Er gwaethaf cymhlethdod y pwnc, mae athro Prifysgol Princeton, Stephen Gubser, yn cynnig cyflwyniad cryno, hygyrch a difyr i un o feysydd mwyaf dadleuol ffiseg heddiw. Mae tyllau du yn wrthrychau go iawn, nid yn arbrawf meddwl yn unig! Mae tyllau du yn hynod gyfleus o safbwynt damcaniaethol, gan eu bod yn fathemategol yn llawer symlach na'r rhan fwyaf o wrthrychau astroffisegol, megis sêr. Mae pethau'n mynd yn rhyfedd pan ddaw'n amlwg nad yw tyllau du mor ddu â hynny wedi'r cyfan.
Beth sydd y tu mewn iddynt mewn gwirionedd? Sut allwch chi ddychmygu cwympo i dwll du? Neu efallai ein bod ni eisoes yn cwympo i mewn iddo a ddim yn gwybod amdano eto?
Yn geometreg Kerr, mae orbitau geodesig, wedi'u hamgáu'n gyfan gwbl yn yr ergosffer, gyda'r priodweddau canlynol: mae gan ronynnau sy'n symud ar eu hyd egni potensial negyddol sy'n gorbwyso mewn gwerth absoliwt màs gweddill ac egni cinetig y gronynnau hyn gyda'i gilydd. Mae hyn yn golygu bod cyfanswm egni'r gronynnau hyn yn negyddol. Yr amgylchiad hwn a ddefnyddir ym mhroses Penrose. Tra y tu mewn i'r ergosffer, mae'r llong sy'n echdynnu ynni yn tanio taflunydd yn y fath fodd fel ei bod yn symud ar hyd un o'r orbitau hyn gydag egni negyddol. Yn ôl y gyfraith cadwraeth ynni, mae'r llong yn ennill digon o egni cinetig i wneud iawn am y màs gweddill a gollwyd sy'n cyfateb i egni'r taflunydd, ac yn ychwanegol at ennill yr hyn sy'n cyfateb yn bositif i egni negyddol net y taflunydd. Gan y dylai'r taflunydd ddiflannu i dwll du ar ôl cael ei danio, byddai'n dda ei wneud o ryw fath o wastraff. Ar y naill law, bydd twll du yn dal i fwyta unrhyw beth, ond ar y llaw arall, bydd yn dychwelyd mwy o egni i ni nag a fuddsoddwyd gennym. Felly, yn ogystal, bydd yr ynni a brynwn yn “wyrdd”!
Mae uchafswm yr egni y gellir ei dynnu o dwll du Kerr yn dibynnu ar ba mor gyflym mae'r twll yn troelli. Yn yr achos mwyaf eithafol (ar y cyflymder cylchdroi uchaf posibl), mae egni cylchdro amser gofod yn cyfrif am tua 29% o gyfanswm egni'r twll du. Efallai nad yw hyn yn ymddangos fel llawer, ond cofiwch ei fod yn ffracsiwn o gyfanswm màs y gorffwys! Er mwyn cymharu, cofiwch fod adweithyddion niwclear sy'n cael eu pweru gan ynni dadfeiliad ymbelydrol yn defnyddio llai nag un rhan o ddeg o un y cant o'r ynni sy'n cyfateb i màs gorffwys.
