מאמר מספר 61 - על בעיות לא פתורות בקוסמולוגיה ואסטרופיזיקה - המשך

מאמר מספר 61 - על בעיות לא פתורות בקוסמולוגיה ואסטרופיזיקה - המשך

 מאת עמי אור

המאמרים  59-63 דנים בבעיות הלא פתורות בקוסמולוגיה ואסטרופיזיקה. ישנן כמובן גם בעיות אחרות לא פתורות בפיזיקה, שיתכן ואתייחס אליהן במאמר עתידי.

קריאה מהנה ואשמח לענות על שאלות ולשמוע תגובות.

 חורים שחורים

לחורים שחורים כתבתי סידרת מאמרים שלמה – ראה המאמרים העתידים להתפרסם מ 64 ועד 71

15.     סינגולריות כבידתית: האם תורת היחסות הכללית מתפרקת בחלקו הפנימי של חור שחור כתוצאה מכבידה קוונטית או תופעות אחרות? כיום ההשערה היא שכן אבל אין אפשרות הוכחה גם לא מתמטית.

 16.     משפט ה"אין-שיער": השערות כאן קשורות לאמירה של ג'ון ווילר: "לחורים שחורים אין שערות" האם לחורים שחורים יש מבנה פנימי? אם כן, כיצד ניתן לחקור את המבנה הפנימי שלהם?

 משפט האין-שיער (באנגלית: No hair theorem) הוא משפט בתורת היחסות הכללית המגדיר את התכונות של חור שחור יציב, שאותן ניתן למדוד מחוץ לאופק האירועים שלו. תכונות אלו הן: מסת החור השחור, התנע הזוויתי שלו והמטען החשמלי, והן מגדירות את החור השחור עבור כל צופה חיצוני, ומאפיינות אותו באופן מלא. הצופה החיצוני אינו יכול למדוד את צפיפות החומר המקומית באזורים השונים של החור השחור או להבחין בשדות מקומיים. שם המשפט, שאותו טבע ג'ון וילר, מסמל את העובדה שאופק האירועים של החור השחור הוא משטח נטול אינפורמציה (למעט שלושת הפרמטרים האמורים), בדומה לראש נטול שערות.

משפט האין-שיער הוא אוסף של מספר תוצאות תאורטיות שהושגו בסוף שנות ה - 60 של המאה העשרים ובתחילת שנות ה - 70, שהתגבשו להוכחה שלמה בעבודתם של סטיבן הוקינג וורנר ישראל.

משפט האין-שיער מתייחס לחור שחור במצב יציב. במשך פרק הזמן הקצר לפני שהחור השחור מתייצב הוא מכיל עדיין את התכונות העודפות שאותן יכול צופה חיצוני למדוד. התהליך המהיר של איבוד התכונות הללו מכונה "התקרחות". כך, למשל, מקורם של חלק מתוצרי ההתפרקות של חור שחור זעיר צפוי לנבוע משלב ה"התקרחות" הקצר לאחר היווצרותו.

המשפט מתייחס לצופה חיצוני. צופה שנמצא פנימה לאופק האירועים יוכל למדוד פרמטרים נוספים, כמו למשל פיזור המסה בתוך החור השחור או שדות חשמליים ומגנטיים מקומיים. (אבל כמובן שלא יוכל לצאת משם ולמסור את המידע).

לפי משפט האין-שיער, ניתן למיין את החורים השחורים הרגילים, שיש להם מסה, לארבעה סוגים: חור שחור נייח וחסר מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס שוורצשילד" (על שם קרל שוורצשילד); חור שחור מסתובב חסר מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס קר" (על שם רוי קר - Roy Kerr); חור שחור נייח בעל מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס רייסנר-נורדסטרום" (Reissner-Nordström); וחור שחור מסתובב ובעל מטען, הקרוי "חור שחור מטיפוס קר-ניומן" (Kerr-Newman).

גוף שנכנס לחור שחור נושא עמו מידע נוסף על שלושת הפרמטרים המוגדרים על ידי משפט האין-שיער, אך מידע זה אובד עבור צופים חיצוניים כאשר הגוף עובר את אופק האירועים. תופעה זו היא המקור לפרדוקס פיזיקלי הקרוי "פרדוקס השמדת המידע". לפרדוקס זה טרם נמצא פתרון.

