ما هو التفرد؟

منذ أن اكتشف العلماء لأول مرة وجود ثقوب سوداء في كوننا ، تساءلنا جميعًا: ما الذي يمكن أن يوجد خارج حجاب هذا الفراغ الرهيب؟ بالإضافة إلى ذلك ، منذ أن تم اقتراح نظرية النسبية العامة لأول مرة ، اضطر العلماء إلى التساؤل ، ما الذي كان يمكن أن يكون موجودًا قبل ولادة الكون - أي قبل الانفجار العظيم؟

ومن المثير للاهتمام أن هذين السؤالين قد تم حلهما (بعد الموضة) مع الوجود النظري لشيء يعرف باسم التفرد الثقالي - نقطة في الزمكان حيث تنهار قوانين الفيزياء كما نعرفها. وبينما لا تزال هناك تحديات وقضايا لم يتم حلها حول هذه النظرية ، يعتقد العديد من العلماء أنه تحت حجاب أفق الحدث ، وفي بداية الكون ، كان هذا هو ما كان موجودًا.

تعريف:

من الناحية العلمية ، فإن تفرد الجاذبية (أو تفرد الزمكان) هو موقع حيث تصبح الكميات المستخدمة لقياس مجال الجاذبية لانهائية بطريقة لا تعتمد على نظام الإحداثيات. وبعبارة أخرى ، إنها نقطة لا يمكن تمييز جميع القوانين الفيزيائية عن بعضها البعض ، حيث لم يعد المكان والزمان واقعين مترابطين ، بل يندمجان بشكل غير مميز ويتوقفان عن أي معنى مستقل.

أصل النظرية:

تم تكريس المفردات أولاً نتيجة لنظرية آينشتاين للنسبية العامة ، مما أدى إلى الوجود النظري للثقوب السوداء. في الجوهر ، تنبأت النظرية بأن أي نجم يصل إلى أبعد من نقطة معينة في كتلته (ويعرف أيضًا باسم Schwarzschild Radius) سوف يمارس قوة جاذبية شديدة لدرجة أنه سينهار.

عند هذه النقطة ، لن يكون هناك شيء قادر على الهروب من سطحه ، بما في ذلك الضوء. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن قوة الجاذبية ستتجاوز سرعة الضوء في الفراغ - 299،792،458 مترًا في الثانية (1،079،252،848.8 كم / ساعة ؛ 670،616،629 ميل في الساعة).

تُعرف هذه الظاهرة باسم حد Chandrasekhar ، الذي سمي على اسم عالم الفيزياء الفلكية الهندي Subrahmanyan Chandrasekhar ، الذي اقترحه في عام 1930. في الوقت الحاضر ، يعتقد أن القيمة المقبولة لهذا الحد هي 1.39 كتل شمسية (أي 1.39 مرة كتلة شمسنا) ، والتي تصل إلى 2.765 × 10³⁰ كجم (أو 2765 تريليون تريليون طن متري).

جانب آخر من النسبية العامة الحديثة هو أنه في وقت الانفجار الكبير (أي الحالة الأولية للكون) كان التفرد. طور كل من روجر بنروز وستيفن هوكينج نظريات حاولت الإجابة عن كيف يمكن للجاذبية أن تنتج التفردات ، والتي اندمجت معًا في نهاية المطاف لتكون معروفة بنظريات بنروز-هوكينج الفردية.

وفقًا لنظرية تفرد بنروز ، التي اقترحها في عام 1965 ، ستحدث خصوصية شبيهة بالوقت داخل ثقب أسود كلما وصلت المادة إلى ظروف طاقة معينة. عند هذه النقطة ، يصبح انحناء الزمكان داخل الثقب الأسود غير محدود ، وبالتالي تحويله إلى سطح محاصر حيث يتوقف الزمن عن العمل.

أضافت نظرية Hawking Singularity إلى ذلك من خلال الإشارة إلى أن التفرد الشبيه بالفضاء يمكن أن يحدث عندما يتم ضغط المادة بالقوة إلى حد ما ، مما يتسبب في انهيار القواعد التي تحكم المادة. تتبع هوكينج هذا مرة أخرى إلى الانفجار الكبير ، الذي ادعى أنه كان نقطة كثافة لا نهائية. ومع ذلك ، قام هوكينج في وقت لاحق بمراجعة هذا ليزعم أن النسبية العامة تنهار في بعض الأحيان قبل الانفجار الكبير ، وبالتالي لا يمكن التنبؤ بأي تفرد بها.

