هل من الممكن استخراج الطاقة من الثقب الأسود؟ / آدم براون

إذا أرادت أي حضارة مستقبلية استخراج الطاقة من الثقب الأسود، فإن الخطوة الأولى ستكون بناء مصعد فضائي يخالف قوانين الفيزياء. 

 

ثقب أسود ونفاثات بلازما تخرج من جوارها مكونة من مواد مقذوفة من حافة الحدث. الرسم التوضيحي: شترستوك
ثقب أسود ونفاثات بلازما تخرج من جوارها مكونة من مواد مقذوفة من حافة الحدث. الرسم التوضيحي: شترستوك

سيأتي يوم وتموت الشمس. سوف يحترق الوقود الذي يغذي تفاعلات الاندماج النووي، وسوف تبرد السماء، وإذا نجت الأرض على الإطلاق، فسوف تُلقى البشرية في شتاء أبدي. إذا رغب أحفادنا في البقاء على قيد الحياة، فسوف يضطرون إلى اتخاذ ترتيبات بديلة. أولاً، سوف يستنزفون موارد الأرض، ثم النظام الشمسي، وأخيراً كل النجوم في كل المجرات في الكون المرئي. ومع القضاء على جميع مصادر الاحتراق، فلا شك أنهم سيضعون أنظارهم على المصدر الوحيد المتبقي للطاقة: الثقوب السوداء. فهل سيتمكنون من جمع هذه الطاقة منهم وإنقاذ الحضارة؟

لدي أخبار سيئة: هذا البرنامج لن يعمل. وتكمن أسباب ذلك في فيزياء الكيانات الغريبة مثل الأوتار الكمومية والجهاز الشهير الذي يفضله كتاب الخيال العلمي: المصعد الفضائي.

أمل زائف
في ظاهر الأمر، يبدو أن استخراج الطاقة (أو أي شيء آخر) من الثقب الأسود مهمة مستحيلة. ففي نهاية المطاف، الثقوب السوداء محاطة بما يسمى "أفق الحدث"، وهو غلاف كروي لا عودة منه، وداخله يصبح مجال الجاذبية لا نهائيا. أي شيء يجد نفسه داخل هذه القوقعة، فإن مصيره محدد. ولذلك، فإن أي جهاز يحاول القضاء على الثقب الأسود وإطلاق طاقته، سوف يدمر نفسه ذاتيًا، ويبتلعه الثقب الأسود مع مشغله سيئ الحظ. إن القنبلة التي يتم إلقاؤها في الحفرة لن تدمرها فحسب، بل ستعمل أيضًا على تكبيرها بمقدار يساوي كتلة القنبلة. ما يدخل إلى الثقب الأسود لا يخرج أبدًا: لا الكويكبات، ولا الصواريخ، ولا حتى الضوء.

على الأقل هذا ما اعتدنا على التفكير فيه. ومع ذلك، فجأة، في مقال يعتبر بالنسبة لي هو المقال الأكثر إثارة للصدمة والبهجة على الإطلاق في تاريخ الفيزياء، أظهر ستيفن هوكينج في عام 1974 أننا كنا مخطئين. أظهر هوكينج، استنادًا إلى أفكار سابقة ابتكرها جاكوب د. بيكنشتاين، الذي يعمل حاليًا في الجامعة العبرية في القدس، أن الثقوب السوداء تتسرب منها كميات صغيرة من الإشعاع. ستظل تموت إذا وقعت، ولكن على الرغم من أنك لن تخرج أبدًا، فإن طاقتك ستهرب في النهاية. هذه أخبار جيدة لأولئك الذين يطمحون إلى استخراج الطاقة من الثقوب السوداء في المستقبل: يمكن للطاقة الهروب.

السبب وراء هروب الطاقة يكمن في عالم ميكانيكا الكم المخادع. إحدى الظواهر المميزة لفيزياء الكم هي إمكانية مرور جسيم عبر نفق، أي المرور عبر عوائق لا يمكن عبورها بدون ميكانيكا الكم. قد يظهر أحيانًا جسيم يتدحرج نحو حاجز مرتفع على الجانب الآخر. لا تجرب هذا في المنزل: إذا اصطدمت بنفسك بالحائط، فمن غير المرجح أن تتجسد من جديد دون خدش على الجانب الآخر. لكن من الأرجح أن تمر الجسيمات المجهرية عبر النفق.

وهو النفق الكمي الذي يسمح لجسيمات ألفا (نوى الهيليوم) بالهروب من فكي نواة اليورانيوم المشع، وهو النفق الكمي الذي يسمح لـ "إشعاع هوكينج" بالتسرب من الثقب الأسود. تهرب الجسيمات من مجال الجاذبية اللانهائي لأفق الحدث، ليس عن طريق الاصطدام بالجدران، بل عن طريق حفر الأنفاق عبرها. (بالطبع، لم يسبق لأحد أن رأى ثقبًا أسودًا يتسرب، لكن هذا يمثل تضمينًا رياضيًا مقنعًا لتطبيق ميكانيكا الكم على الزمكان المنحني بحيث لا يشكك فيه أحد).

وبما أن السود يتسربون، يمكننا أن نأمل في امتصاص طاقتهم. لكن الشيطان يكمن في التفاصيل. ومهما حاولنا استخراج هذه الطاقة، يبدو أننا نواجه مشاكل.

أحد الأساليب البسيطة هو عدم القيام بأي شيء سوى الانتظار. وبعد وقت كافٍ، سيبعث الثقب الأسود طاقته، فوتونًا بعد فوتون، عائدًا إلى الكون ومباشرةً إلى أحضاننا المنتظرة. ومع كل قطرة من الطاقة تفقدها، سوف يتقلص الثقب الأسود، حتى يضمحل تمامًا في النهاية. وبهذا المعنى، فإن الثقب الأسود يشبه فنجانًا لذيذًا من القهوة، فكل ما يلمس سطحه يتكسر إلى أجزاء بفعل الجاذبية. ومع ذلك، لا تزال هناك طريقة لاستهلاك القهوة القاتلة: انتظر حتى تتبخر، ثم استنشق الأبخرة.

