ما هو التفرد؟

بالعربي/ هناك أماكن في الكون تتفكك فيها قوانين الفيزياء لدينا.

لفهم ماهية التفرد ، تخيل أن قوة الجاذبية تضغطك إلى أسفل إلى نقطة صغيرة للغاية ، بحيث لا تشغل أي حجم حرفيًا. هذا يبدو مستحيلاً … وهو كذلك. تم العثور على هذه “التفردات” في مراكز الثقوب السوداء وفي بداية الانفجار العظيم . هذه التفردات لا تمثل شيئًا ماديًا. بدلاً من ذلك ، عندما تظهر في الرياضيات ، فإنها تخبرنا أن نظرياتنا في الفيزياء تتفكك ، وعلينا استبدالها بفهم أفضل. 

ما هو التفرد؟

يمكن أن تحدث التفردات في أي مكان ، وهي شائعة بشكل مدهش في الرياضيات التي يستخدمها علماء الفيزياء لفهم الكون. وببساطة ، فإن التفردات هي الأماكن التي “تسيء” الرياضيات التصرف فيها ، عادةً عن طريق توليد قيم كبيرة بشكل لا نهائي. هناك أمثلة على التفردات الرياضية في الفيزياء: عادةً ، في أي وقت تستخدم فيه المعادلة 1 / X ، حيث يذهب X إلى الصفر ، تذهب قيمة المعادلة إلى اللانهاية.

ومع ذلك ، يمكن عادةً حل معظم هذه التفردات من خلال الإشارة إلى أن المعادلات تفتقد إلى بعض العوامل ، أو ملاحظة الاستحالة المادية للوصول إلى نقطة التفرد. بعبارة أخرى ، ربما لا تكون “حقيقية”.

لكن هناك متفردات في الفيزياء ليس لها قرارات بسيطة. الأكثر شهرة هي التفردات الثقالية ، اللانهائية التي تظهر في النسبية العامة لأينشتاين (GR) ، والتي تعد حاليًا أفضل نظرية لدينا عن كيفية عمل الجاذبية.

في النسبية العامة ، هناك نوعان من التفردات: تنسيق التفردات والتفردات الحقيقية. تحدث التفردات التنسيقية عندما تظهر اللانهاية في نظام إحداثي واحد (اختيار معين لتسجيل الفواصل في الزمان والمكان) ولكنها تختفي في نظام آخر.

على سبيل المثال ، قام الفيزيائي كارل شوارزشيلد بتطبيق النسبية العامة على النظام البسيط للكتلة الكروية ، مثل النجم. وجد أن الحل يحتوي على وحدتين ، واحدة في المركز وواحدة على مسافة معينة من المركز ، والمعروفة اليوم باسم نصف قطر شوارزشيلد. لسنوات عديدة ، اعتقد الفيزيائيون أن كلا التفردات تشير إلى انهيار في النظرية ، لكن هذا لم يكن مهمًا طالما أن نصف قطر الكتلة الكروية أكبر من نصف قطر شوارزشيلد. كان كل علماء الفيزياء في حاجة إلى GR للتنبؤ بتأثير الجاذبية خارج الكتلة ، وفقًا لجامعة ولاية سان خوسيه .

ولكن ماذا سيحدث إذا تم ضغط جسم تحت نصف قطر شفارتزشيلد الخاص به؟ عندها ستكون تلك التفردات خارج الكتلة ، وهذا يعني أن GR تتفكك في منطقة لا ينبغي لها ذلك.

سرعان ما تم اكتشاف أن التفرد في نصف قطر شوارزشيلد كان تنسيقًا فريدًا. كتب عالم الفيزياء الفلكية إيثان سيجل في مجلة فوربس أن التغيير في أنظمة الإحداثيات يزيل التفرد ، ويحفظ الموارد الوراثية ويسمح لها بعمل تنبؤات صحيحة .

أين تحدث التفردات الثقالية؟

لكن التفرد في مراكز الجماهير الكروية بقي. إذا ضغطت على جسم ما أسفل نصف قطر شوارزشيلد ، فإن جاذبيته تصبح شديدة جدًا لدرجة أنها تستمر في الضغط على كل شيء من تلقاء نفسها ، وصولًا إلى نقطة صغيرة جدًا ، وفقًا لـ National Geographic .

على مدى عقود ، ناقش الفيزيائيون ما إذا كان الانهيار إلى نقطة بالغة الصغر ممكنًا ، أو ما إذا كانت بعض القوى الأخرى قادرة على منع الانهيار التام. بينما يمكن للأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية أن تبقي نفسها إلى أجل غير مسمى ، فإن أي جسم أكبر من حوالي ستة أضعاف كتلة الشمس سيكون له جاذبية كبيرة ، وسيطغى على جميع القوى الأخرى وينهار في نقطة صغيرة للغاية: تفرد حقيقي ، وفقًا لوكالة ناسا . .