تشير بعض المقترحات الحديثة أيضًا إلى أن الكون لم يبدأ بشكل فردي. وتشمل هذه النظريات مثل Loop Quantum Gravity ، التي تحاول توحيد قوانين فيزياء الكم بالجاذبية. تنص هذه النظرية على أنه ، بسبب تأثيرات الجاذبية الكمية ، هناك مسافة دنيا لا تعد الجاذبية تتزايد بعدها ، أو أن موجات الجسيمات المتداخلة تخفي تأثيرات الجاذبية التي يمكن الشعور بها عن بعد.

أنواع التفردات:

يُعرف أهم نوعين من التفردات في الزمكان باسم الانحناءات الفردية والانحرافات المخروطية. يمكن أيضًا تقسيم التفردات وفقًا لما إذا كانت مغطاة بأفق حدث أم لا. في حالة السابق ، لديك انحناء ومخروطي. بينما في الأخيرة ، لديك ما يعرف بـ Singularities.

إن أفضل شكل للانحناء هو الثقب الأسود. في وسط الثقب الأسود ، يصبح الزمكان نقطة أحادية البعد تحتوي على كتلة ضخمة. ونتيجة لذلك ، تصبح الجاذبية لانهائية وتنتهي منحنيات الزمكان إلى ما لا نهاية ، وتتوقف قوانين الفيزياء كما نعرفها عن العمل.

تحدث التفردات المخروطية عندما تكون هناك نقطة يكون فيها حد كل كمية تغايرية عامة محدودًا. في هذه الحالة ، يشبه الزمكان مخروطًا حول هذه النقطة ، حيث يقع التفرد في طرف المخروط. مثال على مثل هذا التفرد المخروطي هو سلسلة كونية ، نوع من نقطة افتراضية أحادية البعد يعتقد أنها تشكلت خلال الكون المبكر.

وكما ذكرنا ، هناك التفرد العاري ، وهو نوع من التفرد الذي لا يخفي وراء أفق الحدث. تم اكتشاف هذه لأول مرة في عام 1991 من قبل شابيرو وتوكولسكي باستخدام محاكاة الكمبيوتر لطائرة دوارة من الغبار التي أشارت إلى أن النسبية العامة قد تسمح بتفردات "عارية".

في هذه الحالة ، فإن ما يحدث بالفعل داخل الثقب الأسود (أي تفرده) سيكون مرئيًا. مثل هذا التفرد سيكون نظريًا ما كان موجودًا قبل الانفجار الكبير. الكلمة الرئيسية هنا هي نظرية ، لأنها تظل لغزا كيف ستبدو هذه الأشياء.

في الوقت الحالي ، لا يزال الغموض وما يكمن تحت حجاب الثقب الأسود غامضًا. مع مرور الوقت ، يؤمل أن يتمكن الفلكيون من دراسة الثقوب السوداء بمزيد من التفصيل. ومن المؤمل أيضًا أنه في العقود القادمة ، سيجد العلماء طريقة لدمج مبادئ ميكانيكا الكم مع الجاذبية ، وأن يلقي هذا مزيدًا من الضوء على كيفية عمل هذه القوة الغامضة.

لدينا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول التفردات الجاذبية هنا في مجلة الفضاء. إليك 10 حقائق مثيرة للاهتمام حول الثقوب السوداء ، كيف سيبدو الثقب الأسود ؟، هل كان الانفجار الكبير مجرد ثقب أسود؟ ثقب أسود؟

إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول التفرد ، فراجع هذه المقالات من NASA و Physlink.

يلقي علم الفلك بعض الحلقات ذات الصلة حول هذا الموضوع. إليك الحلقة 6: مزيد من الأدلة للانفجار الكبير ، والحلقة 18: الثقوب السوداء الكبيرة والصغيرة والحلقة 21: الإجابة على أسئلة الثقب الأسود.

مصادر:

• ويكيبيديا - خصوصية الجاذبية
• ستيفن هوكينج - بداية الزمن
• فيزياء الكون - التفردات
• أينشتاين أون لاين - خصوصيات الزمكان