القسم الاول : الفيزياء الكونيه

الثقوب السوداء
واجهت الفيزياء الحديثة تحديا رئيسيا لسنوات عديدة مضت، فهناك مدرستان لتفسيرالظواهر الكونية حولنا: المدرسة الأولى هي ميكانيكا الكم والأخرى هي المدرسة النسبية العامة.
فميكانيكا الكم تعتمد على تفسير الموجات والجزيئات الفيزيائية، أما النسبية العامة فتضع الزمن مع المادة في إطار واحد مفسرة حركة الكواكب وامتداد الكون.
واتفق العلماء على ضرورة اندماج المدرستين في بوتقة واحدة لإمكانية الوصول إلى تفسير أدق للكون، وكان التحدي هو وجود الظروف التي تتيح تطبيق الأسس العلمية للمدرستين معا، وإمكانية قياس التأثيرات والمتغيرات لكل مدرسة على حدة.
وهنا كانت المعضلة، فمطلوب اختيار كتلة ضخمة من المادة حيث يمكن تطبيق مدرسة النسبية العامة التي تتعامل أساسا مع الجاذبية، وكذلك اختيار مادة متناهية في الصغر حيث يمكن تطبيق أسس مدرسة ميكانيكا الكم.
فأين توجد مثل هذه الظروف؟
المفاجأة كانت أن هذه الظروف موجودة فعلا، إنها الثقوب السوداء، وهي الجاذبية المتولدة من النجوم المنتهية، وتعرف علميا بأنها نقاط غير محدودة في الزمن والكون، ولديها القدرة على ابتلاع أي قدر من المادة، وكل ما يبتلعه الثقب الأسود يتم ضغطه إلى نقطة مركزية متناهية في الصغر تسمى وحدة، وهذه الوحدة كثافتها غير محدودة.. ربما يبدو الأمر عسير الفهم ولكن هذا هو ما توصلت إليه البشرية في هذا المجال.
ربما يشبه البعض التفسير العلمي للثقب الأسود بما كتبه البحارة القدماء على بعض الأماكن في خرائط البحار "احذر يوجد عفريت هنا!" الحقيقة لم نستطع الوصول إلى قلب الثقب لمعرفة ما يحدث هناك حيث تندمج مفاهيم ميكانيكا الكم مع النسبية العامة في ظروف شديدة الغموض.
المشكلة الجوهرية في رصد الثقوب السوداء هي طبيعتها في امتصاص الضوء داخلها مما يعني عمليا انقطاعها عن الكون، فنقطة اللاعودة للضوء والأشعة تسمى أفق الملاحظة حيث لا يمكن رصد أو ملاحظة أي شيء وراءها أو الحصول على معلومة عما يحدث داخل الثقب الأسود أو خروج أي إشارة منه، فما هو إلا مبتلع دائم لكل شيء!
نظرية ستيفن هاوكينج
الفيزيائي الشهير "ستيفن هاوكينج" لم يتوقف عند هذا الحد فوضع تصورا عما يحدث داخل الثقب الأسود مسترشدا بالقاعدة الفيزيائية الشهيرة أن المادة والطاقة لا تفنيان، ولكن يحدث التحول من صورة إلى أخرى.
في عام 1970م، وضع "ستيفن هاوكينج" نظرية جديدة لتحليل الثقب الأسود، فاقترح أن الثقب الأسود يبخر الطاقة المخزنة داخله بالكامل، لأن الثقب الأسود مع الوقت يقوم بتسريب الطاقة المختزنة داخله حتى يختفي بعد انفجار مروع، فنهاية هذه الثقوب السوداء تكون شديدة الإضاءة، فتحليل "ستيفن هاوكينج" قائم على معرفة كيفية انتهاء الثقب الأسود وما تخبرنا به الأشعة المنبعثة من انفجاره.
تبدو نظرية "ستيفن هاوكينج" منطقية من الناحية العلمية ولكن تواجه تحديين عمليين: الأول أن أقرب ثقب أسود نعرفه يبعد عنا مليارات السنوات الضوئية، مما يستحيل معه الرصد الدقيق للأشعة المنبعثة منه.
