ستيفن هوكينج: المعلومات والسيرة والمؤلفات، والنظريات

ستيفن هوكينج، بالكامل ستيفن ويليام هوكينج، (من مواليد 8 يناير 1942، أكسفورد، أوكسفورد شاير، إنجلترا -توفي في 14 مارس 2018، كامبريدج، كامبريدجشير)، عالم الفيزياء النظرية الإنجليزي الذي استندت نظريته في انفجار الثقوب السوداء إلى كل من نظرية النسبية وميكانيكا الكم. كما عمل أيضًا مع تفردات الزمكان.

الدراسة

درس هوكينج الفيزياء في جامعة أكسفورد (بكالوريوس، 1962)، وTrinity Hall، كامبريدج (دكتوراه، 1966). تم انتخابه زميلًا باحثًا في Gonville and Caius College في كامبريدج. في أوائل الستينيات من القرن الماضي، أصيب هوكينج بالتصلب الجانبي الضموري، وهو مرض عصبي عضلي تنكسي غير قابل للشفاء. واصل العمل على الرغم من آثار المرض المعوقة بشكل تدريجي.

دراسته للثقوب السوداء

عمل هوكينج بشكل أساسي في مجال النسبية العامة وخاصة في فيزياء الثقوب السوداء. في عام 1971، اقترح تشكيل العديد من الأجسام التي تحتوي على ما يصل إلى مليار طن من الكتلة، ولكنها تشغل مساحة البروتون فقط.

هذه الأجسام، التي تسمى الثقوب السوداء الصغيرة، فريدة من نوعها من حيث أن كتلتها الهائلة وجاذبيتها تتطلب أن تحكمها قوانين النسبية، بينما يتطلب حجمها الصغير أن تنطبق عليها قوانين ميكانيكا الكم أيضًا.

في عام 1974 اقترح هوكينج أنه وفقًا لتوقعات نظرية الكم، فإن الثقوب السوداء تنبعث منها جسيمات دون ذرية حتى تستنفد طاقتها وتنفجر أخيرًا. حفز عمل هوكينغ الجهود المبذولة لتحديد خصائص الثقوب السوداء نظريًا، وهي أجسام كان يُعتقد سابقًا أنه لا يمكن معرفة أي شيء عنها. كان عمله مهمًا أيضًا لأنه أظهر علاقة هذه الخصائص بقوانين الديناميكا الحرارية الكلاسيكية وميكانيكا الكم.

التكريمات

أكسبته مساهمات هوكينج في الفيزياء العديد من التكريمات الاستثنائية. في عام 1974، انتخبته الجمعية الملكية أحد أصغر زملائها. أصبح أستاذًا لفيزياء الجاذبية في كامبريدج في عام 1977، وفي عام 1979 تم تعيينه في منصب أستاذ لوكاسيان للرياضيات في كامبريدج، وهو المنصب الذي شغله إسحاق نيوتن سابقًا. حصل هوكينغ على وسام الإمبراطورية البريطانية (CBE) عام 1982 ورفيق الشرف عام 1989. كما حصل على وسام كوبلي من الجمعية الملكية عام 2006 وميدالية الحرية الرئاسية الأمريكية عام 2009. في عام 2008 قبلت كرسي بحث زائر في معهد Perimeter للفيزياء النظرية في واترلو، أونتاريو، كندا.

مؤلفات ستيفن هوكينج

تضمنت منشوراته The Large Scale Structure of Space-Time 1973؛ شارك في تأليفه مع GFR Ellis، الفضاء الفائق والجاذبية الفائقة (1981)، الكون المبكر جدًا (1983)، وأفضل الكتب مبيعًا تاريخ موجز للوقت: من الانفجار العظيم إلى الثقوب السوداء (1988)، الكون باختصار (2001)، تاريخ موجز للوقت (2005)، والتصميم الكبير (2010؛ شارك في تأليفه ليونارد مولودينو).

ما هو الثقب الأسود؟

الثقب الأسود، جسم كوني شديد الجاذبية لا يستطيع أي شيء الهروب منه، ولا حتى الضوء. يمكن أن تتشكل من خلال موت نجم ضخم. عندما يستنفد مثل هذا النجم الوقود النووي الحراري الداخلي في نواته في نهاية حياته، يصبح اللب غير مستقر وينهار جاذبيًا داخليًا على نفسه، وتتطاير الطبقات الخارجية للنجم بعيدًا. يضغط الوزن الساحق للمادة المكونة المتساقطة من جميع الجوانب على النجم المحتضر إلى نقطة حجمها صفر وكثافة لانهائية تسمى التفرد.

تتشكل الثقوب السوداء عندما تموت النجوم الضخمة. قوة الجاذبية الشديدة التي يمارسونها لا تسمح لأي شيء بالهروب.

