מאז שגילו המדענים לראשונה את קיומם של חורים שחורים ביקום שלנו, כולנו תהינו: מה יכול להיות שקיים מעבר לרעלה של אותו חלל נורא? בנוסף, מאז שהוצעה לראשונה תיאוריית היחסות הכללית, נאלצו המדענים לתהות, מה יכול היה להתקיים לפני לידתו של היקום - כלומר לפני המפץ הגדול?
באופן מעניין, שתי השאלות הללו באו להיפתר (על פי אופנה) עם קיומו התיאורטי של משהו המכונה Singularity Gravitational - נקודה בזמן-חלל בו חוקי הפיזיקה כפי שאנו מכירים אותם מתפרקים. ובעוד שנותרו אתגרים וסוגיות לא פתורות לגבי תיאוריה זו, מדענים רבים מאמינים שמתחת לרעלה של אופק אירועים, ובתחילת היקום, זה היה מה שקיים.
הגדרה:
במונחים מדעיים, ייחודיות כבידה (או ייחודיות במרחב-זמן) היא מקום בו הכמויות המשמשות למדידת שדה הכבידה הופכות לאינסופיות באופן שאינו תלוי במערכת הקואורדינטות. במילים אחרות, זו נקודה שבה כל החוקים הפיזיים אינם ניתנים להבדלה זה מזה, כאשר המרחב והזמן אינם עוד מציאויות קשורות זו בזו, אלא מתמזגים להבדיל ומפסיקים להיות בעלי משמעות עצמאית כלשהי.
מקור התיאוריה:
תחומי הייחודיות התבססו לראשונה כתוצאה מתורת היחסות הכללית של איינשטיין, שהביאה לקיומם התיאורטי של חורים שחורים. בעיקרו של דבר, התיאוריה ניבאה כי כל כוכב שיגיע מעבר לנקודה מסוימת במסה שלו (המכונה רדיוס שוורצשילד) יפעיל כוח כבידה כה עז עד שהוא יקרוס.
בשלב זה שום דבר לא יצליח לברוח משטחו, כולל אור. זאת בשל העובדה שכוח הכבידה יעלה על מהירות האור בוואקום - 299,792,458 מטר לשנייה (1,079,252,848.8 קמ"ש; 670,616,629 קמ"ש).
תופעות אלה ידועות בשם מגבלת צ'נדרסכר, הנקראת על שם האסטרופיזיקאי ההודי הסברהרמניאן צ'נדראסקהאר, שהציע אותה בשנת 1930. נכון להיום, הערך המקובל של גבול זה הוא 1.39 מסות שמש (כלומר פי 1.39 מכמות שמשנו), מה שמסתכם בכמות 2.765 על 1030 ק"ג (או 2,765 טריליון טריליון טון מטרי).
היבט נוסף של היחסות הכללית המודרנית הוא שבעת המפץ הגדול (כלומר המצב הראשוני של היקום) היה ייחודיות. רוג'ר פנרוז וסטיבן הוקינג פיתחו שניהם תיאוריות שניסו לענות כיצד יכולת הכבידה לייצר ייחודיות, שבסופו של דבר התמזגו זו בזו לכינוי "משפטים ייחודיים של פנרוז-הוקינג".
על פי משפט סינגולריות פנרוזה, אותו הציע בשנת 1965, ייחודיות דמוית זמן תתרחש בתוך חור שחור בכל פעם שהחומר יגיע לתנאי אנרגיה מסוימים. בשלב זה, עקמומיות החלל-זמן בתוך החור השחור הופכת לאינסופית, ובכך הופכת אותו למשטח לכוד שבו הזמן מפסיק לתפקד.
משפט הסינגולריות של הוקינג הוסיף לכך באומרו כי יכולת להתרחש ייחודיות דמוית חלל כאשר החומר נדחס בכוח עד כדי נקודה, וגורם לכללים המפקחים על החומר להתפרק. הוקינג התחקה אחר כך במפץ הגדול, שלטענתו היה נקודה של צפיפות אינסופית. עם זאת, מאוחר יותר הוקינג תיקן זאת וטען כי תורת היחסות הכללית מתפרקת לפעמים לפני המפץ הגדול, ומכאן שלא ניתן היה לחזות אותה שום ייחודיות.