والثاني أن الثقوب السوداء تحتاج إلى وقت طويل للفناء والانفجار ويتناسب هذا الوقت مع كتلتها، هذا الوقت قد يتعدى عمر الكون ليفنى فلو تخيلنا ثقبا أسود صغيرا نسبيا في وسط المجرة وهو آخر ما يتلاشى من المجرة ربما يحتاج إلى عشرة آلاف مليار أس 8 (وهو يعني واحد وبجواره 75 صفراً) سنة ضوئية (الرقم يبدو أكثر من مخيف!).
الجدير بالذكر أن ستيفن هاوكينج لم يكن في نيته الصبر طوال هذه المليارات من السنوات الضوئية للتحقق من نظريته فالمطلوب هو البحث عن ثقب يشبه إلى حد كبير الثقوب السوداء وأقل كتلة عنها وعلميا أي كتلة ستؤدي الغرض ما دامت قد انضغطت في حيز صغير.
فالثقب الأسود العملاق الذي يحتوي على ملايين الشموس قد يكون في حجم مجموعتنا الشمسية، ويمكن أن تكون الأرض ثقبا أسود إذا ضغطت في حجم البرتقالة.
وقد دفع متابعة إشعاع الثقوب السوداء العلماء إلى ضرورة تصنيع هذه الثقوب داخل المعامل لإمكانية رصدها وملاحظتها وهذه هي بوابة الفيزياء الجديدة، والتحدي هو أنه لا توجد تكنولوجيا محددة يمكنها تحويل الكتلة إلى ثقب أسود ولكن هناك طريقة للوصول إلى ذلك.
الثقب الأسود الاصطناعي
أثبت "أينشتين" أن الكتلة والطاقة متساويان فإذن من الممكن صناعة ثقب أسود بدفع كمية من الطاقة في حجم متناه في الصغر، وهذه التجارب يمكن تنفيذها باستخدام مسرعات الجزيئات، والعلماء لديهم ثقة أن بإمكانهم تصنيع ثقوب سوداء حسب الطلب وبأي كمية باستخدام تقنية تحطيم الذرة والتي ستتوفر خلال السنوات الخمس القادمة، ويذهب البعض إلى أن معمل التحطيم الحراري (إل إتش سي) بالمركز الأوروبي للأبحاث النووية (سيرن) يمكنه إنتاج ثقب أسود في الثانية.
فمعمل التحطيم سيقذف البروتونات ومضاداتها معا بقوة كبيرة، مما سيولد حرارة وطاقة عالية لا ترى في أول جزء على مليار من الثانية بعد الارتطام وهذا يكفي لإنتاج أعداد كثيرة من الثقوب السوداء بكتلة تقدر بمئات البروتونات (تحتاج إلى موازين ذرية ولا يشعر بها إطلاقا) هذه الثقوب السوداء تتلاشى لحظيا ويمكن ملاحظتها بمتابعة إشعاعات هاوكينج.
ماذا يبحث عنه العلماء في إشعاعات هاوكينج؟!
يريد العلماء تحديد هل الأشعة المنطلقة من انفجار الثقب الأسود تحتوي على معلومات عن الجزيئات التي كونته في المقام الأول أو انضمت إليه بعد ذلك، فهذه الجزيئات تحتوي على شحنات ومسارات ومكونات أساسية أخرى ربما لا تكون قد تلاشت في الثقب الأسود.
النقطة الثانية المطلوب البحث فيها هي الطريقة الدقيقة التي يتلاشى بها الثقب الأسود وينفجر، مما يعطينا بعدا جديدا في فهم الكون، فالنظريات الحديثة حول الانفجار العظيم واللحظات الأولى في تاريخ الكون تنبئ بوجود أكثر من الأبعاد الأربعة التي نعرفها (ثلاثة في الفراغ والرابع الزمن).
أمر أخير هو تخوف بعض الناس من خطورة الثقوب السوداء الاصطناعية، فالأمر ليس بهذه الصورة لأن الثقوب السوداء الاصطناعية ستكون متناهية في الصغر بل أصغر من نواة أي ذرة وأصغر من أن تبتلع شيئا، وعمرها لن يتعدى أجزاء ضئيلة من الثانية فلن يكون لديها الوقت لابتلاع أي شيء حتى لو أرادت ذلك.
الجدير بالذكر أن الأشعة الكونية التي تصل إلى الأرض تكون ثقوباً سوداء طبيعية متناهية في الصغر تتحطم حولنا كل يوم مما يؤكد أن الأمر ليس خطرا على الإطلاق، بل يجب التركيز على تأمل عميق للكون وعظمة الخالق.