لكن هناك قبض. الانتظار سهل بالفعل، لكنه أيضًا طويل جدًا. الثقوب السوداء خافتة للغاية: ثقب أسود له كتلة الشمس يتوهج عند درجة حرارة 60 نانوكلفن. حتى الثمانينيات لم نكن نعرف حتى كيفية صنع شيء بهذه البرودة في المختبر. الوقت اللازم لتبخر ثقب أسود كتلته كتلة الشمس أكبر بـ 80 مرة من العمر الحالي للكون، وهو وقت طويل بشكل لا يصدق. بشكل عام، عمر الثقب الأسود هو كتلته مرفوعة للأس الثالث، m20. من المحتمل أن يرغب ذريتنا المرتجفة في تسريع الأمور قليلاً.

أحد أسباب التفاؤل بالنسبة لهم هو أنه ليس كل جسيم هوكينج الذي يهرب من أفق الحدث يستمر في الهروب إلى أجل غير مسمى. في الواقع، في الممارسة العملية، لا أحد منهم يفعل ذلك. تقريبًا كل جسيم يمر عبر النفق ويعبر أفق الحدث يستعيده مجال الجاذبية ويُجبر على العودة إلى حضن الثقب الأسود. إذا تمكنا بطريقة ما من إزاحة هذه الفوتونات من قبضة الثقب الأسود، واستخراجها من براثنه بعد أن تهرب من الأفق ولكن قبل أن يتم الاستيلاء عليها مرة أخرى، فقد نكون قادرين على حصد طاقة الثقوب السوداء بسرعة أكبر.

لفهم كيف يمكننا تحرير هذه الفوتونات، يجب أن نبدأ بفحص القوى القصوى التي تعمل بالقرب من الثقب الأسود. السبب وراء استعادة معظم الجسيمات هو أن هذه الجسيمات لا يتم إخراجها في خط مستقيم. تخيل أنك تقوم بإسقاط شعاع ليزر خارج أفق الحدث مباشرة. يجب أن تهدف بشكل مستقيم حتى يهرب الضوء؛ كلما اقتربت من الأفق، كلما كان عليك التصويب بعناية أكبر. إن مجال الجاذبية قوي جدًا لدرجة أنه حتى لو انحرفت عن الوضع العمودي بخيط كامل، فإن الضوء سوف ينحني ويعود للداخل.

حقيقة أن سرعة الدوران يمكن أن تضعف عملية هروب الجسيم قد تبدو غريبة. ففي نهاية المطاف، فإن السرعة الدائرية هي بالضبط ما يبقي محطة الفضاء الدولية عاليا: فهي تزودها بالتنافر الطارد المركزي الذي يقاوم الجاذبية. ومع ذلك، إذا اقتربت كثيرًا من الثقب الأسود، فسيتم عكس الوضع: ستؤدي سرعة الدوران إلى تأخير عمليات الهروب. وهذه الظاهرة هي نتيجة للنظرية النسبية العامة التي تنص على أن كل الكتلة وكل الطاقة تخضع لتأثير الجاذبية. ليس فقط الكتلة الساكنة للجسم ولكن أيضًا طاقته الحركية الدورانية. بالقرب من الثقب الأسود (أو بشكل أكثر دقة، على مسافة أقل من نصف قطر أفق الحدث)، تكون جاذبية الطاقة الحركية الدورانية أقوى من التنافر الطارد المركزي. من نصف القطر هذا فصاعدًا، كلما زادت السرعة الزاوية للجسيم، سوف يسقط بشكل أسرع.

ومعنى هذه الظاهرة هو أنك إذا قمت بتدلي نفسك ببطء نحو أفق الثقب الأسود، فسوف تشعر بالحرارة الشديدة خلال وقت قصير. لن يقتصر الأمر على الفوتونات التي تمكنت من الهروب إلى اللانهاية مثل إشعاع هوكينج، بل أيضًا الفوتونات التي لن تنجح أبدًا في المهمة. يتمتع الثقب الأسود بغلاف جوي حراري: فكلما اقتربت من أفق الحدث، ترتفع درجة الحرارة. هذه الحرارة تحمل الطاقة.

إن حقيقة وجود طاقة مخزنة خارج أفق الحدث أدت إلى ظهور اقتراح عبقري مفاده أنه يمكننا "ضخ" طاقة الثقب الأسود عن طريق "الوصول" والاستيلاء على الغلاف الجوي الحراري وإجباره على الخروج. خذ صندوقًا بالقرب من أفق الثقب الأسود، دون عبوره، املأ الصندوق بالغاز الساخن ثم اسحبه للخارج. بعض المحتوى سوف يهرب دون مساعدة، مثل إشعاع هوكينج الطبيعي، لكن إذا لم نتدخل، فإن معظم الغاز سيعود للسقوط مرة أخرى. (بمجرد خروج هذا الغاز من المنطقة القريبة من أفق الحدث، فمن السهل نسبيًا نقله بقية الطريق إلى الأرض: ما عليك سوى تحميله على صاروخ وإعادته إلى المنزل، أو تحويل الغاز إلى ليزر وإطلاقه خلف.)

تشبه هذه الإستراتيجية النفخ في كوب القهوة اللذيذ ولكنه خطير. وبدون مساعدة خارجية، فإن معظم بخار الماء المنطلق سيعود مرة أخرى إلى الكوب، ولكن النفخ على السطح يزيل البخار المتسرب حديثًا قبل أن تتاح له الفرصة لاستعادته. الفرضية هي أننا إذا نزعنا غلافه الحراري من ثقب أسود، فيمكننا أن نبتلع الثقب بسرعة في فترة زمنية ليست في حدود م3، وهو الوقت اللازم لتبخر الثقب، ولكن بمعدل أسرع بكثير ، من أمر م.

