Malgradu a cumplessità di u tema, u prufessore di l'Università di Princeton Stephen Gubser offre una introduzione succinta, accessibile è divertente à unu di i spazii più discussi di a fisica oghje. I buchi neri sò oggetti veri, micca solu un esperimentu di pensamentu! I buchi neri sò estremamente convenienti da un puntu di vista teoricu, postu chì sò matematicamente assai più simplici cà a maiò parte di l'ogetti astrofisichi, cum'è e stelle. E cose diventanu strane quandu si scopre chì i buchi neri ùn sò micca veramente cusì neri dopu tuttu.
Chì ci hè veramente in elli? Cumu pudete imaginà cascà in un pirtusu neru ? O forse avemu digià cascatu in questu è solu ùn ne cunnosci micca ancu?
In a geometria di Kerr, ci sò orbiti geodesichi, cumpletamente chjusi in l'ergosfera, cù a seguente pruprietà: e particelle chì si movenu longu anu energie putenziali negativi chì superanu in valore assolutu e masse di riposu è l'energie cinetiche di sti particeddi pigliati inseme. Questu significa chì l'energia tutale di sti particeddi hè negativu. Hè sta circustanza chì hè utilizata in u prucessu Penrose. Mentre hè in l'ergosfera, a nave chì estrae l'energia spara un projectile in modu chì si move in una di queste orbite cù energia negativa. Sicondu a lege di cunsirvazioni di l'energia, a nave guadagna energia cinetica abbastanza per cumpensà a massa di riposu persa equivalente à l'energia di u projectile, è in più di guadagnà l'equivalente pusitivu di l'energia negativa netta di u projectile. Siccomu u projectile duveria sparisce in un pirtusu neru dopu à u focu, saria bonu per fà da qualchì tipu di rifiuti. Da una banda, un pirtusu nìuru hà sempre manghjatu qualcosa, ma da l'altra banda, turnerà à noi più energia ch'è avemu investitu. Allora, in più, l'energia chì cumprà serà "verde"!
A quantità massima di energia chì pò esse estratta da un pirtusu neru Kerr dipende da quantu veloce u pirtusu hè spinning. In u casu più estremu (à a velocità di rotazione massima pussibule), l'energia di rotazione di u spaziu-tempu cunta circa 29% di l'energia tutale di u pirtusu neru. Questu pò pare micca assai, ma ricordate chì hè una frazzioni di a massa di restu tutale! Per paragunà, ricordate chì i reattori nucleari alimentati da l'energia di decadenza radiuattiva utilizanu menu di un decimu di un percentu di l'energia equivalente à a massa di restu.
A geometria di u spaziu-tempu in l'orizzonte di un pirtusu neru spinning hè dramaticamente sfarente da u spaziu-tempu di Schwarzschild. Seguimu a nostra sonda è vede ciò chì succede. À u principiu, tuttu s'assumiglia à u casu Schwarzschild. Cum'è prima, u spaziu-tempu cumencia à colapsà, trascinendu tuttu cun ellu versu u centru di u pirtusu neru, è e forze di marea cumincianu à cresce. Ma in u casu Kerr, prima chì u raghju vai à cero, u colapsu rallenta è principia à riversà. In un pirtusu neru in rotazione rapida, questu succede assai prima chì e forze di marea diventenu abbastanza forti per minaccia l'integrità di a sonda. Per capisce intuitivamente perchè questu succede, ricurdatemu chì in a meccanica newtoniana, durante a rotazione, nasce una forza centrifuga chjamata. Sta forza ùn hè micca una di e forze fisiche fundamentale: nasce com'è u risultatu di l'azzione cumminata di e forze fundamentali, chì hè necessariu per assicurà un statu di rotazione. U risultatu pò esse pensatu cum'è una forza efficace diretta fora - forza centrifuga. Sentite in una virata brusca in una vittura in veloce. È s'è vo avete mai statu nant'à un carrusel, sapete chì u più veloce gira, u più strettu vi tocca à agghicà i rails, perchè s'è vo lascià andà, vi Mulateri Di L'esse cacciatu fora. Questa analogia per u spaziu-tempu ùn hè micca ideali, ma si mette in u puntu currettamente. U momentu angulare in u spaziu-tempu di un pirtusu neru Kerr furnisce una forza centrifuga efficace chì contru à l'attrazione gravitazionale. Cume u colapsu in l'orizzonte tira u spaziu-tempu à raghji più chjuchi, a forza centrifuga aumenta è eventualmente diventa capace di prima contru à u colapsu è poi inverte.