Mae geometreg amser gofod y tu mewn i orwel twll du troellog yn wahanol iawn i amser gofod Schwarzschild. Gadewch i ni ddilyn ein harchwiliwr a gweld beth sy'n digwydd. Ar y dechrau, mae popeth yn edrych yn debyg i achos Schwarzschild. Fel o'r blaen, mae amser gofod yn dechrau cwympo, gan lusgo popeth ynghyd ag ef tuag at ganol y twll du, ac mae grymoedd y llanw yn dechrau tyfu. Ond yn achos Kerr, cyn i'r radiws fynd i sero, mae'r cwymp yn arafu ac yn dechrau gwrthdroi. Mewn twll du sy'n cylchdroi'n gyflym, bydd hyn yn digwydd ymhell cyn i rymoedd y llanw ddod yn ddigon cryf i fygwth cyfanrwydd y stiliwr. Er mwyn deall yn reddfol pam mae hyn yn digwydd, gadewch inni gofio bod grym allgyrchol fel y'i gelwir yn codi mewn mecaneg Newtonaidd, yn ystod cylchdroi. Nid yw'r grym hwn yn un o'r grymoedd ffisegol sylfaenol: mae'n codi o ganlyniad i weithred gyfunol grymoedd sylfaenol, sy'n angenrheidiol i sicrhau cyflwr cylchdroi. Gellir meddwl am y canlyniad fel grym effeithiol wedi'i gyfeirio tuag allan—grym allgyrchol. Rydych chi'n ei deimlo ar dro sydyn mewn car sy'n symud yn gyflym. Ac os ydych chi erioed wedi bod ar garwsél, rydych chi'n gwybod po gyflymaf mae'n troelli, y tynnach mae'n rhaid i chi afael yn y cledrau oherwydd os byddwch chi'n gollwng gafael, byddwch chi'n cael eich taflu allan. Nid yw'r gyfatebiaeth hon ar gyfer gofod-amser yn ddelfrydol, ond mae'n cyfleu'r pwynt yn gywir. Mae'r momentwm onglog yn amser gofod twll du Kerr yn darparu grym allgyrchol effeithiol sy'n gwrthweithio'r tyniad disgyrchiant. Wrth i'r cwymp o fewn y gorwel dynnu amser gofod i radiysau llai, mae'r grym allgyrchol yn cynyddu ac yn y pen draw yn dod yn gallu gwrthweithio'r cwymp yn gyntaf ac yna ei wrthdroi.
Ar hyn o bryd pan fydd y cwymp yn stopio, mae'r stiliwr yn cyrraedd lefel a elwir yn orwel mewnol y twll du. Ar y pwynt hwn, mae grymoedd y llanw yn fach, ac mae'r stiliwr, ar ôl iddo groesi gorwel y digwyddiad, yn cymryd dim ond cyfnod cyfyngedig o amser i'w gyrraedd. Fodd bynnag, nid yw'r ffaith bod amser gofod wedi rhoi'r gorau i gwympo yn golygu bod ein problemau drosodd a bod y cylchdro rywsut wedi dileu'r hynodrwydd y tu mewn i dwll du Schwarzschild. Mae hyn yn dal i fod ymhell i ffwrdd! Wedi'r cyfan, yn ôl yng nghanol y 1960au, profodd Roger Penrose a Stephen Hawking system o theoremau unigolrwydd, a dilynodd hynny pe bai cwymp disgyrchiant, hyd yn oed un byr, yna dylai rhyw fath o unigolrwydd ffurfio o ganlyniad. Yn achos Schwarzschild, mae hon yn unigoliaeth hollgynhwysol a holl-fathro sy'n darostwng pob gofod o fewn y gorwel. Yn ateb Kerr, mae'r hynodrwydd yn ymddwyn yn wahanol ac, mae'n rhaid i mi ddweud, yn gwbl annisgwyl. Pan fydd y stiliwr yn cyrraedd y gorwel mewnol, mae hynodrwydd Kerr yn datgelu ei bresenoldeb - ond mae'n troi allan i fod yng ngorffennol achosol llinell fyd-eang yr archwiliwr. Yr oedd fel pe buasai yr hynodrwydd yno erioed, ond dim ond yn awr y teimlai yr archwiliwr ei ddylanwad yn ei gyrhaedd. Byddwch yn dweud bod hyn yn swnio'n wych, ac mae'n wir. Ac mae yna nifer o anghysondebau yn y llun o ofod-amser, ac mae'n amlwg hefyd na ellir ystyried yr ateb hwn yn derfynol.