لكن في عملي الأخير، بينت أن هذه الفرضية خاطئة. المشكلة لا تنشأ من الأفكار النبيلة حول ميكانيكا الكم أو الجاذبية الكمومية. إنه ينبع من الاعتبار الأقل تعقيدًا: لن تتمكن من العثور على حبل قوي بما فيه الكفاية. لضخ الغلاف الجوي الحراري، يجب أن تكون قادرًا على تعليق حبل بالقرب من الثقب الأسود، أو بمعنى آخر تحتاج إلى بناء مصعد فضائي. لكنني اكتشفت أن بناء مصعد فضائي فعال بالقرب من ثقب أسود هو مهمة مستحيلة.

المصعد إلى السماء
المصعد الفضائي (يُطلق عليه أحيانًا خطاف السماء) هو هيكل مستقبلي، اشتهر بواسطة كاتب الخيال العلمي آرثر سي كلارك في كتابه الصادر عام 1979 بعنوان "ينابيع السماء" (المترجم إلى العبرية باسم "ينابيع السماء" - المحررون). تخيل كلارك حبلاً يتدلى من الفضاء الخارجي إلى سطح الأرض. لا يتم تثبيته عن طريق الدفع من الأسفل (كما يحدث في ناطحات السحاب، حيث يدعم كل طابق الطوابق التي فوقه) ولكن عن طريق السحب من الأعلى (كل قسم من الحبل يدعم القسم الذي تحته). يتم تثبيت الطرف البعيد من الحبل على كتلة كبيرة تدور ببطء بعيدًا عن المسار الثابت بالنسبة للأرض، وهذا هو ما يسحب الحبل إلى الخارج ويبقي العمل معلقًا على الفرامل. يتدلى الطرف القريب من الحبل للأسفل ويصل إلى ما فوق سطح الكوكب مباشرةً، حيث يتوقف. يضمن التوازن بين القوى المختلفة أنه سوف يطفو هناك، كما لو كان بفعل السحر (وكما قال كلارك ذات مرة، لا يمكن تمييز السحر عن التكنولوجيا المتقدمة بما فيه الكفاية).

فكرة هذه التكنولوجيا المتقدمة هي أنه عندما يكون الحبل في مكانه، يكون من الأسهل بكثير نقل الأحمال إلى المسار. لن نحتاج بعد الآن إلى صواريخ خطيرة وغير فعالة وملوثة للبيئة، والتي تطير في الجزء الأول من رحلتها بالوقود بشكل أساسي. وبدلا من ذلك، سوف نقوم بالاتصال بحبل المصعد الكهربائي. عندما لا تزيد التكلفة الحدية لنقل البضائع إلى مدار منخفض فوق الأرض عن تكلفة الكهرباء، فإن سعر وضع كيلوغرام في الفضاء سينخفض ​​من مبلغ عشرات الآلاف من الدولارات التي يحتاجها مكوك الفضاء إلى المبلغ من دولارين. وبالتالي، فهذه رحلة إلى الفضاء بسعر أقل من تذكرة الحافلة.

العوائق التكنولوجية التي تواجه بناء المصعد الفضائي هائلة، وأكبرها إيجاد مادة مناسبة للحبل. يجب أن تكون المادة المثالية قوية وخفيفة. قوي بحيث لا يتمدد أو يتمزق بسبب الالتواء، وخفيف بحيث لا يضع وزنًا كبيرًا على الحبل أعلاه.

الفولاذ ليس قوياً بما فيه الكفاية، ولا حتى قريب. يجب أن يحمل القسم الفولاذي، بالإضافة إلى كل شيء تحته، وزنه الخاص، لذلك يجب أن يكون الكابل أكثر سمكًا كلما ارتفعت. فالفولاذ ثقيل جدًا بالنسبة لقوته، لدرجة أن الكابل بالقرب من الأرض يجب أن يتضاعف سمكه كل بضعة كيلومترات. وقبل وقت طويل من وصوله إلى النقطة الثابتة بالنسبة إلى الأرض، سيكون سميكًا جدًا بحيث لن يكون استخدامه عمليًا.

إن بناء مصعد فضائي حول الأرض باستخدام مواد بناء من القرن التاسع عشر لن ينجح ببساطة. لكن مواد البناء في القرن الحادي والعشرين بدأت بالفعل تظهر علامات واعدة. إن أنابيب الكربون النانوية، وهي عبارة عن أسطوانات طويلة من الكربون مرتبة ذراتها في نمط سداسي يشبه قرص العسل، أقوى بـ 19 مرة من الفولاذ. تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية مرشحة ممتازة لبناء مصعد فضائي خارج كوكب الأرض.

ستتكلف هذه العملية عدة مليارات من الدولارات، وستكون أكبر مشروع ضخم قامت به البشرية على الإطلاق، دون أي منافسين، وستتطلب إيجاد طريقة لنسج الأنابيب النانوية في خيوط يبلغ طولها عشرات الآلاف من الكيلومترات، وستواجه تحديات إضافية. عوائق. لكن بالنسبة لفيزيائي نظري مثلي، بمجرد أن تقرر أن بعض الهياكل لا تنتهك من حيث المبدأ قوانين الفيزياء المعروفة، فإن كل شيء آخر هو مجرد مشكلة هندسية. (ووفقًا لنفس المبدأ، فإن مشكلة بناء مفاعل الاندماج النووي قد تم "حلها" بالفعل، على الرغم من الغياب الواضح لمثل هذه المفاعلات التي توفر الطاقة للبشرية، باستثناء استثناء واحد جدير بالملاحظة: الشمس).

مصعد الثقب الأسود

وبطبيعة الحال، فإن المشكلة أكثر صعوبة حول الثقب الأسود. فمجال الجاذبية أقوى، ومحاولة التكيف مع المهمة التي تعمل حول الأرض محكوم عليها بالانهيار السخيف على أرض الواقع.
يمكن إثبات أنه حتى لو استخدمنا القوة المذهلة لأنابيب الكربون النانوية، فإن المصعد الفضائي المفترض الذي يصل بالقرب من أفق الحدث لثقب أسود يجب أن يكون إما رقيقًا جدًا بالقرب من الثقب الأسود بحيث يمكن لفوتون هوكينج واحد أن يكسره، أو سميك جدًا بعيدًا عن الثقب الأسود لدرجة أن الحبل نفسه سينهار تحت تأثير جاذبيته ويصبح ثقبًا أسود جديدًا.