تفاصيل بنية الثقب الأسود

تم حساب تفاصيل بنية الثقب الأسود من نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين. يشكل التفرد مركز الثقب الأسود ويتم إخفاؤه بواسطة “سطح” الكائن، أفق الحدث. داخل أفق الحدث، تتجاوز سرعة الهروب (أي السرعة المطلوبة للهروب من مجال الجاذبية لجسم كوني) سرعة الضوء، بحيث لا يمكن حتى لأشعة الضوء الهروب إلى الفضاء. يُطلق على نصف قطر أفق الحدث اسم Schwarzschild radius، على اسم عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد، الذي تنبأ في عام 1916 بوجود أجسام نجمية منهارة لا تصدر أي إشعاعات. يتناسب حجم نصف قطر Schwarzschild مع كتلة النجم المنهار. بالنسبة لثقب أسود كتلته أكبر بعشرة أضعاف كتلة الشمس، فإن نصف قطرها سيكون 30 كم (18.6 ميلاً).

فقط النجوم الأكثر ضخامة -تلك التي تزيد كتلتها عن ثلاث كتل شمسية -تصبح ثقوبًا سوداء في نهاية حياتها. النجوم ذات الكتلة الأقل تتطور إلى أجسام أقل ضغطًا، إما أقزام بيضاء أو نجوم نيوترونية.

لا يمكن عادة ملاحظة الثقوب السوداء بشكل مباشر بسبب صغر حجمها وحقيقة أنها لا تصدر أي ضوء. ومع ذلك، يمكن “ملاحظتها” من خلال تأثيرات مجالات جاذبيتها الهائلة على المادة القريبة. على سبيل المثال، إذا كان الثقب الأسود عضوًا في نظام نجمي ثنائي، فإن المادة التي تتدفق إليه من رفيقه تصبح ساخنة بشكل مكثف ثم تشع الأشعة السينية بغزارة قبل دخول أفق الحدث للثقب الأسود وتختفي إلى الأبد.

أحد النجوم المكونة لنظام الأشعة السينية الثنائي Cygnus X-1 هو الثقب الأسود. تم اكتشاف هذا الثنائي في عام 1971 في كوكبة الدجاجة، ويتكون هذا الثنائي من عملاق أزرق ورفيق غير مرئي 14.8 ضعف كتلة الشمس التي تدور حول بعضها البعض في فترة 5.6 أيام.

يبدو أن بعض الثقوب السوداء لها أصول غير نجمية. تكهن العديد من علماء الفلك بأن كميات كبيرة من الغاز بين النجوم تتجمع وتنهار في ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكز الكوازارات والمجرات. يُقدر أن كتلة الغاز التي تسقط بسرعة في الثقب الأسود تعطي أكثر من 100 مرة من الطاقة التي تطلقها نفس الكمية من الكتلة من خلال الاندماج النووي. وفقًا لذلك، فإن انهيار ملايين أو بلايين الكتل الشمسية من الغاز بين النجوم تحت تأثير قوة الجاذبية في ثقب أسود كبير من شأنه أن يفسر الطاقة الهائلة الناتجة عن الكوازارات وأنظمة مجرية معينة.

أحد هذه الثقوب السوداء الهائلة، القوس A *، موجود في مركز مجرة ​​درب التبانة. توضح ملاحظات النجوم التي تدور حول موقع القوس A * وجود ثقب أسود بكتلة تعادل أكثر من 4،000،000 شمس. (بالنسبة لهذه الملاحظات، مُنح الفلكي الأمريكي أندريا جيز وعالم الفلك الألماني راينهارد جينزل جائزة نوبل للفيزياء لعام 2020).

تم اكتشاف الثقوب السوداء الهائلة في المجرات الأخرى أيضًا. في عام 2017، حصل Event Horizon Telescope على صورة للثقب الأسود الهائل في وسط مجرة ​​M87. كتلة هذا الثقب الأسود تساوي ستة مليارات ونصف المليار شمس، لكن قطره لا يتجاوز 38 مليار كيلومتر (24 مليار ميل).

كان أول ثقب أسود يتم تصويره مباشرة. يمكن الاستدلال على وجود ثقوب سوداء أكبر، يبلغ حجم كل منها 10 مليارات شمس، من التأثيرات النشطة للغاز الذي يحوم بسرعات عالية للغاية حول مركز مجرتَي NGC 3842 وNGC  4889 بالقرب من مجرة ​​درب التبانة.

اقترح عالم الفيزياء الفلكية البريطاني ستيفن هوكينج وجود نوع آخر من الثقوب السوداء غير النجمية. وفقًا لنظرية هوكينج، فإن العديد من الثقوب السوداء البدائية الصغيرة، التي ربما تكون كتلتها تساوي أو تقل عن كتلة كويكب، قد نشأت خلال الانفجار العظيم، وهي حالة من درجات الحرارة المرتفعة للغاية والكثافة التي نشأ فيها الكون منذ 13.8 مليار سنة. هذه الثقوب السوداء الصغيرة المزعومة، مثل الأنواع الأكثر ضخامة، تفقد كتلتها بمرور الوقت من خلال إشعاع هوكينغ وتختفي. إذا كانت بعض نظريات الكون التي تتطلب أبعادًا إضافية صحيحة، فقد ينتج عن مصادم الهادرونات الكبير عددًا كبيرًا من الثقوب السوداء الصغيرة.