Y broblem gyntaf gydag unigrwydd yn ymddangos yng ngorffennol sylwedydd sy'n cyrraedd y gorwel mewnol yw na all hafaliadau Einstein ar y foment honno ragweld yn unigryw beth fydd yn digwydd i amser gofod y tu allan i'r gorwel hwnnw. Hynny yw, mewn ffordd, gall presenoldeb unigolrwydd arwain at unrhyw beth. Efallai y gellir esbonio'r hyn a fydd yn digwydd mewn gwirionedd i ni gan ddamcaniaeth disgyrchiant cwantwm, ond nid yw hafaliadau Einstein yn rhoi unrhyw siawns i ni wybod. Dim ond allan o ddiddordeb, rydym yn disgrifio isod yr hyn a fyddai'n digwydd pe baem yn mynnu bod croestoriad y gorwel gofod amser mor llyfn ag y bo modd yn fathemategol (pe bai'r ffwythiannau metrig, fel y dywed mathemategwyr, yn "ddadansoddol"), ond nid oes sail ffisegol glir. am y fath dybiaeth Rhif. Yn y bôn, mae'r ail broblem gyda'r gorwel mewnol yn awgrymu'n union i'r gwrthwyneb: yn y Bydysawd go iawn, lle mae mater ac egni'n bodoli y tu allan i dyllau du, mae amser gofod ar y gorwel mewnol yn mynd yn arw iawn, ac mae singularity fel dolen yn datblygu yno. Nid yw mor ddinistriol â grym llanw diddiwedd yr hynodrwydd yn ateb Schwarzschild, ond beth bynnag mae ei bresenoldeb yn bwrw amheuaeth ar y canlyniadau sy'n dilyn o'r syniad o swyddogaethau dadansoddol llyfn. Efallai fod hyn yn beth da - mae'r dybiaeth o ehangu dadansoddol yn golygu pethau rhyfedd iawn.
Yn y bôn, mae peiriant amser yn gweithredu tua chromliniau caeedig tebyg i amser. Ymhell o'r hynodrwydd, nid oes unrhyw gromliniau caeedig tebyg i amser, ac ar wahân i'r grymoedd gwrthyrrol yn rhanbarth yr unigolrwydd, mae amser gofod yn edrych yn gwbl normal. Fodd bynnag, mae yna taflwybrau (nid ydyn nhw'n geodesig, felly mae angen injan roced arnoch chi) a fydd yn mynd â chi i'r rhanbarth o gromliniau caeedig tebyg i amser. Unwaith y byddwch chi yno, gallwch chi symud i unrhyw gyfeiriad ar hyd y cyfesuryn t, sef amser yr arsylwr pell, ond yn eich amser eich hun byddwch chi bob amser yn symud ymlaen. Mae hyn yn golygu y gallwch chi fynd i unrhyw amser t rydych chi ei eisiau, ac yna dychwelyd i ran bell o ofod-amser - a hyd yn oed cyrraedd yno cyn i chi fynd. Wrth gwrs, nawr mae'r holl baradocsau sy'n gysylltiedig â'r syniad o deithio amser yn dod yn fyw: er enghraifft, beth os, trwy fynd am dro, y gwnaethoch chi argyhoeddi'ch hunan yn y gorffennol i roi'r gorau iddi? Ond mae p'un a all y fath fathau o ofod-amser fodoli a sut y gellir datrys y paradocsau sy'n gysylltiedig ag ef yn gwestiynau y tu hwnt i gwmpas y llyfr hwn. Fodd bynnag, yn yr un modd â phroblem yr “unigoliaeth glas” ar y gorwel mewnol, mae perthnasedd cyffredinol yn cynnwys arwyddion bod rhanbarthau amser gofod â chromliniau caeedig tebyg i amser yn ansefydlog: cyn gynted ag y byddwch yn ceisio cyfuno rhyw fath o faint o fàs neu egni , gall y rhanbarthau hyn ddod yn unigol. Ar ben hynny, yn y tyllau du cylchdroi sy'n ffurfio yn ein Bydysawd, yr “unoliaeth las” ei hun a all atal ffurfio rhanbarth o fasau negyddol (a holl fydysawdau eraill Kerr y mae tyllau gwyn yn arwain iddynt). Serch hynny, mae'r ffaith bod perthnasedd cyffredinol yn caniatáu atebion rhyfedd o'r fath yn ddiddorol. Wrth gwrs, mae'n hawdd datgan patholeg iddynt, ond peidiwch ag anghofio bod Einstein ei hun a llawer o'i gyfoeswyr wedi dweud yr un peth am dyllau du.
» Ceir rhagor o fanylion am y llyfr yn
Ar gyfer Khabrozhiteley gostyngiad o 25% gan ddefnyddio cwpon - Tyllau du
Ar ôl talu am y fersiwn papur o'r llyfr, anfonir fersiwn electronig o'r llyfr trwy e-bost.
Ffynhonnell: hab.com