כמה הצעות אחרונות אף מראות כי היקום לא התחיל כסינגולריות. אלה כוללים תיאוריות כמו Loop Quantum Gravity, המנסה לאחד את חוקי הפיזיקה הקוונטית עם כוח המשיכה. תיאוריה זו קובעת שבגלל השפעות הכבידה הקוונטית יש מרחק מינימלי שמעליו הכבידה כבר לא ממשיכה להתגבר, או שגלי החלקיקים המוחדרים מסווים אפקטים של כבידה שיורגשו במרחק.
סוגי יחידים:
שני הסוגים החשובים ביותר של ייחודיות במרחב-זמן ידועים בשם Singularities Curvature ו- Conical Singularities. ניתן לחלק את הסינגולריות גם אם הם מכוסים באופק אירועים או לא. במקרה של הראשון, יש לך את העקמומיות והחרוטית; בעוד שבאחרון יש לך מה שמכונה סינגולריות עירום.
ייחודיות של עקמומיות מודגמת בצורה הטובה ביותר על ידי חור שחור. במרכז חור שחור, החלל-זמן הופך לנקודה חד-ממדית המכילה מסה אדירה. כתוצאה מכך כוח המשיכה הופך להיות אינסופי ועקומות חלל-זמן עד אין קץ, וחוקי הפיזיקה כפי שאנו מכירים אותם מפסיקים לפעול.
ייחודיות חרוטיות מתרחשות כשיש נקודה שהגבול של כל כמות משתנה כללית הוא סופי. במקרה זה, מרחב-זמן נראה כמו חרוט סביב נקודה זו, בה הסינגולריות ממוקמת בקצה החרוט. דוגמה לייחודיות חרוטית שכזו היא מיתר קוסמי, סוג של נקודה חד ממדית היפותטית, שלפי ההערכות נוצר במהלך היקום הקדום.
וכאמור, יש את הסינגולריות העירומה, סוג של ייחודיות שאינה מוסתרת מאחורי אופק אירועים. אלה התגלו לראשונה בשנת 1991 על ידי שפירו וטקולסקי באמצעות הדמיות מחשב של מטוס אבק מסתובב שהצביע על כך שהיחסות הכללית עשויה לאפשר ייחודיות "עירומה".
במקרה זה, מה שמתרחש בפועל בתוך חור שחור (כלומר הייחודיות שלו) יהיה גלוי. ייחודיות כזו תהיה תיאורטית מה שהיה קיים לפני המפץ הגדול. מילת המפתח כאן היא תיאורטית, שכן היא נותרה בגדר תעלומה כיצד היו נראים אובייקטים אלה.
כרגע, ייחודיות ומה שבאמת נמצא מתחת לרעלה של חור שחור נותר בגדר תעלומה. ככל שעובר הזמן, יש לקוות שאסטרונומים יוכלו ללמוד חורים שחורים ביתר פירוט. יש לקוות שבעשורים הקרובים מדענים ימצאו דרך למזג את עקרונות מכניקת הקוונטים עם כוח המשיכה וכי הדבר ישפוך אור נוסף על אופן פעולתו של כוח מסתורי זה.
יש לנו הרבה מאמרים מעניינים על ייחודיות כבידה כאן במגזין החלל. להלן 10 עובדות מעניינות על חורים שחורים, איך היה נראה חור שחור ?, האם המפץ הגדול היה רק חור שחור ?, להתראות ביג המפץ, שלום חור שחור ?, מיהו סטיבן הוקינג ?, ומה בצד השני של חור שחור?
אם תרצה לקבל מידע נוסף על ייחודיות, עיין במאמרים אלה מ- NASA ו- Physlink.
לאסטרונומיה קאסט יש כמה פרקים רלוונטיים בנושא. הנה פרק 6: עוד הוכחות למפץ הגדול, ולפרק 18: חורים שחורים גדולים וקטנים ופרק 21: שאלות על חור שחור שנענו.
מקורות:
- ויקיפדיה - סינגולריות כבידה
- סטיבן הוקינג - תחילת הזמן
- הפיזיקה של היקום - יחידים
- איינשטיין און ליין - יחידות מרחביות
