Нягледзячы на складанасць разгляданай тэмы, прафесар Прынстанскага ўніверсітэта Стывен Габсер прапануе ёмістае, даступнае і займальнае ўвядзенне ў гэтую адну з найбольш абмяркоўваюцца сёння абласцей фізікі. Чорныя дзюры - гэта рэальныя аб'екты, а не проста разумовы эксперымент! Чорныя дзюры выключна зручныя з пункта гледжання тэорыі, бо матэматычна яны значна прасцей большасці астрафізічных аб'ектаў, напрыклад зорак. Дзівацтвы пачынаюцца, калі высвятляецца, што чорныя дзюры ў рэчаіснасці не такія ўжо чорныя.
Што ж у рэчаіснасці знаходзіцца ўсярэдзіне іх? Як можна ўявіць сабе падзенне ў чорную дзірку? А можа, мы ўжо падаем у яе і проста яшчэ не ведаем пра гэта?
У геаметрыі Кера існуюць геадэзічныя арбіты, цалкам зняволеныя ў эргасферу, з наступнай уласцівасцю: якія рухаюцца па іх часціцы маюць адмоўныя патэнцыйныя энергіі, якія перавешваюць па абсалютнай велічыні масы супакою і кінэтычныя энергіі гэтых часціц, разам узятыя. Гэта азначае, што поўная энергія гэтых часціц адмоўная. Менавіта гэтая акалічнасць і выкарыстоўваецца падчас Пенроўза. Знаходзячыся ўсярэдзіне эргасферы, карабель, які здабывае энергію, выстрэльвае снарад такім чынам, што той рухаецца па адной з такіх арбіт з адмоўнай энергіяй. Згодна з законам захавання энергіі карабель атрымлівае дастатковую кінетычную энергію для таго, каб скампенсаваць страчаную масу спакою, эквівалентную энергіі снарада, і ў дадатак атрымаць станоўчы эквівалент чыстай адмоўнай энергіі снарада. Бо снарад пасля стрэлу павінен знікнуць у чорнай дзірцы, тое яго добра бы вырабіць з якіх-небудзь адыходаў. З аднаго боку, чорная дзірка ўсё роўна злопае ўсё што заўгодна, а з другога - гэта верне нам больш энергіі, чым мы ўклалі. Так што ў дадатак набытая намі энергія будзе "зялёнай"!
Максімальная колькасць энергіі, якая можа быць вынята з керровской чорнай дзюры, залежыць ад таго, наколькі хутка дзірка круціцца. У самым крайнім выпадку (пры максімальна магчымай хуткасці кручэння) на дзель энергіі кручэння прасторы-часу прыходзіцца прыкладна 29 % поўнай энергіі чорнай дзіркі. Магчыма, вам здасца, што гэта не вельмі шмат, але не забудзьцеся, што гэта доля поўнай масы спакою! Для параўнання ўспомніце, што ядзерныя рэактары, якія працуюць на энергіі радыеактыўнага распаду, выкарыстоўваюць менш за адну дзесятую працэнта энергіі, эквівалентнай масе спакою.
