Въпреки сложността на темата, професорът от Принстънския университет Стивън Губсер предлага кратко, достъпно и забавно въведение в една от най-обсъжданите области на физиката днес. Черните дупки са реални обекти, а не само мисловен експеримент! Черните дупки са изключително удобни от теоретична гледна точка, тъй като те са математически много по-прости от повечето астрофизични обекти, като звезди. Нещата стават странни, когато се оказва, че черните дупки всъщност не са толкова черни.
Какво всъщност има вътре в тях? Как можете да си представите да попаднете в черна дупка? Или може би вече попадаме в него и просто все още не знаем за това?
В геометрията на Кер има геодезични орбити, напълно затворени в ергосферата, със следното свойство: частиците, движещи се по тях, имат отрицателни потенциални енергии, които надвишават по абсолютна стойност масите на покой и кинетичните енергии на тези частици, взети заедно. Това означава, че общата енергия на тези частици е отрицателна. Именно това обстоятелство се използва в процеса на Пенроуз. Докато е в ергосферата, корабът, извличащ енергия, изстрелва снаряд по такъв начин, че да се движи по една от тези орбити с отрицателна енергия. Съгласно закона за запазване на енергията, корабът получава достатъчна кинетична енергия, за да компенсира загубената маса на покой, еквивалентна на енергията на снаряда, и в допълнение да придобие положителния еквивалент на нетната отрицателна енергия на снаряда. Тъй като снарядът трябва да изчезне в черна дупка, след като бъде изстрелян, би било добре да бъде направен от някакъв вид отпадъци. От една страна, черна дупка пак ще изяде всичко, но от друга ще ни върне повече енергия, отколкото сме инвестирали. Освен това енергията, която купуваме, ще бъде „зелена“!
Максималното количество енергия, което може да бъде извлечено от черна дупка на Кер, зависи от това колко бързо се върти дупката. В най-крайния случай (при максималната възможна скорост на въртене), ротационната енергия на пространство-времето представлява приблизително 29% от общата енергия на черната дупка. Това може да не изглежда много, но не забравяйте, че е част от общата маса на покой! За сравнение не забравяйте, че ядрените реактори, захранвани с енергия от радиоактивен разпад, използват по-малко от една десета от един процент от енергията, еквивалентна на масата на покой.
Геометрията на пространство-времето вътре в хоризонта на въртяща се черна дупка е драматично различна от пространство-времето на Шварцшилд. Нека проследим нашата сонда и да видим какво ще се случи. Първоначално всичко изглежда подобно на случая Шварцшилд. Както и преди, пространство-времето започва да се свива, увличайки всичко заедно със себе си към центъра на черната дупка и приливните сили започват да растат. Но в случая на Кер, преди радиусът да стигне до нула, колапсът се забавя и започва да се обръща. В бързо въртяща се черна дупка това ще се случи много преди приливните сили да станат достатъчно силни, за да застрашат целостта на сондата. За да разберем интуитивно защо това се случва, нека си припомним, че в Нютоновата механика по време на въртене възниква така наречената центробежна сила. Тази сила не е една от основните физически сили: тя възниква в резултат на комбинираното действие на фундаменталните сили, което е необходимо за осигуряване на състояние на въртене. Резултатът може да се разглежда като ефективна сила, насочена навън - центробежна сила. Усещате го на остър завой в бързо движеща се кола. И ако някога сте били на въртележка, знаете, че колкото по-бързо се върти, толкова по-здраво трябва да хванете релсите, защото ако я пуснете, ще бъдете изхвърлени. Тази аналогия за пространство-времето не е идеална, но разбира правилно същността. Ъгловият импулс в пространство-времето на черна дупка на Кер осигурява ефективна центробежна сила, която противодейства на гравитационното привличане. Тъй като колапсът в рамките на хоризонта изтегля пространство-времето към по-малки радиуси, центробежната сила се увеличава и в крайна сметка става способна първо да противодейства на колапса и след това да го обърне.
