الديناميكا الحرارية للثقب الأسود-Thermodynamics of black hole

من طرف **Admin** السبت نوفمبر 08, 2014 11:08 am

خلال القرن التاسع عشر، تم تطوير النظرية المعروفة بـ "الديناميكا الحرارية Thermodynamics" أو اختصاراً "الترموديناميك" وذلك عبر العلماء الذين قاموا بدراسة الحرارة، وسلوك الغازات منخفضة الكثافة. تقوم هذه النظرية بوصف السلوك الديناميكي (الحركي) للحرارة - أو بشكلٍ أكثر شمولية الطاقة - وهي بجوهرها تعرف عبر قوانينها الأربعة الأساسية.

ينص القانون الصفري على أنه إذا كان الجسم الأول (أ) فى حالة توازن ديناميكي حراري Thermodynamic Equilibrium مع الجسم الثاني (ب)، أي أنه لا يوجد تدفق طاقة بينهما، وكان جسمٌ ثالث (ج) فى حالة توازن ديناميكي حراري مع الجسم الثاني (ب)، فهذا يعني أن الجسم (أ) والجسم (ج) بحالة توازن حراري.بما أن هذه الأجسام التي تمتلك حالة توازن حرارى لها نفس درجة الحرارة، فيمكن التعبير عن هذا القانون بطريقةٍ أخرى: إذا كان الجسم (أ) يمتلك نفس درجة حرارة الجسم (ب)، والجسم (ج) يمتلك نفس درجة حرارة (ب)، فالأجسام (أ) و (ج) يمتلكان نفس درجة الحرارة. على هذا النحو يبدو من الواضح عدم تسمية هذا القانون بالقانون الأول،فقد وُضعت القوانين الأخرى أولاً، وعندما تم صقلها أصبح من الواضح أن القانون الصفري يجب أن يُدرج ضمن القوانين باعتباره خاصية فيزيائية وليس مجرد افتراض.

ينص القانون الأول على أن مبدأ انحفاظ الطاقة، وبما أن الحرارة هى شكلٌ من اشكال الطاقة، فإن زيادة درجة حرارة الجسم، تعني أنه يكتسب طاقةً من مكانٍ ما. وبالمثل, انخفاض درجة حرارة الجسم، تعني أنه يخسر طاقة، كي يكتسبها جسمٌ آخر. كان قانون انحفاظ الطاقة معروفاً قبل الديناميكا الحرارية، ولكن هذا القانون يُبين لنا أن الحرارة هى شكلٌ من اشكال الطاقة.

بالنسبة للقانون الثاني، فهو ربما أكثر قوانين الديناميكا الحرارية التي يساء فهمها، وفي أبسط أشكاله، يُمكن تلخيصه على النحو التالي:"الحرارة تتدفق من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة". يصبح القانون الثاني أكثر فائدةً عندما نعبر عنه بدلالة "الانتروبي Entropy"، وبذلك يمكننا أن نقول :" إن انتروبي النّظام لا يمكن ان تنخفض".

يُفسّر الكثير من الناس الانتروبي على أنها درجة الاضطراب أو الفوضى في النظام، او الجزء غير الصالح للاستعمال في النظام. هذا يعني أن الأشياء ستُصبح أقل استعمالاً واقل فائدةً مع مرور الوقت، وهذا يبين لنا أيضاً لماذا يقول المشككون بنظرية التطور أنها تنتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
فعلياً، الانتروبي هو مستوى المعلومات التى تحتاجها لوصف النظام. بالنسبة للنظم المرتبة فهي سهلة التوصيف، لأن الأجسام لها علاقة بسيطة ببعضها. بينما النظم غير المرتبة وغير المنتظمة، تحتاج إلى معلوماتٍ أكثر لوصفها، حيث لا يوجد نمطٌ بسيط يستطيع أن يوصف الأجسام المكونة لها. ولذلك، عندما يُبين القانون الثاني أن الانتروبي لا تنقص أبداً، فإن المقصد من ذلك أن كمية المعلومات الفيزيائية للنظام لا يمكن أن تنقص أبداً، وبمعنى آخر، المعلومات لا يمكن أن تُدّمر.

ينص القانون الثالث على انه عند درجة الصفر المطلق يكون الجسم فى اقل انتروبي مُمكنة (غالبا ما تعتبر مساوية للصفر). نستنتج من هذا القانون أنه لا يُمكن خفض درجة حرارة الجسم إلى درجة الصفر المطلق.