هذه القيود تستبعد إمكانية وجود أنابيب الكربون النانوية. ولكن كما جاء العصر الحديدي بعد العصر البرونزي، وكما ستحل أنابيب الكربون النانوية محل الفولاذ يومًا ما، كذلك يمكننا أن نتوقع من علماء المواد أن يخترعوا مواد أقوى وأخف وزنًا. والحقيقة أنه ليس مستحيلا. لكن هذه العملية لا يمكن أن تستمر إلى الأبد. هناك حد لهذه العملية، حد للهندسة، حد للنسبة بين قوة الشد والوزن في أي مادة معينة، حد تحدده قوانين الطبيعة نفسها. هذه النهاية هي نتيجة مفاجئة لصيغة ألبرت أينشتاين الشهيرة E=mc2.

يعني الشد في الحبل مقدار الطاقة التي يتعين عليك استثمارها لجعله أطول: كلما كان الحبل مشدودًا، زادت الطاقة المطلوبة لتمديده. يتمتع الشريط المطاطي بالمرونة لأنه من أجل تمديده، هناك حاجة إلى استثمار الطاقة لإعادة ترتيب جزيئاته: عندما يكون من السهل تنظيم الجزيئات (أي لا يتطلب ذلك الكثير من الطاقة)، ​​تكون المرونة صغيرة؛ عندما تكون تكلفة الطاقة في المنظمة مرتفعة، يكون التوتر مرتفعا. ولكن بدلاً من بذل الطاقة في إعادة ترتيب أقسام الحبال الموجودة، يمكننا دائمًا إنشاء قسم حبل جديد ولصقه حتى النهاية. إن التكلفة الطاقة لمد حبل بهذه الطريقة تساوي الطاقة الموجودة في كتلة قطعة الحبل الجديدة، ويتم حسابها باستخدام الصيغة: E=mc2، أي الكتلة (م) لقطعة الحبل الجديدة مرات سرعة الضوء مربعة (c2).

هذه طريقة مكلفة جدًا لتمديد الحبل، ولكنها أيضًا طريقة آمنة. فهو يوفر حاجزًا أعلى لتكلفة الطاقة اللازمة لتمديد الحبل، كما أنه على أية حال يضع حدًا لشد الحبل. لا يمكن أن يكون التوتر أبدًا أعلى من الكتلة لكل وحدة طول مضروبة في c2. (قد تعتقد أن حبلين مضفرين سيكونان أقوى بمرتين من حبل واحد. لكنهما سيكونان أيضًا أثقل بمرتين، وبالتالي لا يحسنان نسبة القوة إلى الوزن.)

وهذا الحد الأساسي لقوة المواد يترك مجالًا كبيرًا للتقدم التكنولوجي. وهذا الحد أقوى بمئات المليارات من المرات من الفولاذ، وحتى عندما نأخذ الوزن في الاعتبار، فهو أقوى بمئات الملايين من المرات من أنابيب الكربون النانوية. ومع ذلك، فهذا يعني أننا لا نستطيع تحسين موادنا بلا حدود. وكما أن جهودنا لدفع أنفسنا بشكل أسرع فأسرع يجب أن تتوقف عند سرعة الضوء، فإن جهودنا لبناء مواد أقوى وأقوى يجب أن تتوقف عند E=mc2.
هناك مادة واحدة افتراضية للحبل تصل إلى هذا الحد بالضبط، أي أقوى ما يمكن أن تكون عليه أي مادة. ولم يتم ملاحظة هذه المادة مطلقًا في المختبر، ويشكك بعض علماء الفيزياء في وجودها، لكن آخرين كرسوا حياتهم للبحث عنها. وعلى الرغم من أنه لم يسبق لأحد أن رأى أقوى حبل في الطبيعة، إلا أنه يحمل اسمًا بالفعل: الخيط. يأمل الأشخاص الذين يدرسون الأوتار، أصحاب نظرية الأوتار، أن يكتشفوا أنها اللبنات الأساسية للمادة. لأغراضنا، لا يهم مدى أهمية الأوتار، ما يهم هو قوتها.
الأوتار قوية. على قطعة حبل مصنوعة من خيوط، طولها ووزنها مثل رباط الحذاء، يمكنك تعليق جبل إيفرست. تتطلب أصعب التحديات الهندسية استخدام أقوى المواد، لذا إذا أردنا بناء مصعد فضائي حول ثقب أسود، فإن أفضل فرصة لدينا هي استخدام الخيوط. عندما تفشل أنابيب الكربون النانوية، قد تنجح الأوتار الأولية. إذا كانت هناك مادة يمكنها القيام بذلك، فهذه المادة هي الأوتار. على العكس من ذلك، إذا لم تتمكن الأوتار من ذلك، فإن الثقوب السوداء ليست في خطر.
اتضح أنه على الرغم من أن الأوتار قوية، إلا أنها ليست قوية بما فيه الكفاية. في الواقع، تمكنوا من الانزلاق مباشرة على حافة القوة الكافية. لو كانت أقوى قليلاً، لكان من السهل بناء مصعد فضائي حتى حول الثقب الأسود؛ ولو كانوا أضعف قليلا، لكان المشروع ميؤوسا منه، لأن الخيط نفسه سوف ينقطع تحت ثقله. الأوتار موجودة على الحافة مباشرةً، لأنه في حين أن الحبل المصنوع من الخيوط المتدلية نحو سطح الثقب الأسود قوي بالفعل بما يكفي لتحمل وزنه، إلا أنه لم يعد لديه أي قوة لدعم الحمولة الموجودة على المصعد. يمكن للحبل أن يدعم نفسه، ولكن لتحقيق ذلك علينا أن نتخلى عن الصندوق.

