره شناسان باور دارند كه تعدادی از سیستم های دو گانه به دو دلیل شامل سیاهچاله هاهستند: 1- هر سیستم یك منبع اشعه ایكس متفاوت و متراكم دارد. وجود اشعه ایکس ثابت می كند كه سیستم شامل یك ستاره متراكم -یا یك سیاهچاله یا یك شیء كمتر متراكم به نام ستاره نوترونی ست. 2- ستاره قابل مشاهده با سرعت بالا به گرد شیء متراكمی می گردد كه این شیء باید بیشتر از سه جرم خورشیدی سنگینی یا جرم داشته باشد.

سیاهچاله های بسیار پرجرم

دانشمندان باور دارند كه بیشتر كهكشان ها در مركزشان یك سیاهچاله بسیار پرجرم دارند. تصور می شود جرم هر یك از این اشیاء بین یك میلیون تا یك میلیارد جرم خورشیدی باشد. ستاره شناسان احتمال می دهند كه سیاهچاله های بسیار پرجرم چندین میلیارد سال قبل، از گازی كه در مراكز كهكشان هاجمع شده بودند، شكل گرفته باشند.

شواهد قوی وجود دارد كه یك سیاهچاله بسیار پرجرم در مركز كهكشان راه شیری وجود دارد. ستاره شناسان باور دارند كه این سیاهچاله منبع یك موج رادیویی ست كه به عنوان sgrA, Sagittarius A ساگیتاریوس آ, شناخته می شود. واضح ترین نشانه وجود یك سیاهچاله بسیار پرجرم وجود این موج رادیویی و حركت سریع ستاره ها در اطراف آن است. سریع ترین این ستاره ها به نظر می رسد كه هر 2/15 سال با سرعتی كه به حدود 3100 مایل یا 5000 كیلومتر در ثانیه می رسد به دور سیاهچاله می گردد. حركت سریع این ستاره, ستاره شناسان را به این سو راهنمایی كرده تا نتیجه بگیرند كه یك شیء با چندین میلیون برابر جرم خورشید باید در داخل مدار ستاره باشد. تنها شیء شناخته شده ای كه می تواند این جرم را داشته باشد و داخل مدار ستاره در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد، سیاهچاله است.