[LINE]hr[/LINE]

فيزياء الثقب الأسود

ولفحص التركيب الغريب للزمكان حول الثقب الأسود , نفرض أن شخصا ما سافر إلى داخله , وبدأ بالانطلاق من سفينة فضاء تتحرك بشكل مداري إلى ثقب اسود كتلته تساوي 10 كتل شمسية ويكون بعدها عنه وحدة فلكية واحدة .
السفينة تسير في مدارها حسب قوانين كبلر وعندها تكون مثل أي كتلة عادية . وكما نعلم ومن خلال قانون كبلر الثالث ومدار سفينة الفضاء يمكننا حساب كتلة الثقب . ونفرض انه قفز ومعه ضوء ليزر وساعة رقمية لإرسال إشارات تعود إلى السفينة .
وسيسقط باتجاه الثقب الأسود لوقت طويل ولن يحدث شيء غريب باستثناء ما سيحدث له من تمدد خلال اقترابه منه وذلك بسبب تأثير قوى جاذبه من رأسه إلى أصابع قدميه وتعصره من كتفيه , وبالاقتراب من الثقب الأسود تنمو وتزيد قوى المد بشكل عنيف إذا علمنا العلاقة العسكية بين مكعب القوة و البعد
( F³ ά 1/D ) .
وإنسان عادي سيبدأ بالتموج عند حوالي 3000 كيلومتر من ثقب اسود كتلته تساوي 10 كتل شمسية , وهو سيمر بنصف قطر شوارزشيلد دون حدوث جديد , لا إشارات ملاحظة عند حافة الثقب الأسود وسرعة الهروب ستصل إلى نهايتها عند حوالي 10 أس (-5) ثانية بعد عبوره قطر شوارزشيلد كما انه ستصطدم بالانفرادية .وعندما يكون الحجم يساوي صفرا فانه ستدمر .
ما هي رؤية سفينة الفضاء لما حدث ؟

باعتبار الرجل يمثل قطره في هذا الثقب , والضوء القادم من ليزره سيكون انزياحات حمراء
الانزياح الأحمر تجاذبي والوقت بين ومضات الليزر سيزداد بسبب ظاهرة تمدد الزمن التي كانت من نتائج النسبية العامة , وأثناء وصوله لنصف قطر شوارزشيلد ستكون الوقت مستمرا في التزامن .
وبالنسبة لليزر الذي أطلقه أثناء مروره بنصف قطر شوارزشيلد سيبدو الوقت طويلا جدا (لا نهائيا ) بالنسبة لسفينة الفضاء ( علما انه يتحرك بسرعة الضوء c ) وهو أيضا سيعاني من انزياح احمر لا نهائي كما في المعادلة السابقة .
الثقب الأسود عمليا ومن خلال المراقبة الكونية : يمنع أي راصد مشاهدة الأجسام بعد سقوطها فيه .
ونتيجة لذلك فان أي كتلة يمكن أن تكون ثقبا اسودا إذا وصلت إلى نصف قطر شوارزشيلد , وعندها تكون معرضة إلى التزامن والى الانزياحات الحمراء ( كما أنها ستحوي نقاط انفرادية ) .
والثقوب السوداء هي كتلة صغيرة نجمية تشكلت بعد موت النجوم وكان هذا التشكل ناتج عن قوة عالية جدا .
رصد الثقوب السوداء :
لا نستطيع رصد ثقبا اسودا معزولا لوحده , ولكن يمكننا اكتشافه من خلال ملاحظة تفاعله مع مواد أخرى , وأي مادة تسقط في هذا الثقب ستزيد من طاقته الحركية ومن حرارته القادمة من تأين وإصدار الشعاع الكهرومغناطيسي , وعند وصول درجة الحرارة إلى مليون كالفن فان هذه المادة ستصدر أشعة اكس . والثقب الأسود عند مروره بسحابة بينجمية أو أثناء ابتلاعه لنجم فانه يقوم بكنس المادة إلى داخله ومن ثم بثها عبر القطبين . وإذا التحمت المادة بالثقب فإنها ستكون ذات كمية حركة زاوية أولية وستكون شكل قرص حول الثقب ( افق الحدث ) وهو مصدر أشعة اكس المرصودة , وتعتبر من العوامل المساعدة لتكوين ثقب اسود .
الإشعاع المجري لمصادر أشعة اكس مداه بين 10 أس 26 و 10 أس 31( J/s ) , ويكون لهذه الأشعة طول موجي يساوي 0.3 nm ( 3× 10 أس (-8) متر ) , والحرارة تكون 10 أس 7 كالفن , ولإنتاج ضيائية تساوي 10 أس 30 J/s وعند هذه الحرارة فان الجسم سيتحرك على شكل دائرة نصف قطرها R , وذلك حوالي نصف قطر نجم نيتروني ( افق الحدث ) حول الثقب الأسود , ولكي نحسب معدل سقوط الكتلة في هذا الثقب كي ينتج أشعة اكس مرصودة , فإننا نفرض أن كتلة الجسم M و نصف قطره R وباعتباره ملاصقا فان dm/dt هي المعدل الكتلة الساقطة في الثقب لكل ثانية , وتكون طاقته الجاذبة :
d.E /dt = ( GM/R) . dm/dt
وإذا اعتبرنا أن كل الطاقة تتحول إلى إشعاع فان L = 10³ وهي الضيائية و M هي كتلة الشمس و R = 10 km , نجد أن
L = (GM/R) . dm/dt
وبالتالي فان معدل سقوط الكتلة هو :
dm/dt = LR/GM
ويساوي 7.5 × 10 ( أس 13 ) كيلوجرام لكل ثانية ..