وهذا هو ما يحمي الثقوب السوداء من التجول حولها. إن قوانين الطبيعة نفسها تحد من مواد البناء لدينا، وهذا يعني أنه في حين أن الحبل يمكن أن يصل إلى الجو الحراري المضغوط للثقب الأسود، فإنه لا يستطيع سرقته بشكل فعال. وبما أن قوة الوتر محدودة تمامًا، فيمكننا استخراج كمية محدودة من الطاقة من الغلاف الجوي الرفيع والعالي باستخدام وتر أقصر.

ومع ذلك، فإن هذه القائمة الهزيلة وغير الكافية ليست أفضل بكثير من الانتظار: فعمر الثقب الأسود سيبقى في حدود m3، وهو نفس الترتيب من حيث الحجم مثل عمر التبخر المستقل. إذا قمنا بمطاردة الفوتونات الضالة هنا وهناك، فقد نكون قادرين على تقصير عمر الثقب الأسود بمقدار صغير، لكننا لن نكون قادرين على الحصول على الضخ الصناعي اللازم لإطعام حضارة جائعة.

في حالة الثقوب السوداء، فإن سرعة الضوء المحدودة تعيق خطواتنا بشكل متكرر. وبما أننا لا نستطيع السفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء، فلا يمكننا الهروب من أفق الحدث للثقب الأسود. نظرًا لأننا لا نستطيع استخلاص طاقة من الوقود أكثر من mc2، فنحن محكوم علينا بالتحديق في الثقوب السوداء بعيون داكنة. وبما أن الحبل لن يكون أبدًا أقوى من مربع سرعة الضوء في كتلته لكل وحدة طول، فلا يمكننا ابتلاع محتويات الثقب.

عندما ينتهي الصيف على الشمس، سنعيش في شتاء أبدي. قد نرغب في الحصول على مخزونات هائلة من الطاقة في الغلاف الجوي الحراري للثقب الأسود، لكن محاولة الحصول عليها قد تكلفنا غاليًا. إذا وصلنا عميقًا جدًا، أو بلهفة شديدة، فبدلاً من أن يسرق صندوقنا إشعاع الثقب الأسود، فإن الثقب الأسود هو الذي سيسرق منا صندوقنا. شتاء بارد ينتظرنا.

عن المؤلف
آدم براون عالم فيزياء نظرية في جامعة ستانفورد. عندما لا يفكر في الثقوب السوداء، فهو يفكر في الانفجار الكبير وفقاعات العدم.

باختصار
عندما تموت الشمس بعد بضعة مليارات من السنين، سيتعين على البشرية أن تجد مصدرًا جديدًا للطاقة من أجل البقاء. أحد المرشحين يمكن أن يكون الثقوب السوداء المليئة بالطاقة.
تقترح تجربة فكرية استخدام فكرة من عالم الخيال العلمي، وهي مصعد فضائي، "لضخ" الإشعاع الحراري من الثقب الأسود.
سيستخدم المصعد الفضائي الصندوق المتصل بالحبل المتدلي لأسفل بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود لجمع الإشعاع من هناك. ومع ذلك، فقد اتضح أنه حتى أقوى مادة في الكون، وهي الوتر الأولي، لن توفر لنا حبلًا يمكنه تحمل قوة الجاذبية الهائلة عند أفق الحدث للثقب الأسود.
المزيد عن هذا الموضوع
ينابيع الجنة. آرثر سي كلارك، ترجمة: عمر نيبو. أوديسي للنشر، 2006.
تسارع الإشعاع والقانون الثاني المعمم للديناميكا الحرارية. William G. Unruh وRobert M. Wald في Physical Review D، Vol. 25، لا. 4، الصفحات 942-958؛ 15 فبراير 1982.
تعرف على المزيد حول أحدث الأبحاث حول المصاعد الفضائية
ScientificAmerican.com/feb2015/brown

تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

مصعد الفضاء ينزل من الحلقة؟

من سيركب المصعد الفضائي؟

تم العثور على مجالات مغناطيسية ضخمة بالقرب من الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات
كيف تتشكل الثقوب السوداء؟

الردود 38

  1. سعداء. ليس لديهم أي قلق. أشعر بالقلق بشأن ما سيحدث للعالم في العام أو العامين المقبلين. ليست الشمس ونقصها سيدمران العالم. نحن البشر ننهي نهاية أحفادنا. إما في محموم أو في حروب لا نهاية لها.

  2. "إذا رغب أحفادنا في البقاء على قيد الحياة، فسوف يضطرون إلى اتخاذ ترتيبات بديلة. أولاً وقبل كل شيء، سوف يستنزفون موارد الأرض، ثم النظام الشمسي، وأخيراً، جميع النجوم في جميع المجرات في الكون المرئي."
    توقفت عن القراءة عندما رأيت هذا

  3. "لدي أخبار سيئة: هذه الخطة لن تنجح. أسباب ذلك تكمن في فيزياء الكيانات الغريبة مثل الأوتار الكمومية ومثل الجهاز المجيد الذي يفضله كتاب الخيال العلمي: المصعد الفضائي."
    لدي أخبار سيئة: البشرية سوف تنقرض قبل وقت طويل من موت الشمس
    لدي المزيد من الأخبار السيئة: سيجد الإنسان بديلاً للطاقة قبل فترة طويلة من غروب الشمس

  4. "سوف يستنزفون موارد الأرض، ثم النظام الشمسي، وأخيرا، كل النجوم في كل المجرات في الكون المرئي."
    "كل النجوم في كل المجرات في الكون المرئي."
    نعم بالتأكيد
    نحن لن نصل الى هناك
    سنراك تصل إلى أورانوس أولاً

  5. حتى لو كان لدينا حبل، فلن ينجح الأمر: لأنه يجب ربط الحبل بشيء على الجانب الآخر. وإذا كان مربوطا بالأرض وقامت قوة جاذبية الثقب الأسود بالتقاط الصندوق فإن محاولة لف الحبل ستسحب الأرض نحو الثقب الأسود وليس العكس.