В момента, в който колапсът спре, сондата достига ниво, наречено вътрешен хоризонт на черната дупка. В този момент приливните сили са малки и след като сондата пресече хоризонта на събитията, й отнема само ограничено време, за да го достигне. Въпреки това, само защото пространство-времето е спряло да се свива, не означава, че нашите проблеми са приключили и че ротацията по някакъв начин е елиминирала сингулярността в черната дупка на Шварцшилд. Това е още далече! В края на краищата, още в средата на 1960-те години на миналия век Роджър Пенроуз и Стивън Хокинг доказаха система от теореми за сингулярност, от която следваше, че ако има гравитационен колапс, дори и кратък, тогава в резултат трябва да се образува някаква форма на сингулярност. В случая на Шварцшилд това е всеобхватна и всесмазваща сингулярност, която подчинява цялото пространство в рамките на хоризонта. В решението на Кер сингулярността се държи различно и, трябва да кажа, доста неочаквано. Когато сондата достигне вътрешния хоризонт, сингулярността на Кер разкрива своето присъствие, но се оказва, че е в причинно-следственото минало на световната линия на сондата. Сякаш сингулярността винаги е била там, но едва сега сондата усети нейното влияние, достигащо до нея. Ще кажете, че това звучи фантастично и е истина. И има няколко несъответствия в картината на пространство-времето, от които също става ясно, че този отговор не може да се счита за окончателен.
Първият проблем със сингулярност, появяваща се в миналото на наблюдател, който достига вътрешния хоризонт, е, че в този момент уравненията на Айнщайн не могат еднозначно да предскажат какво ще се случи с пространство-времето извън този хоризонт. Тоест в известен смисъл наличието на сингулярност може да доведе до всичко. Може би това, което всъщност ще се случи, може да ни бъде обяснено от теорията на квантовата гравитация, но уравненията на Айнщайн не ни дават шанс да разберем. Просто от интерес описваме по-долу какво би се случило, ако изискваме пресичането на хоризонта на пространство-времето да бъде толкова гладко, колкото е математически възможно (ако метричните функции бяха, както казват математиците, „аналитични“), но няма ясна физическа основа за такова предположение No. По същество вторият проблем с вътрешния хоризонт предполага точно обратното: в реалната Вселена, в която материята и енергията съществуват извън черните дупки, пространство-времето във вътрешния хоризонт става много грубо и там се развива подобна на примка сингулярност. Тя не е толкова разрушителна, колкото безкрайната приливна сила на сингулярността в решението на Шварцшилд, но във всеки случай нейното присъствие поставя под съмнение последствията, които следват от идеята за гладки аналитични функции. Може би това е добре - предположението за аналитична експанзия води до много странни неща.
По същество машината на времето работи в областта на затворени времеподобни криви. Далеч от сингулярността няма затворени времеподобни криви и освен отблъскващите сили в района на сингулярността пространство-времето изглежда напълно нормално. Има обаче траектории (те не са геодезични, така че имате нужда от ракетен двигател), които ще ви отведат до областта на затворени времеподобни криви. След като сте там, можете да се движите във всяка посока по координатата t, която е времето на далечния наблюдател, но във вашето собствено време все пак винаги ще се движите напред. Това означава, че можете да отидете във всяко време t, което искате, и след това да се върнете в далечна част от пространство-времето - и дори да пристигнете там, преди да отидете. Разбира се, сега всички парадокси, свързани с идеята за пътуване във времето, оживяват: например, какво ще стане, ако, правейки разходка във времето, убедихте миналото си да се откажете от него? Но дали такива видове пространство-време могат да съществуват и как парадоксите, свързани с него, могат да бъдат разрешени са въпроси извън обхвата на тази книга. Въпреки това, точно както при проблема със „синята сингулярност“ на вътрешния хоризонт, общата теория на относителността съдържа индикации, че областите на пространство-времето със затворени времеподобни криви са нестабилни: веднага щом се опитате да комбинирате някакво количество маса или енергия , тези региони могат да станат единични. Нещо повече, във въртящите се черни дупки, които се образуват в нашата Вселена, самата „синя сингулярност“ е тази, която може да предотврати образуването на регион с отрицателни маси (и всички други вселени на Кер, в които водят белите дупки). Независимо от това, фактът, че общата теория на относителността позволява такива странни решения, е интригуващ. Разбира се, лесно е да ги обявим за патология, но нека не забравяме, че самият Айнщайн и много негови съвременници са казали същото за черните дупки.
» За повече информация относно книгата, моля посетете
За Khabrozhiteli 25% отстъпка от купона - Черни дупки
При заплащане на хартиената версия на книгата, електронна версия на книгата ще бъде изпратена по имейл.
Източник: www.habr.com