[LINE]hr[/LINE]

وللعلم فما زالت الفيزياء في بداية تفسير الثقوب السوداء وكما قلت فأن هوكنغ افضل من تكلم عنها
بل انه لا يكاد يخلو كتاب له الى ويحوي جزء كبير عن الثقوب وللأطلاع راجع ( موجزتاريخ الزمن) و (الكون في قشرة جوزة)
غير ان كلام ستيفن هوكنغ بلرغم من انه مدعم بأغلب المعادلات الى انه مازال فرضيات لم تثبت بلبرهان الحتمي
من يدري قد لا نصل الى تفسير كامل للثقوب السوداء الى عند وصولنا الى المعادله النهائيه الشامله التي يقول عنها هايزنبرغ انه يراها تلوح بعيدا في الأفق
************************************************** **************************
وإذا ما تمّ بالفعل إحداث ثقوب سوداء على الأرض؟

مع الإعلان عن تحقيق جهاز تصادم الجزئيات LHC)) المستقبلي, والذيبدأ العمل في العام 2005, يبرز سؤال مقلق في هذا المجال: هل سيتسبّب هذا الجهاز الذي يُحدث طاقة هائلة تؤدّي الى تلاحم جسيمات مثل التي تتألف منها نواة الذرّة مثلاً, بتشكيل كومة واحدة تصل كثافتها المادية الى درجة تتحوّل معها الى ثقب أسود, صغير من دون شك, لكنه مثير للقلق؟ وهل سيتسبّب هذا الثقب بابتلاع جهاز تسريع الجسيمات أولاً, ويستتبعه بالمدينة الأقرب, ثم يعود ليتحلّى أخيراً بابتلاع كوكب الأرض بكامله؟
في “طريقة صنع” الثقب الأسود, وحدها قوة الجاذبية هي الأهم. فمن الناحية النظرية يمكن أن يؤدّي تلاحم جُسيمَين لمداه الأقصى, إلى تشكيل ثقب أسود. لكن ذلك يبقى نظرياً, لأن حدوثه ليس ممكناً, إلاّ عند تعريض الجسيمات لطاقة هائلة شبيهة بالتي كانت تسود في اللحظات الأولى لنشوء الكون, وهي طاقة أكبر بكثير من التي يمكن ان يُُحدثها جهاز LHC)) . فهل يتوصّل العلماء يوماً, إلى إحداث مثل هذه الطاقة وبالتالي إعطاء الفرصة لأحد الثقوب السوداء لابتلاعنا؟
وبانتظار ذلك اليوم, يراودني سؤال أودّ أن أشارك القارئ في طرحه. لماذا أصبح الإنسان يبتعد عن النور, ويسعى الى الدخول في ظلام لا متناهي, لا يتمكّن من الخروج منه حتى ولو أراد ذلك؟