  6. يهودا،

    بادئ ذي بدء، لا يوجد شيء خيالي هنا. هذا هو العلم. على الرغم من أن هذه هي الفيزياء النظرية، ولكن كشخص قرأ المقالات وناقش الموضوع أيضًا مع المؤلف، يمكنني أن أؤكد لك أن هذه هي الفيزياء بالمعنى النقي للكلمة.

    لا أستطيع أن أفهم لماذا حجتك "من الممكن إنتاج الطاقة بطرق أبسط، على أي حال لا يمكننا إنتاج طاقة أكبر من كتلة الثقب الأسود" لا تنطبق على المفاعلات النووية أيضًا. لماذا لم يكن علينا أن نقول للأشخاص الذين درسوا المفاعلات النووية في منتصف القرن الماضي "اتركوها، فمن الأسهل حرق الفحم ولن تتمكنوا من إنتاج طاقة أكثر مما تحتويه كتلة الطاقة النووية على أي حال" ؟ أنت بحاجة إلى إجراء بحث لتعرف كيف يمكنك إنتاج الطاقة، وكيف تكون أرخص، وكيف أبسط، وكيف يمكنك تحقيق كفاءة أعلى، وكيف يمكنك القيام بذلك بطريقة أنظف وأكثر أمانًا. لا أستطيع أن أفهم كيف تعرف الإجابات قبل إجراء البحث.

    إن التطبيق العملي يمثل بالفعل مشكلة اليوم ببساطة لأنه ليس لدينا ثقوب سوداء قريبة. بالإضافة إلى ذلك، يدعي المقال أنه حتى لو كان هناك، فلا توجد عملية يمكنها استخراج الطاقة بمعدل معقول (وأنا لست مقتنعا بأننا نتفق على ذلك). ولكن ما هو غير عملي اليوم هو تكنولوجيا الغد اليومية. في القرن الثامن عشر، كانت الكهرباء أكثر الأشياء غير العملية على الإطلاق، ومع ذلك فقد تمت دراستها...

    وأخيرا، إذا قرأت سترى أن جميع العمليات المعنية تحدث خارج الثقب الأسود. نحن نعرف *بالضبط* ما يحدث هناك. لدينا نماذج نظرية دقيقة للغاية. لدينا ملاحظات كثيرة. لا توجد مفاجآت. علامات الاستفهام الكبيرة تتعلق بالأفق نفسه وداخل الثقب الأسود.

  7. لا أفهم ما هي الميزة الكبرى للذهاب في رحلة مجنونة وربما في الخيال خارج النطاق المعروف في العلم عندما لا نعرف على الإطلاق ما سيحدث بجوار الثقب الأسود وما هي "المفاجآت" التي ستشعها لنا في الطريق إلى الطاقة المباركة.
    ما هو أبسط من خلق الطاقة من المادة بالطريقة المعروفة من مادة عادية، في النهاية حتى من الثقب الأسود لن نستقبل طاقة أكثر من المادة الموجودة فيه. سيكون من الحكمة دراسة خيارات الاندماج أو المفاعلات البسيطة التي يمكن تشغيلها بمواد أبسط وأرخص من اليورانيوم أو البلوتونيوم.
    قد تكون هذه المقالة بأكملها مجرد تمرين فكري ولكنها لا تبدو عملية بالنسبة لي.
    בהצלחה.

  8. ربما… ،

    وإليكم تعريف الخيال العلمي من ويكيبيديا:

    "الخيال العلمي هو جنس أدبي يتناول وصف الحبكات الخيالية المستقبلية من خلال تطوير الأفكار والاتجاهات الموجودة في مجالات العلوم والتكنولوجيا... فرضية واقعية حول الأحداث المستقبلية المحتملة، مبنية بشكل متين على المعرفة والاعتراف بالواقع العالم الحقيقي، الماضي والحاضر، ومع فهم الطبيعة وأهمية المنهج العلمي...

    يميل الكثيرون إلى الخلط بين الخيال العلمي والفانتازيا أو التعامل مع النوعين كواحد، لكن الاثنين مختلفان عن بعضهما البعض... فالخيال العلمي مبني على قوانين علمية... بينما الخيال يدور بالكامل في عالم خيالي"

  9. ربما… ،

    "بحكم تعريفه، يتجاهل الخيال العلمي قوانين الفيزياء..."

    بالتأكيد لا، الخيال العلمي هو (من بين أمور أخرى) أيضًا ما هو مستحيل حاليًا من الناحية التكنولوجية، وليس من الضروري أن يكون شيئًا يتجاهل قوانين الفيزياء أو يتعارض معها. على سبيل المثال، الأشياء الموصوفة في كتاب 20 ألف ميل تحت الماء لجول فيرن كانت تعتبر خيالًا علميًا في ذلك الوقت، ولكن بعد أقل من 100 عام أصبحت الأشياء حقيقة.

  10. ربما..
    الإجابة واحدة.
    أين رأيتم التجاهل لقوانين الفيزياء في المقال؟
    يطرح المقال سؤالاً ويحاول الإجابة عليه بالاعتماد على قوانين الفيزياء المعروفة.
    ما هو الخيال هنا؟

  11. الرد على إيتان – هذه هي النقطة بالتحديد. كيف يمكن ترجيح جميع المتغيرات للوصول إلى نتيجة معينة؟ . لقد طور عظيموف في كتب الموساد ما يسمى بالتاريخ النفسي من خلال فهم جميع التيارات الكهربائية في الدماغ وقدمها على أنها رياضيات - إذن لدينا جسم نقطي ونستطيع، إذا جاز التعبير، "التحكم" في جميع المتغيرات ولكن كيف يمكنك أن تفعل مثل هذا الشيء في الرجل الأسود؟ هل من الممكن تحديدها؟ من المؤكد أن القدرة على التفكير في الأمر قد قطعت بالفعل 50 بالمائة من الطريق - لقد فقدت المغزى مما أردت أن أنقله، مهما كان الأمر.

  12. ألبرتوسو

    اولا
    طول المقال يثير الشكوك حول غرضه..