À u mumentu chì u colapsu si ferma, a sonda righjunghji un livellu chjamatu l'orizzonte internu di u pirtusu neru. À questu puntu, e forze di marea sò chjuche, è a sonda, una volta hà attraversatu l'orizzonte di l'eventi, piglia solu un tempu finitu per ghjunghje. In ogni casu, solu perchè u spaziu-tempu hà cessatu di colapsà ùn significa micca chì i nostri prublemi sò finiti è chì a rotazione hà eliminatu in qualchì modu a singularità in u pirtusu neru di Schwarzschild. Questu hè ancu assai luntanu! Dopu tuttu, in a mità di l'anni 1960, Roger Penrose è Stephen Hawking pruvò un sistema di teoremi di a singularità, da quale seguitava chì, s'ellu ci era un colapsu gravitazionale, ancu un cortu, allora una forma di singularità deve esse formate com'è u risultatu. In u casu Schwarzschild, questu hè una singularità omnicomprensiva è sfracicante chì sottumette tuttu u spaziu in l'orizzonte. In a suluzione di Kerr, a singularità si cumporta in modu diversu è, devi dì, abbastanza inespettatu. Quandu a sonda righjunghji l'orizzonte internu, a singularità di Kerr palesa a so prisenza, ma risulta esse in u passatu causale di a linea mundiale di a sonda. Era cum'è s'è a singularità era sempre stata quì, ma solu avà a sonda sentia a so influenza ghjunghje sin'à ella. Diterete chì questu sona fantasticu, è hè veru. E ci sò parechje inconsistenzi in a stampa di u spaziu-tempu, da quale hè ancu chjaru chì sta risposta ùn pò esse cunsiderata finali.
U primu prublema cù una singularità chì apparisce in u passatu di un observatore chì ghjunghje à l'orizzonte internu hè chì in quellu mumentu l'equazioni di Einstein ùn ponu micca predice unicu ciò chì succede à u spaziu-tempu fora di quellu orizzonte. Hè, in un sensu, a prisenza di una singularità pò purtà à qualcosa. Forsi ciò chì accadrà veramente pò esse spiegatu à noi da a teoria di a gravità quantistica, ma l'equazioni di Einstein ùn ci dannu nisuna chance di sapè. Solu per interessu, descrivimu quì sottu ciò chì succede se avemu dumandatu chì l'intersezzione di l'orizzonte spaziale sia u più liscia quant'è matematicamente pussibule (se e funzioni metriche eranu, cum'è dicenu i matematichi, "analitiche"), ma ùn ci hè micca una basa fisica chjara. per una tale supposizione No. In essenza, u sicondu prublema cù l'orizzonte internu suggerisce esattamente u cuntrariu: in l'Universu veru, in quale a materia è l'energia esistenu fora di i buchi neri, u spaziu-tempu à l'orizzonte internu diventa assai aspra, è ci si sviluppa una singularità di loop-like. Ùn hè micca cusì distruttiva cum'è a forza infinita di marea di a singularità in a suluzione Schwarzschild, ma in ogni casu, a so prisenza mette in dubbitu e cunsequenze chì seguitanu da l'idea di funzioni analitiche liscia. Forsi questu hè una bona cosa - l'assunzione di espansione analitica implica cose assai strane.
In essenza, una macchina di u tempu opera in a regione di curve chjuse di u tempu. Luntanu da a singularità, ùn ci sò micca curve chjuse simili à u tempu, è fora di e forze repulsive in a regione di a singularità, u spaziu-tempu pare cumplettamente normale. In ogni casu, ci sò traiettorie (ùn sò micca geodesichi, cusì avete bisognu di un mutore di fucile) chì vi purteranu à a regione di curve chjuse di u tempu. Una volta chì site quì, pudete spustà in ogni direzzione longu a coordenada t, chì hè u tempu di l'osservatore distante, ma in u vostru tempu vi sempre sempre avanti. Questu significa chì pudete andà in ogni mumentu chì vulete, è dopu vultà in una parte distanti di u spaziu-tempu - è ancu ghjunghje prima di andà. Di sicuru, avà tutti i paradossi assuciati à l'idea di u viaghju in u tempu venenu à a vita: per esempiu, chì succede se, pigliendu una caminata in u tempu, avete cunvince u vostru stessu passatu per rinunzià? Ma s'ellu pò esse tali tipu di spaziu-tempu è cumu i paradossi assuciati cù questu ponu esse risolti sò dumande fora di u scopu di stu libru. In ogni casu, cum'è cù u prublema di a "singularità blu" in l'orizzonte internu, a relatività generale cuntene indicazione chì e regioni di u spaziu-tempu cù curve di u tempu chjusu sò inestabile: appena pruvate à cumminà una quantità di massa o energia. , sti rigioni ponu diventà singulari. Inoltre, in i buchi neri rotanti chì formanu in u nostru Universu, hè a "singularità blu" stessu chì pò impedisce a furmazione di una regione di massi negativi (è tutti l'altri universi di Kerr in quale i buchi bianchi portanu). Tuttavia, u fattu chì a relatività generale permette tali suluzioni strane hè intrigante. Di sicuru, hè faciule di dichjarà una patologia, ma ùn scurdemu micca chì Einstein stessu è parechji di i so cuntimpuranii anu dettu a listessa cosa di i buchi neri.
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Source: www.habr.com