משפט האין-שיער לא מאפשר לצופים חיצוניים להבחין בסינגולריות הכבידתית המצויה בתוך החור השחור. בכך נמנע פרדוקס פיזיקלי נוסף שעלול לנבוע ממצב שבו צופה יכול להבחין בנקודת סינגולריות. השערה זו בדבר מיקומן ה"מוסתר" של נקודות הסינגולריות מאחורי אופק אירועים קרויה "השערת הצנזורה הקוסמית". (וראה דיון בנושא זה גם בפוסטים שיפורסמו על זמן).

 17.     חורים שחורים סופר-מסיביים: (ראו גם מאמר 58 שפורסם) מה מקור הקשר בין מסת חור שחור מסיבי לפיזור מהירותו בגלקסיה? כיצד יצרו הקוואזרים הרחוקים ביותר את החורים השחורים העל-מסיביים שלהם עד 10^10 שמשות כל כך מוקדם בתולדות היקום?

 18.     פרדוקס השמדת המידע וקרינת הוקינג: האם חורים שחורים פולטים קרינה אלקטרומגנטית, כצפוי מטעמים תאורטיים? אם כן, וחורים שחורים יכולים להתנדף, מה קורה למידע המאוחסן בהם, שכן מכניקת הקוונטים אינה מספקת השמדת מידע? או שהקרינה נעצרת בשלב מסוים ומשאירה שאריות חור שחור?

קרינת הוקינג היא קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת מחור שחור עקב מנגנון קוונטי, על פי העיקרון של קרינת גוף שחור.

ב-1975, העלה סטיבן הוקינג, טענה כי חור שחור חייב לפלוט קרינה, כתוצאה של זוגות חלקיקים וירטואליים שנוצרים קרוב לפני אופק האירועים שלו. ביצירה של חלקיקים כאלה, אין סתירה לחוקי השימור אם זמן החיים שלהם הוא קצר מאוד. כלומר הם נוצרים ודועכים בחזרה מיידית לתוך הקצף הקוונטי. אם היווצרות חלקיקים אלה נעשית ממש על גבול אופק האירועים ובמקרים מסוימים חלקיק אחד מהזוג, נבלע חזרה באופק האירועים והחלקיק האחר נע לתוך החלל הרגיל. אין כאן שבירה של חוק השימור. אותם חלקיקים שיוצאים מאופק האירועים נקראים קרינת הוקינג. החישובים הראו שקרינה זו מתאימה לקיום אנטרופיה הפרופורציונלית לשטח אופק האירועים של החור השחור, כפי שהציע האסטרופיזיקאי הישראלי יעקב בקנשטיין (אנטרופיית בקנשטיין-הוקינג). (בעיקרון לא יכולה להיפלט קרינה מתוך אופק האירועים).

תהליך זה מוציא אנרגיה מהחור השחור, ויכול לגרום לבסוף להתאיידותו, אם כי עוצמת הקרינה כל כך קטנה, שהזמן שתהליך זה דורש הוא ארוך מאוד. למשל, עבור חור שחור בעל מסת שמש, זמן זה גדול מגיל היקום. התאיידות של חור שחור עקב קרינת הוקינג יוצרת פרדוקס של אובדן מידע (המושג הטכני במכניקת הקוונטים הוא "חוסר יוניטריות").

בשנת 2004 הכריז הוקינג שהצליח למצוא פתרון לפרדוקס זה, על ידי חישוב התנודות באופק האירועים עקב קרינת הוקינג. פתרונות אחרים לבעיה זו הם ניסיונות למצוא מנגנונים פיזיקליים שמונעים התאיידות לגמרי של חור שחור.

ב - 2019, לראשונה נמצא אישוש לקרינת הוקינג על ידי יצירת חור שחור קולי. את המדידה ביצע החוקר הישראלי פרופ' ג'ף סטיינהאור מהטכניון על ידי כך שיצר מודל במעבדה המדמה את הקרינה הנפלטת מחור שחור.

 19.     חומות אש שחורות: האם קיימת מין "חומת אש" סביב חור שחור, אשר הורסת ומשמידה כל מידע חיצוני, בדומה לחומת אש ממוחשבת?

 המאמר הבא מספר  62 – המשך