    أعتقد أن هذا هو الرجل الأسود ذو الحجم "القياسي".
    أي: الذي يجذب إليه أي مادة قريبة منه..
    فكيف يمكنك التقرب منه لتستمد منه الطاقة دون أن تنجذب إليه؟

    بالمناسبة لم أفكر حتى في قراءة المقال..

  13. ربما،

    بعد أن أظهرت معرفة غير مسبوقة في دراسة الجاذبية، ربما يمكنك أن تخبرنا ما هو بالضبط الخيال العلمي المقدم في المقالة؟ أنا متأكد من أنك قرأت المقالات، واستوعبت وفهمت كل ما أظهره الكاتب فيها، ويمكنك أن تخبرنا لماذا هذا ليس علمًا حقيقيًا ولكنه مجرد خيال، أليس كذلك؟

  14. ربما..
    ما هي مشكلة الخيال العلمي؟
    ما المشكلة في أخذ السيناريو الذي هو حالياً خيال علمي وتحليله علمياً؟
    هذا هو في الأساس تعريف الخيال العلمي الكلاسيكي: قصة مبنية على تكهنات علمية أو مستقبلية.
    وأخيرًا سؤال صغير: هل من الممكن أن يكون الخيال العلمي حسب تعريفك هو أي شيء لا تفهمه؟

  15. وواصل التعليق لربما: لأنه من الممكن أن تكون هذه هي الأخيرة، فحتى كليفورد سيماك في كتاب المدينة - حاول تسريع الرؤى - مدينة النمل مثلا. الآن يبدو هذا مثل الخيال العلمي. ولكن من يقول أنه غير ممكن؟

  16. الرد المحتمل: لولا الخيال العلمي، لما بدأت الأمور تتشكل - تحدث جول فيرن في ذلك الوقت عن مدفع خارق سيرمينا في الفضاء، غودارد أو شخص يحمل حرف C لا أتذكر اسمه. الاسم ولكن هناك بعض البناء عليه في مكان ما في ناسا - اقترح استخدام الصواريخ للوصول إلى الفضاء، قبل ذلك كان موضع سخرية. وقد تنبأ هاينلاين بذلك في أحد كتبه حتى قبل أن يحظى الرجل بالاحترام الذي يستحقه. حتى كلارك تنبأ باستخدام الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، فالخيال العلمي هو العشيقة التي لا يمكنك التخلص منها.

  17. هناك طريقة أخرى (من وجهة نظري أبسط) وهي الاستفادة من طاقة الفراغ الموجودة وفقًا لمبدأ عدم اليقين (مبدأ عدم اليقين هو أيضًا أساس إشعاع هوكينج). إن القول بأن الأمر أبسط بالطبع لا يعني أنه بسيط.
    إن اكتشاف طريقة للاستفادة من الطاقة الفراغية سيكون إنجازًا مذهلاً إذا حدث ذلك.
    عند محاولة عزل كوارك على الرغم من القوة الشديدة، يقوم الكوارك بتكوين كوارك آخر من الفراغ.
    وربما يمكن تقليد عملها بطريقة مشابهة لتجميع الطاقة، لكن هذا بالطبع بشرط الاستثمار في الطاقة
    جلب مثل هذا الوضع لن يكون أعلى من الثمن.

  18. سأشرح لك يا نعوم - أنه من الأسهل استخراج الطاقة من الثقب الأسود عن طريق كائنات فضائية كما في كتاب أسيموف "الآلهة أنفسهم". هنا وهناك يوجد بكتيريا تنعمت ذكراها من الفضاء سيتم بناء محطة فضائية على مصعد فضائي سيحدده كويكب. لكننا لم نصل إلى هناك بعد... إذًا مصعد داخل ثقب أسود؟ أعتقد أنهم يقصدون استعارة. يوجد في المقال رابط لكتاب كلارك "ينابيع الجنة" - أنصح بقراءته بشدة. وبشكل عام كل كتبه رائعة.

  19. هل يمكن لأحد أن يشرح لي لماذا لا يمكن استخراج الطاقة من الثقب الأسود إلا بواسطة مصعد فضائي؟
    ففي نهاية المطاف، يمكن للجسيمات أن تصل بسرعة عالية من بعيد وتمر خارج أفق الحدث وتعود إلى الفضاء (مثل أي كويكب في مدار إهليلجي) ثم تسخن من نفس الطاقة وبالتالي "تسرق" إشعاع هوكينج بمعدل أعلى. من المعتاد.

  20. من المثير للدهشة أنه حتى قبل 100 عام (أو أقل بقليل [؟]) كنا نعيش في كون ساكن ولم يكن هناك انفجار كبير... واليوم لدينا فوق هذه السطور المقالة والافتراضات المذكورة أعلاه والتي على الأرجح في ليس كذلك سيبدو الوقت الطويل غير ذي صلة إلى حدٍ ما (ناهيك عن مليار سنة).
    على أية حال، استمتعت بقراءة ما كتب.
    אבל
    في بعض الأحيان عندما أقرأ مقالات من هذا النوع أتذكر تلك الأفلام / الكتب / البرامج الإذاعية التي تم إنتاجها قبل وقت طويل من مجيئي إلى هنا، ولدي شعور دائمًا أنهم عندما فعلوا ذلك - كانوا يعرفون أنهم كانوا يفعلون شيئًا قديمًا، حتى قبل أن يصبح التصوير الفوتوغرافي أفيالًا (كان هناك شيء من هذا القبيل) المتقدمة.
    بالنسبة لأولئك الذين لديهم فضول لمعرفة ما أتحدث عنه - شاهدوا على سبيل المثال فرقة البيتلز...