ما هي التفردات العارية؟

هذه هي ما نسميه الثقوب السوداء: نقطة ذات كثافة غير محدودة ، محاطة بأفق حدث يقع في نصف قطر شوارزشيلد. أفق الحدث “يحمي” التفرد ، ويمنع المراقبين الخارجيين من رؤيتها ما لم يتجاوزوا أفق الحدث ، وفقًا لمجلة كوانتا .

اعتقد الفيزيائيون منذ فترة طويلة أنه في GR ، كل التفردات مثل هذه محاطة بآفاق الحدث ، وكان هذا المفهوم معروفًا بفرضية الرقابة الكونية – سميت بهذا الاسم لأنه كان يُعتقد أن بعض العمليات في الكون تمنع (أو “تخضع للرقابة”) التفردات من الوجود للعرض. ومع ذلك ، فقد أدت عمليات المحاكاة الحاسوبية والعمل النظري إلى زيادة إمكانية التفرُّد المكشوف (أو “العاري”). التفرد العاري سيكون مجرد: تفرد بدون أفق حدث ، يمكن ملاحظته بالكامل من الكون الخارجي. ما إذا كانت مثل هذه التفردات المكشوفة موجودة لا يزال موضوع نقاش كبير.

ما هو مركز الثقب الأسود حقًا؟

لأنها فرادات رياضية ، لا أحد يعرف حقيقة ما هو مركز الثقب الأسود . لفهم ذلك ، نحتاج إلى نظرية جاذبية تتجاوز الموارد الوراثية. على وجه التحديد ، نحتاج إلى نظرية كمومية للجاذبية ، نظرية يمكنها وصف سلوك الجاذبية القوية بمقاييس صغيرة جدًا ، وفقًا لفيزياء الكون .

تشمل الفرضيات التي تعدل أو تحل محل النسبية العامة لتعطينا بديلاً عن تفرد الثقب الأسود ، نجوم بلانك (شكل غريب للغاية من المادة) ، ونجوم جرافاستار (قشرة رقيقة من المادة تدعمها الجاذبية الغريبة) ، ونجوم الطاقة المظلمة ( حالة غريبة من طاقة الفراغ التي تتصرف مثل الثقب الأسود). حتى الآن ، كل هذه الأفكار افتراضية ، والإجابة الحقيقية يجب أن تنتظر نظرية الجاذبية الكمية.

ما هو تفرد بيغ بانغ؟

نظرية الانفجار العظيم ، التي تفترض أن النسبية العامة صحيحة ، هي النموذج الكوني الحديث لتاريخ الكون. كما أنه يحتوي على تفرد. في الماضي البعيد ، منذ حوالي 13.77 مليار سنة ، وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، كان الكون بأكمله مضغوطًا إلى نقطة صغيرة جدًا.الإعلانات

يعلم الفيزيائيون أن هذا الاستنتاج غير صحيح. على الرغم من نجاح نظرية الانفجار العظيم في وصف تاريخ الكون منذ تلك اللحظة ، تمامًا كما هو الحال مع الثقوب السوداء ، فإن وجود التفرد يخبر العلماء أن النظرية – مرة أخرى ، GR – غير مكتملة وتحتاج إلى تحديث.

أحد الحلول الممكنة لتفرد الانفجار العظيم هو نظرية المجموعة السببية. تحت نظرية المجموعة السببية ، الزمكان ليس سلسلة متصلة سلسة ، كما هو الحال في GR ، ولكنه يتكون من قطع منفصلة ، تسمى “ذرات الزمكان”. نظرًا لأنه لا يوجد شيء يمكن أن يكون أصغر من إحدى هذه “الذرات” ، فإن التفردات مستحيلة ، كما قال برونو بينتو ، الفيزيائي الذي يدرس هذا الموضوع في جامعة ليفربول في إنجلترا ، لـ Live Science.

يحاول بينتو ومعاونوه استبدال اللحظات الأولى للانفجار العظيم باستخدام نظرية المجموعات السببية. قال بينتو بعد تلك اللحظات الأولية ، “في مكان ما بعيدًا ، يصبح الكون كبيرًا و” حسن التصرف “بدرجة كافية بحيث يصبح التقريب المستمر للزمكان وصفًا جيدًا ويمكن لـ GR أن تتولى إعادة إنتاج ما نراه”.

على الرغم من عدم وجود حلول مقبولة عالميًا لمشكلة التفرد في Big Bang ، يأمل الفيزيائيون في إيجاد حل قريبًا – وهم يستمتعون بعملهم. كما قال بينتو ، “لطالما كنت مفتونًا بالكون وحقيقة أن الواقع به الكثير من الأشياء التي قد يربطها معظم الناس بالخيال العلمي أو حتى الخيال.”

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com