Malgrat la complexitat del tema, el professor de la Universitat de Princeton Stephen Gubser ofereix una introducció succinta, accessible i entretinguda a una de les àrees més debatudes de la física actual. Els forats negres són objectes reals, no només un experiment mental! Els forats negres són extremadament convenients des d'un punt de vista teòric, ja que són matemàticament molt més simples que la majoria d'objectes astrofísics, com les estrelles. Les coses es tornen estranyes quan resulta que els forats negres no són tan negres després de tot.
Què hi ha realment dins d'ells? Com et pots imaginar caure en un forat negre? O potser ja hi estem caient i encara no ho sabem?
En la geometria de Kerr, hi ha òrbites geodèsiques, completament tancades a l'ergosfera, amb la següent propietat: les partícules que es mouen al llarg d'elles tenen energies potencials negatives que superen en valor absolut les masses en repòs i les energies cinètiques d'aquestes partícules en conjunt. Això vol dir que l'energia total d'aquestes partícules és negativa. És aquesta circumstància la que s'utilitza en el procés de Penrose. Mentre està dins de l'ergosfera, la nau que extreu energia dispara un projectil de tal manera que es mou al llarg d'una d'aquestes òrbites amb energia negativa. D'acord amb la llei de conservació de l'energia, el vaixell guanya energia cinètica suficient per compensar la massa en repòs perduda equivalent a l'energia del projectil i, a més, guanyar l'equivalent positiu de l'energia negativa neta del projectil. Com que el projectil hauria de desaparèixer en un forat negre després de ser disparat, seria bo fer-lo amb algun tipus de residu. D'una banda, un forat negre encara menjarà qualsevol cosa, però d'altra banda, ens retornarà més energia de la que hem invertit. Així, a més, l'energia que comprem serà "verda"!
La quantitat màxima d'energia que es pot extreure d'un forat negre de Kerr depèn de la velocitat amb què gira el forat. En el cas més extrem (a la màxima velocitat de rotació possible), l'energia de rotació de l'espai-temps representa aproximadament el 29% de l'energia total del forat negre. Això pot semblar poc, però recordeu que és una fracció de la massa total en repòs! Per comparar, recordeu que els reactors nuclears alimentats amb energia de desintegració radioactiva utilitzen menys d'una desena part de l'un per cent de l'energia equivalent a la massa en repòs.
La geometria de l'espai-temps dins de l'horitzó d'un forat negre que gira és molt diferent de l'espai-temps de Schwarzschild. Seguim la nostra investigació i veurem què passa. Al principi, tot sembla semblant al cas Schwarzschild. Com abans, l'espai-temps comença a col·lapsar-se, arrossegant tot amb ell cap al centre del forat negre i les forces de marea comencen a créixer. Però en el cas Kerr, abans que el radi arribi a zero, el col·lapse s'alenteix i comença a revertir-se. En un forat negre de rotació ràpida, això passarà molt abans que les forces de marea siguin prou fortes com per amenaçar la integritat de la sonda. Per entendre de manera intuïtiva per què passa això, recordem que en la mecànica newtoniana, durant la rotació, sorgeix l'anomenada força centrífuga. Aquesta força no és una de les forces físiques fonamentals: sorgeix com a resultat de l'acció combinada de forces fonamentals, que és necessària per assegurar un estat de rotació. El resultat es pot pensar com una força efectiva dirigida cap a l'exterior: força centrífuga. Ho sents en un gir pronunciat en un cotxe que es mou ràpidament. I si alguna vegada has estat en un carrusel, saps que com més ràpid giri, més fort hauràs d'agafar els rails perquè si et deixes anar, et llançaran fora. Aquesta analogia per a l'espai-temps no és ideal, però entén correctament el sentit. El moment angular en l'espai-temps d'un forat negre de Kerr proporciona una força centrífuga efectiva que contraresta l'atracció gravitatòria. A mesura que el col·lapse dins de l'horitzó atrau l'espai-temps a radis més petits, la força centrífuga augmenta i finalment és capaç de contrarestar el col·lapse i després revertir-lo.