    لقد تجاوز معدل تقدمنا ​​بلا شك المسار السريع وضده قدرتنا على التنبؤ (بمعنى: كلما تقدمنا ​​بشكل أسرع - كلما قلت جودة توقعنا) وهذه أخبار سيئة للغاية (في رأيي)
    أنا شخصياً أتعامل مع البرمجة وهنا أيضاً تحتاج إلى القدرة على التنبؤ. وعندما يفشل توقعي - أجد نفسي أفك رموز أشياء فعلتها - ويستغرق الأمر ساعات طويلة (وأحيانا أياما) - وهو نوع من العمل العقلي حيث تعتمد كل طبقة (رمز في هذه الحالة) على التي قبلها وكلما زاد عدد الطبقات تتراكم - كلما أصبح عمل فك التشفير أكثر صعوبة.
    في الحياة (في رأيي) الأمر معقد بشكل مضاعف - لدي شعور بأنه إذا اضطررنا لسبب ما إلى إعادة تشغيل التكنولوجيا الموجودة اليوم (على سبيل المثال، نتيجة لعاصفة مغناطيسية [أو فيروس غاضب]) فإن المعرفة لبدء الأنظمة ببساطة غير موجود.
    وإلى حد المقال الممتع: لقد كانت القراءة ممتعة - مثل قراءة كتاب خيال علمي (أو رسم كاريكاتوري عندما كان عمري 5 سنوات) ولكن لا شيء أكثر من ذلك.
    لا مستحيل - يجب أن أعود إلى العمل...

  21. معجزات فلا يكتب هناك نسبة إلى الكتلة في الثالث، بل يكتب أنها الكتلة في الثالث. لكن بعدنا، أوضح ألبانزو المسألة بأن الأمر يتعلق بأخذ الثوابت كوحدة فيما سنسميه الوحدات الطبيعية. فكرة مثيرة للاهتمام وربما هذا هو التفسير. من جميع أساتذتي المتعلمين (:)) شكرا لكم.

  22. لاستدعاء وحدات أخرى غير الكتلة والطاقة وما إلى ذلك. في الفيزياء النظرية -لأسباب الراحة- من المعتاد أن نأخذ c=1، أي لتحديد سرعة الضوء. ونتيجة لذلك، تصبح السرعة كمية لا وحدة لها، وبالتالي فإن الزمن والمسافة لهما نفس الوحدات. من الواضح أن هذا ليس صحيحًا حقًا بالنسبة للقياسات التي سنجريها في المختبر، ولكنه مناسب جدًا للحسابات النظرية. إذا أردنا تطبيق حساب نظري في المختبر، فسيتعين علينا إعادة الوحدات الصحيحة عن طريق الضرب في القوة الصحيحة لـ c (من الواضح أن السبب الذي يجعلنا نسمح لأنفسنا بالقيام بذلك هو وجود طريقة واحدة فقط لإرجاع الوحدات بشكل صحيح) .

    وبالمثل، من المعتاد أن نأخذ ثابت بلانك على أنه 1. عندما تكون سرعة الضوء وثابت بلانك 1 (تسمى "الوحدات الطبيعية")، فمن المقبول بشكل مباشر أن جميع الكميات في الطبيعة لها وحدات تمثل قوة معينة للكتلة. على سبيل المثال، الطول يساوي الكتلة أس سالب واحد. الطاقة هي الكتلة للقوة الأولى والزخم الزاوي هي الكتلة للقوة 1، وما إلى ذلك. ولذلك، يمكن قياس الطاقة والكتلة بنفس الوحدات، وما إلى ذلك. بالطبع، إذا كنت تريد الترجمة إلى المختبر - عليك إعادة الثوابت c وPlanck بالقوى الصحيحة.

    في فيزياء الجاذبية، من المعتاد استخدام "الوحدات الهندسية"، والتي، بالإضافة إلى الثوابت المذكورة أعلاه، يكون ثابت بولتزمان وG نيوتن أيضًا 1. في هذه الوحدات، لا توجد كمية في الطبيعة لها وحدات - كل شيء يأتي ومن المتعارف عليه في هذه الوحدات أيضًا أن العمر الافتراضي للثقب الأسود يساوي كتلته في الثالثة كالعادة، ليترجم الزمن إلى نتيجة يمكن التحقق منها في المختبر (أي ثواني). تحتاج إلى إرجاع كافة الثوابت في الوحدات. الرغبة

  23. "سيأتي يوم تموت فيه الشمس. سيتم استهلاك الوقود الذي يغذي تفاعلات الاندماج النووي، وسوف تبرد السماء، وإذا نجت الأرض على الإطلاق، فسوف تُلقى البشرية في شتاء أبدي. إذا أراد أحفادنا البقاء على قيد الحياة سيضطرون إلى اتخاذ ترتيبات بديلة، أولاً، سيستهلكون موارد الأرض، ثم النظام الشمسي، وأخيراً جميع النجوم في جميع المجرات في الكون. المرئي."
    يبدو هذا الجزء قليلاً... عندما تموت الشمس لن نكون هنا لأنه قبل ذلك سيكون عملاقاً أحمر. استغلال موارد الأرض، النظام الشمسي. كل النجوم وكل المجرات. كيف؟ من الأسهل التحرك. وكيف سنصل إلى كل المجرات في الكون المرئي؟

  24. يهودا
    تصحيحك الأول منطقي بالنسبة لي. لا أفهم التعديل الثاني. كل ما يقال هو أن متوسط ​​العمر المتوقع يتعلق بالكتلة في الثلث. ولم يدعي أحد التكافؤ.

  25. أرى مغالطتين فادحتين في المقال:

    جاء في المقال: "الجسيمات تهرب من مجال الجاذبية اللامتناهي لأفق الحدث". نهاية الاقتباس.
    لا يمتلك أفق الحدث للثقب الأسود جاذبية لانهائية، ولكن سرعة الهروب من الأفق هي سرعة الضوء.
    ومكتوب أيضًا في المقالة: "بشكل عام، عمر الثقب الأسود هو كتلته مرفوعة للقوة الثالثة". نهاية الاقتباس.
    حسنًا، يمكن قياس الكتلة بوحدات الطاقة ولكن ليس بوحدات الزمن.
    آسف إذا كنت مخطئا (:))

ترك الرد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها *

يستخدم هذا الموقع Akismat لمنع الرسائل غير المرغوب فيها. انقر هنا لمعرفة كيفية معالجة بيانات الرد الخاصة بك.