Геаметрыя прасторы-часу ўнутры гарызонту верціцца чорнай дзіркі рэзка адрозніваецца ад прасторы-часу Шварцшыльда. Рушым услед за нашым зондам і паглядзім, што адбудзецца. Спачатку ўсё выглядае падобным на выпадак Шварцшыльда. Як і раней, прастора-час пачынае калапсаваць, захапляючы ўсё ўслед за сабой у напрамку да цэнтра чорнай дзіркі, а прыліўныя сілы пачынаюць расці. Але ў Кераўскай выпадку перш, чым радыус звернецца ў нуль, калапс запавольваецца і пачынае ісці назад. У хутка якая верціцца чорнай дзірцы гэта адбудзецца задаўга да таго, як прыліўныя сілы стануць досыць вялікімі, каб пагражаць цэласці зонда. Каб інтуітыўна зразумець, чаму гэта адбываецца, успомнім, што ў ньютонаўскай механіцы пры кручэнні ўзнікае так званая цэнтрабежная сіла. Гэтая сіла не адносіцца да ліку фундаментальных фізічных сіл: яна ўзнікае з прычыны сумеснага дзеяння фундаментальных сіл, якое неабходна, каб забяспечыць стан кручэння. Вынік можна ўявіць як эфектыўную сілу, накіраваную па-за, - цэнтрабежную сілу. Вы адчуваеце яе на стромкім павароце ў хутка які рухаецца аўтамабілі. І калі вы калі-небудзь каталіся на каруселі, вы ведаеце, што чым хутчэй яна круціцца, тым мацней вам даводзіцца хапацца за поручні, бо калі вы іх адпусціце, вас выкіне вонкі. Гэтая аналогія для прасторы-часу не ідэальная, але сутнасць яна перадае дакладна. Момант імпульсу ў прасторы-часе кераўскай чорнай дзіркі забяспечвае эфектыўную цэнтрабежную сілу, якая процідзейнічае гравітацыйнаму прыцягненню. Калі калапс усярэдзіне гарызонтаў сцягвае прастору-час да меншых радыусаў, цэнтрабежная сіла павялічваецца і ў рэшце рэшт становіцца здольнай спачатку супрацьдзейнічаць калапсу, а затым і звярнуць яго назад.
У момант, калі калапс спыняецца, зонд дасягае ўзроўню, які называецца унутраным гарызонтам чорнай дзіркі. У гэтай кропцы прыліўныя сілы невялікія, і зонду, пасля таго, як ён перасёк гарызонт падзей, патрабуецца толькі некаторы канчатковы час, каб дасягнуць яе. Аднак адно толькі спыненне калапсу прасторы-часу яшчэ не азначае, што нашы праблемы ззаду і што кручэнне нейкім чынам прывяло да ўхілення сінгулярнасці ўсярэдзіне шварцшыльдаўскай чорнай дзіркі. Да гэтага пакуль далёка! Бо яшчэ ў сярэдзіне 1960-х Роджэр Пенроўз і Стывен Хокінга даказалі сістэму тэарэм аб сінгулярнасці, з якіх вынікала, што калі ўжо здарыўся гравітацыйны калапс, хай і кароткі, то ў выніку павінна ўтварыцца нейкая форма сінгулярнасці. У шварцшыльдаўскім выпадку гэта ўсёабдымная і ўсёзьнішчальная сынгулярнасьць, якая падпарадкоўвае сабе ўсю прастору ўнутры гарызонту. У рашэнні Кера сінгулярнасць паводзіць сябе па-іншаму і, трэба сказаць, даволі нечакана. Калі зонд дасягае ўнутранага гарызонту, кераўская сінгулярнасць выяўляе сваю прысутнасць - але аказваецца, што гэта адбываецца ў прычынным мінулым сусветнай лініі зонда. Гэта як калі б сінгулярнасць была там заўсёды, але толькі зараз зонд адчуў, як яе ўплыў дасягнуў яго. Вы скажаце, што гэта гучыць фантастычна, і гэта праўда. І ёсць некалькі нязгоднасцяў у карціне прасторы-часу, з якіх таксама бачна, што гэты адказ нельга лічыць канчатковым.