En el moment en què s'atura el col·lapse, la sonda arriba a un nivell anomenat horitzó interior del forat negre. En aquest punt, les forces de marea són petites i la sonda, un cop ha travessat l'horitzó d'esdeveniments, només triga un temps finit a arribar-hi. Tanmateix, només perquè l'espai-temps hagi deixat de col·lapsar-se no vol dir que els nostres problemes hagin acabat i que la rotació hagi eliminat d'alguna manera la singularitat dins del forat negre de Schwarzschild. Això encara queda molt lluny! Al cap i a la fi, a mitjans dels anys 1960, Roger Penrose i Stephen Hawking van demostrar un sistema de teoremes de singularitat, del qual es va derivar que si hi havia un col·lapse gravitatori, fins i tot un de curt, llavors s'hauria de formar alguna forma de singularitat com a resultat. En el cas de Schwarzschild, es tracta d'una singularitat que ho engloba tot i que subjuga tot l'espai dins de l'horitzó. En la solució de Kerr, la singularitat es comporta de manera diferent i, he de dir, força inesperada. Quan la sonda arriba a l'horitzó interior, la singularitat de Kerr revela la seva presència, però resulta que es troba en el passat causal de la línia mundial de la sonda. Era com si la singularitat hagués estat sempre allà, però només ara la sonda sentia la seva influència arribant-hi. Diràs que això sona fantàstic, i és cert. I hi ha diverses incoherències en la imatge de l'espai-temps, de les quals també es desprèn que aquesta resposta no es pot considerar definitiva.
El primer problema amb una singularitat que apareix en el passat d'un observador que arriba a l'horitzó interior és que en aquell moment les equacions d'Einstein no poden predir de manera única què passarà amb l'espai-temps fora d'aquest horitzó. És a dir, en cert sentit, la presència d'una singularitat pot conduir a qualsevol cosa. Potser el que passarà realment ens pot explicar amb la teoria de la gravetat quàntica, però les equacions d'Einstein no ens donen cap possibilitat de saber-ho. Per interès, descrivim a continuació què passaria si exigim que la intersecció de l'horitzó espai-temps fos el més suau possible matemàticament (si les funcions mètriques fossin, com diuen els matemàtics, "analíticas"), però no hi ha una base física clara. per tal suposició núm. En essència, el segon problema amb l'horitzó interior suggereix exactament el contrari: a l'Univers real, en el qual la matèria i l'energia existeixen fora dels forats negres, l'espai-temps a l'horitzó interior es torna molt aspre i s'hi desenvolupa una singularitat semblant a un bucle. No és tan destructiu com la força de marea infinita de la singularitat en la solució de Schwarzschild, però en tot cas la seva presència posa en dubte les conseqüències que es deriven de la idea de funcions analítiques suaus. Potser això és bo: la suposició de l'expansió analítica comporta coses molt estranyes.
En essència, una màquina del temps opera a la regió de corbes tancades semblants al temps. Lluny de la singularitat, no hi ha corbes tancades semblants al temps, i a part de les forces repulsives a la regió de la singularitat, l'espai-temps sembla completament normal. No obstant això, hi ha trajectòries (no són geodèsiques, de manera que necessiteu un motor de coet) que us portaran a la regió de corbes tancades com el temps. Un cop hi siguis, pots moure't en qualsevol direcció al llarg de la coordenada t, que és el temps de l'observador llunyà, però en el teu propi temps encara avançaràs sempre. Això vol dir que podeu anar a qualsevol moment que vulgueu, i després tornar a una part llunyana de l'espai-temps, i fins i tot arribar-hi abans d'anar-hi. Per descomptat, ara cobren vida totes les paradoxes associades a la idea del viatge en el temps: per exemple, què passa si, fent un passeig pel temps, convèncers el teu jo passat de renunciar-hi? Però si aquests tipus d'espai-temps poden existir i com es poden resoldre les paradoxes associades amb ell són qüestions fora de l'abast d'aquest llibre. Tanmateix, igual que amb el problema de la "singularitat blava" a l'horitzó interior, la relativitat general conté indicis que les regions de l'espai-temps amb corbes tancades com el temps són inestables: tan bon punt intenteu combinar algun tipus de massa o energia. , aquestes regions poden esdevenir singulars. A més, en els forats negres giratoris que es formen al nostre Univers, és la pròpia "singularitat blava" la que pot evitar la formació d'una regió de masses negatives (i tots els altres universos de Kerr als quals condueixen els forats blancs). No obstant això, el fet que la relativitat general permeti solucions tan estranyes és intrigant. Per descomptat, és fàcil declarar-los una patologia, però no oblidem que el mateix Einstein i molts dels seus contemporanis van dir el mateix dels forats negres.
» Podeu trobar més detalls sobre el llibre a
Per a Khabrozhiteley 25% de descompte amb cupó - Forats negres
Un cop pagat la versió en paper del llibre, s'enviarà una versió electrònica del llibre per correu electrònic.
Font: www.habr.com