Ten spyte van die kompleksiteit van die onderwerp, bied Princeton Universiteit professor Stephen Gubser 'n bondige, toeganklike en vermaaklike inleiding tot een van die mees gedebatteerde areas van fisika vandag. Swart gate is werklike voorwerpe, nie net 'n gedagte-eksperiment nie! Swart gate is uiters gerieflik uit 'n teoretiese oogpunt, aangesien hulle wiskundig baie eenvoudiger is as die meeste astrofisiese voorwerpe, soos sterre. Dinge raak vreemd as dit blyk dat swart gate tog nie regtig so swart is nie.
Wat is werklik in hulle? Hoe kan jy jou voorstel om in 'n swart gat te val? Of dalk val ons reeds daarin en weet ons nog net nie daarvan nie?
In Kerr-meetkunde is daar geodesiese bane, heeltemal ingesluit in die ergosfeer, met die volgende eienskap: deeltjies wat daarlangs beweeg, het negatiewe potensiële energieë wat in absolute waarde swaarder weeg as die rusmassas en kinetiese energieë van hierdie deeltjies saam. Dit beteken dat die totale energie van hierdie deeltjies negatief is. Dit is hierdie omstandigheid wat in die Penrose-proses gebruik word. Terwyl hy in die ergosfeer is, skiet die skip wat energie onttrek 'n projektiel op so 'n manier dat dit langs een van hierdie wentelbane met negatiewe energie beweeg. Volgens die wet van behoud van energie kry die skip voldoende kinetiese energie om te vergoed vir die verlore rusmassa gelykstaande aan die energie van die projektiel, en boonop om die positiewe ekwivalent van die netto negatiewe energie van die projektiel te verkry. Aangesien die projektiel in 'n swart gat moet verdwyn nadat dit afgevuur is, sal dit goed wees om dit van 'n soort afval te maak. Aan die een kant sal die swart gat steeds enigiets eet, maar aan die ander kant sal dit meer energie aan ons teruggee as wat ons belê het. Dus, daarbenewens sal die energie wat ons koop "groen" wees!
Die maksimum hoeveelheid energie wat uit 'n Kerr-swartgat onttrek kan word, hang af van hoe vinnig die gat tol. In die mees ekstreme geval (teen die maksimum moontlike rotasiespoed) maak die rotasie-energie van ruimtetyd ongeveer 29% van die totale energie van die swart gat uit. Dit lyk dalk nie na veel nie, maar onthou dat dit 'n fraksie van die totale rusmassa is! Ter vergelyking, onthou dat kernreaktors wat deur radioaktiewe vervalenergie aangedryf word minder as een tiende van een persent van die energie ekwivalent aan rusmassa gebruik.
Die geometrie van ruimtetyd binne die horison van 'n draaiende swart gat verskil dramaties van Schwarzschild-ruimtetyd. Kom ons volg ons ondersoek en kyk wat gebeur. Aanvanklik lyk alles soortgelyk aan die Schwarzschild-saak. Soos voorheen begin ruimtetyd ineenstort, en sleep alles daarmee saam na die middel van die swart gat, en getykragte begin groei. Maar in die Kerr-geval, voordat die radius na nul gaan, vertraag die ineenstorting en begin omkeer. In 'n vinnig roterende swart gat sal dit gebeur lank voordat getykragte sterk genoeg word om die integriteit van die sonde te bedreig. Om intuïtief te verstaan hoekom dit gebeur, laat ons onthou dat in Newtoniaanse meganika, tydens rotasie, 'n sogenaamde sentrifugale krag ontstaan. Hierdie krag is nie een van die fundamentele fisiese kragte nie: dit ontstaan as gevolg van die gekombineerde werking van fundamentele kragte, wat nodig is om 'n toestand van rotasie te verseker. Die resultaat kan beskou word as 'n effektiewe krag wat na buite gerig is—sentrifugale krag. Jy voel dit op 'n skerp draai in 'n vinnig bewegende motor. En as jy al ooit op 'n karrousel was, weet jy dat hoe vinniger dit tol, hoe stywer moet jy die relings vashou want as jy los, sal jy uitgegooi word. Hierdie analogie vir ruimte-tyd is nie ideaal nie, maar dit kry die punt korrek oor. Die hoekmomentum in die ruimtetyd van 'n Kerr-swartgat verskaf 'n effektiewe sentrifugale krag wat die gravitasietrek teenwerk. Soos die ineenstorting binne die horison ruimtetyd na kleiner radiusse trek, neem die sentrifugale krag toe en word uiteindelik in staat om eers die ineenstorting teë te werk en dit dan om te keer.