Першая праблема з сінгулярнасцю, якая з'яўляецца ў мінулым назіральніка, які дасягае ўнутранага гарызонту, заключаецца ў тым, што ў гэты момант раўнанні Эйнштэйна не могуць адназначна прадказаць, што адбудзецца з прасторай-часам па-за гэтым гарызонтам. Гэта значыць, у некаторым сэнсе прысутнасць сінгулярнасці можа прывесці да чаго заўгодна. Магчыма, тое, што адбудзецца насамрэч, зможа нам растлумачыць тэорыя квантавай гравітацыі, але ўраўненні Эйнштэйна не даюць нам ніякіх шанцаў гэта даведацца. Проста з цікавасці мы апішам ніжэй, што адбудзецца, калі запатрабаваць, каб скрыжаванне гарызонту прасторы-часу было настолькі гладкім, наколькі гэта матэматычна магчыма (калі функцыі метрыкі будуць, як кажуць матэматыкі, "аналітычнымі"), але ніякіх ясных фізічных падстаў для такой здагадкі не. Па сутнасці, другая праблема з унутраным гарызонтам мяркуе роўна адваротнае: у рэальным Сусвеце, у якім рэчыва і энергія існуюць і па-за чорнымі дзіркамі, прастора-час ва ўнутранага гарызонту становіцца вельмі негладкім, і там развіваецца петлепадобная сінгулярнасць. Яна дзейнічае не гэтак разбуральна, як бясконцая прыліўная сіла сінгулярнасці ў рашэнні Шварцшыльда, але ўжо ва ўсякім разе яе прысутнасць прымушае сумнявацца ў следствах, якія выцякаюць з падання аб гладкіх аналітычных функцыях. Магчыма, гэта і добра - ужо вельмі дзіўныя рэчы цягне за сабой здагадку аб аналітычным пашырэнні.
У сутнасці, у вобласці замкнёных часупадобных крывых працуе машына часу. Удалечыні ад сінгулярнасці не існуе ніякіх замкнёных часоподобных крывых, і калі не лічыць сіл адштурхвання ў раёне сінгулярнасці, прастора-час выглядае зусім звычайна. Аднак існуюць траекторыі руху (яны не геадэзічныя, так што вам спатрэбіцца ракетны рухавік) якія даставяць вас у вобласць замкнёных часападобных крывых. Як толькі вы апынецеся там, вы зможаце рухацца ў любым кірунку па каардынаце t, якая паказвае час выдаленага назіральніка, але па вашым уласным часе вы ўсё роўна заўсёды будзеце рухацца наперад. А гэта значыць, што вы можаце адправіцца ў любы момант часу t, у які захочаце, а потым вярнуцца ў выдаленую частку прасторы-часу - і нават прыбыць туды да таго, як адправіцеся. Вядома, зараз ажываюць усе парадоксы, злучаныя з ідэяй вандраванняў у часе: напрыклад, што, калі б, здзейсніўшы шпацыр у часе, вы пераканалі ваша мінулае «я» адмовіцца ад яе? Але ці могуць існаваць такія віды прасторы-часу і як могуць быць вырашаны звязаныя з гэтым парадоксы - пытанні, якія выходзяць за рамкі гэтай кнігі. Аднак, гэтак жа як і ў выпадку з праблемай «блакітнай сінгулярнасці» на ўнутраным гарызонце, агульная тэорыя адноснасці змяшчае ўказанні на тое, што вобласці прасторы-часу з замкнёнымі часападобнымі крывымі няўстойлівыя: як толькі вы паспрабуеце сумясціць з адной з гэтых крывых нейкае колькасць масы або энергіі, гэтыя вобласці могуць стаць сінгулярнымі. Больш таго, у якія верцяцца чорных дзюрах, якія ўтвараюцца ў нашым Сусвеце, менавіта «блакітная сінгулярнасць» сама па сабе можа не даць утварыцца вобласці адмоўных мас (і ўсім кераўскім іншым сусветам, у якія вядуць белыя дзюры). Тым не менш тое, што агульная тэорыя рэлятыўнасці дапускае такія дзіўныя рашэнні, выглядае інтрыгуюча. Іх, вядома, лёгка абвясціць паталогіяй, але не забудземся, што сам Эйнштэйн і шматлікія яго сучаснікі казалі тое ж самае пра чорныя дзюры.
» Больш падрабязна з кнігай можна азнаёміцца на
Для Хаброжыцеляў зніжка 25% па купоне Чорныя дзюры
Па факце аплаты папяровай версіі кнігі на e-mail дасылаецца электронная версія кнігі.
Крыніца: habr.com