في مقالٍ سابق، قُلنا أن الثقوب السوداء الكلاسيكية ليس لها "شعر"،وقصدنا بذلك أن الثقوب السوداء توصف ببساطة عبر حجم كتلتها، دورانها، وشحنتها.
وبسبب ذلك، يُمكنك أن تقوم برمي أي جسم (مع قدر كبير من الانتروبي) إلى الثقب الاسود، وستنتهى الانتروبي ببساطة. بعبارة أخرى، انتروبي النظام سوف تتقلص، وهذا يشير إلى تناقضٍ مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

هنالك طريقةٌ أخرى للنظر إلى الثقب الاسود الكلاسيكي، وهي أنه يملك درجة حرارة الصفر المُطلق، وهذا يعني أنه يُمكنك أن تقذف أجسام ذات درجة حرارة عالية إلى الثقب الاسود، وسيقوم الثقب بخفض درجة حرارتها إلى الصفر المطلق. هذا الأمر يشير إلى تناقضٍ مع القانون الثالث للديناميكا الحرارية.

بالطبع، فإن طرق النظر السابقة للثقوب السوداء تتجاهل تأثير ميكانيك الكم، وعندما نأخذ ميكانيك الكم بعين الاعتبار، يُمكن أن تقوم الثقوب السوداء بإنتاج الضوء وجسيماتٍ أخرى من خلال عملية تعرف باسم "إشعاع هوكينغ Hawking Radiation"، وبما أن هذا الثقب الأسود "الكمومي" يقوم بإصدار الضوء والحرارة، فهذا يعني أنه يمتلك درجة حرارة، وبالتالي، فإن الثقوب السوداء تخضع لقوانين الديناميكا الحرارية.

عند دمج النّسبية العامة مع ميكانيك الكم مع الديناميكا الحرارية، ضمن توصيفٍ شامل للثقوب السوداء، فإن ما سنحصل عليه هو نموذجٌ معقدٌ جداً. ولكن يُمكن التعبير عن هذه القواعد والقوانين عبر قواعدٍ أساسية معروفة باسم "الديناميكا الحرارية للثقب الاسود Black Holes Thermodynamics".
بشكلٍ أساسي، فإن هذه القواعد هي نفس قواعد الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، ولكن تمت إعادة صياغتها بما يتوافق مع خصائص الثقوب السوداء.

القانون الصفري: ينص على أن الثقوب السوداء غير الدوارة تمتلك جاذبية مُوّحدة حتى فى أفق الحدث.

القانون الأول: يربط الكتلة الثقب، دورانه، والشحنة الخاصة به مع الانتروبي
الخاصة بالثقب الأسود، وينص أيضاً على أن الانتروبي الخاصة بالثقب الأسود تتعلق بمساحة أفق الحدث.

القانون الثاني: يُؤكّد مرةً أخرى على أن انتروبي الثقب الاسود لا يُمكن أن تنقص. وهنالك نتيجةٌ واحدة لذلك، هو أنه عندما يندمج ثقبان أسودان، فإن مساحة أفق الحدث الناتجة يجب أن تكون أكبر من مساحة أفق الحدث لأيٍ من الثقبين قبل الاندماج.

القانون الثالث: ينص على أن الثقوب السوداء "الشديدة" -التى تمتلك المقدار الأعظمي من الدوران أو الشحنة - تمتلك أقل انتروبي. وهذا يعني أنه لا يُمكن أن نقوم بتشكيل ثقبٍ أسود شديد، وكمثالٍ على ذلك، فإنه لا يمكننا أن نقوم بتدوير الثقب الأسود بسرعةٍ كافية لتفكيكه وتحطيمه لأجزاءٍ منفصلة.

ميزة الديناميكا الحرارية للثقب الأسود هو أنها توفر طريقةً للحصول على وسيلةٍ للتّعامل مع التفاعلات المُعقدة للثقوب السوداء، كما أن الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء لا تتعامل فقط مع الكتلة، الشحنة، ودوران الثقب، بل تتعامل أيضاً مع درجة حرارته والانتروبي.

إذاً، فإن قواعد الديناميكا الحرارية الكلاسيكية قد وضعت بداية الأمر من أجل توصيف السلوك الحراري، وسلوك الغازات، ولكنه يبدو أننا نستطيع اليوم استخدامها من أجل توصيف سلوك ظواهر كونية فائقة وهائلة، مثل الثقوب السوداء.

المصدر:
http://phys.org/news/2014-09-black-hole-thermodynamics.html

للمزيد عن الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء:
http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_thermodynamics
http://www.physics.umd.edu/grt/taj/776b/lectures.pdf

من صفحة الفزيائيون على الفايسبوك
https://www.facebook.com/ThePhysicistsArabic?fref=ts