Op die oomblik wanneer die ineenstorting stop, bereik die sonde 'n vlak wat die binnehorison van die swart gat genoem word. Op hierdie stadium is getykragte klein, en die sonde, sodra dit die gebeurtenishorison oorgesteek het, neem slegs 'n beperkte hoeveelheid tyd om dit te bereik. Net omdat ruimtetyd opgehou het om in duie te stort, beteken dit egter nie dat ons probleme verby is en dat die rotasie op een of ander manier die singulariteit binne die Schwarzschild-swartgat uitgeskakel het nie. Dit is nog ver weg! Roger Penrose en Stephen Hawking het immers in die middel-1960's 'n stelsel van singulariteitstellings bewys, waaruit dit gevolg het dat as daar 'n gravitasie-ineenstorting was, selfs 'n kort een, dan 'n vorm van singulariteit as gevolg daarvan moes vorm. In die Schwarzschild-geval is dit 'n allesomvattende en alles-verpletterende singulariteit wat alle ruimte binne die horison onderwerp. In Kerr se oplossing tree die singulariteit anders op en, ek moet sê, heel onverwags. Wanneer die sonde die binneste horison bereik, openbaar die Kerr-singulariteit sy teenwoordigheid - maar dit blyk in die oorsaaklike verlede van die sonde se wêreldlyn te wees. Dit was asof die singulariteit altyd daar was, maar nou eers het die sonde gevoel hoe sy invloed dit bereik. Jy sal sê dat dit fantasties klink, en dit is waar. En daar is verskeie inkonsekwenthede in die prentjie van ruimte-tyd, waaruit dit ook duidelik is dat hierdie antwoord nie as finaal beskou kan word nie.
Die eerste probleem met 'n singulariteit wat in die verlede verskyn van 'n waarnemer wat die innerlike horison bereik, is dat Einstein se vergelykings op daardie oomblik nie uniek kan voorspel wat met ruimtetyd buite daardie horison sal gebeur nie. Dit wil sê, in 'n sekere sin kan die teenwoordigheid van 'n singulariteit tot enigiets lei. Miskien kan wat werklik sal gebeur aan ons verduidelik word deur die teorie van kwantumswaartekrag, maar Einstein se vergelykings gee ons geen kans om te weet nie. Net uit belangstelling beskryf ons hieronder wat sou gebeur as ons vereis dat die snypunt van die ruimtetydhorison so glad as wiskundig moontlik moet wees (as die metrieke funksies, soos wiskundiges sê, "analities" was), maar daar is geen duidelike fisiese basis nie. vir so 'n aanname No. In wese suggereer die tweede probleem met die innerlike horison presies die teenoorgestelde: in die werklike Heelal, waarin materie en energie buite swart gate bestaan, word ruimtetyd by die binnehorison baie grof, en 'n lusagtige singulariteit ontwikkel daar. Dit is nie so vernietigend soos die oneindige getykrag van die singulariteit in die Schwarzschild-oplossing nie, maar die teenwoordigheid daarvan skep in elk geval twyfel oor die gevolge wat volg uit die idee van gladde analitiese funksies. Miskien is dit 'n goeie ding - die aanname van analitiese uitbreiding behels baie vreemde dinge.
In wese werk 'n tydmasjien in die gebied van geslote tydagtige krommes. Ver van die singulariteit is daar geen geslote tydagtige krommes nie, en afgesien van die afstootkragte in die gebied van die singulariteit, lyk ruimtetyd heeltemal normaal. Daar is egter trajekte (hulle is nie geodeties nie, so jy benodig 'n vuurpylmotor) wat jou na die streek van geslote tydagtige kurwes sal neem. As jy eers daar is, kan jy in enige rigting langs die t-koördinaat beweeg, wat die tyd van die verre waarnemer is, maar in jou eie tyd sal jy nog altyd vorentoe beweeg. Dit beteken dat jy na enige tyd kan gaan wat jy wil, en dan kan terugkeer na 'n verre deel van ruimte-tyd - en selfs daar aankom voor jy gaan. Natuurlik, nou word al die paradokse wat verband hou met die idee van tydreis tot lewe: byvoorbeeld, wat as jy, deur 'n tydstap te neem, jou vorige self oortuig het om dit op te gee? Maar of sulke soorte ruimte-tyd kan bestaan en hoe die paradokse wat daarmee gepaard gaan opgelos kan word, is vrae buite die bestek van hierdie boek. Net soos met die probleem van die "blou singulariteit" op die binnehorison, bevat algemene relatiwiteit egter aanduidings dat streke van ruimte-tyd met geslote tydagtige krommes onstabiel is: sodra jy probeer om 'n soort hoeveelheid massa of energie te kombineer , kan hierdie streke enkelvoud word. Boonop, in die roterende swart gate wat in ons Heelal vorm, is dit die "blou singulariteit" self wat die vorming van 'n streek van negatiewe massas (en al Kerr se ander heelalle waarheen wit gate lei) kan voorkom. Nietemin is die feit dat algemene relatiwiteit sulke vreemde oplossings toelaat, intrigant. Natuurlik is dit maklik om hulle 'n patologie te verklaar, maar laat ons nie vergeet dat Einstein self en baie van sy tydgenote dieselfde ding oor swart gate gesê het nie.
» Vir meer inligting oor die boek, besoek asseblief
Vir Khabrozhiteli 25% afslag op die koepon - Swart gate
By betaling vir die papierweergawe van die boek sal 'n elektroniese weergawe van die boek per e-pos gestuur word.
Bron: will.com