På trods af emnets kompleksitet tilbyder Princeton University professor Stephen Gubser en kortfattet, tilgængelig og underholdende introduktion til et af de mest omdiskuterede områder af fysik i dag. Sorte huller er rigtige objekter, ikke bare et tankeeksperiment! Sorte huller er ekstremt praktiske set ud fra et teoretisk synspunkt, da de matematisk er meget enklere end de fleste astrofysiske objekter, såsom stjerner. Tingene bliver mærkelige, når det viser sig, at sorte huller alligevel ikke er så sorte.
Hvad er der egentlig inde i dem? Hvordan kan du forestille dig at falde ned i et sort hul? Eller måske falder vi allerede ind i det og ved bare ikke om det endnu?
I Kerr-geometrien er der geodætiske baner, fuldstændig indesluttet i ergosfæren, med følgende egenskab: partikler, der bevæger sig langs dem, har negative potentielle energier, der i absolut værdi opvejer disse partiklers hvilemasser og kinetiske energier tilsammen. Det betyder, at den samlede energi af disse partikler er negativ. Det er denne omstændighed, der bruges i Penrose-processen. Mens det er inde i ergosfæren, affyrer skibet, der udvinder energi, et projektil på en sådan måde, at det bevæger sig langs en af disse baner med negativ energi. Ifølge loven om energibevarelse opnår skibet tilstrækkelig kinetisk energi til at kompensere for den tabte hvilemasse svarende til projektilets energi, og derudover opnå den positive ækvivalent af projektilets netto negative energi. Da projektilet skulle forsvinde i et sort hul efter at være blevet affyret, ville det være godt at lave det af en slags affald. På den ene side vil et sort hul stadig spise hvad som helst, men på den anden side vil det give os mere energi tilbage, end vi investerede. Så derudover vil den energi, vi køber, være "grøn"!
Den maksimale mængde energi, der kan udvindes fra et Kerr sort hul, afhænger af, hvor hurtigt hullet drejer. I det mest ekstreme tilfælde (ved den maksimalt mulige rotationshastighed) udgør rumtidens rotationsenergi cirka 29 % af det sorte huls samlede energi. Det virker måske ikke af meget, men husk at det er en brøkdel af den samlede hvilemasse! Til sammenligning skal du huske, at atomreaktorer drevet af radioaktiv henfaldsenergi bruger mindre end en tiendedel af en procent af den energi, der svarer til hvilemasse.
Rumtidens geometri inde i horisonten af et roterende sort hul er dramatisk anderledes end Schwarzschilds rumtid. Lad os følge vores undersøgelse og se, hvad der sker. I første omgang ligner alt Schwarzschild-sagen. Som før begynder rumtiden at kollapse og trækker alt med sig mod midten af det sorte hul, og tidevandskræfterne begynder at vokse. Men i Kerr-tilfældet, før radius går til nul, bremses sammenbruddet og begynder at vende. I et hurtigt roterende sort hul vil dette ske længe før tidevandskræfterne bliver stærke nok til at true sondens integritet. For intuitivt at forstå, hvorfor dette sker, så lad os huske, at der i newtonsk mekanik, under rotation, opstår en såkaldt centrifugalkraft. Denne kraft er ikke en af de grundlæggende fysiske kræfter: den opstår som et resultat af den kombinerede virkning af fundamentale kræfter, som er nødvendig for at sikre en rotationstilstand. Resultatet kan opfattes som en effektiv kraft rettet udad - centrifugalkraft. Du mærker det på et skarpt sving i en hurtiggående bil. Og hvis du nogensinde har været på en karrusel, ved du, at jo hurtigere den snurrer, jo strammere skal du tage fat i skinnerne, for hvis du giver slip, bliver du smidt ud. Denne analogi for rum-tid er ikke ideel, men den får pointen korrekt. Vinkelmomentet i rumtiden af et Kerr sort hul giver en effektiv centrifugalkraft, der modvirker tyngdekraften. Da kollapset inden for horisonten trækker rumtiden til mindre radier, øges centrifugalkraften og bliver til sidst i stand til først at modvirke kollapset og derefter vende det.
I det øjeblik, hvor sammenbruddet stopper, når sonden et niveau, der kaldes det sorte huls indre horisont. På dette tidspunkt er tidevandskræfterne små, og sonden, når den har krydset begivenhedshorisonten, tager kun en begrænset tid at nå den. Men bare fordi rumtiden er holdt op med at kollapse, betyder det ikke, at vores problemer er forbi, og at rotationen på en eller anden måde har elimineret singulariteten inde i Schwarzschilds sorte hul. Dette er stadig langt væk! Efter alt, tilbage i midten af 1960'erne, beviste Roger Penrose og Stephen Hawking et system af singularitetsteoremer, hvoraf det fulgte, at hvis der var et gravitationssammenbrud, selv et kort, så skulle der dannes en form for singularitet som et resultat. I Schwarzschild-tilfældet er der tale om en altomfattende og alt-knusende singularitet, der underlægger sig alt rum i horisonten. I Kerrs løsning opfører singulariteten sig anderledes og, må jeg sige, ganske uventet. Når sonden når den indre horisont, afslører Kerr-singulariteten sin tilstedeværelse - men den viser sig at være i den kausale fortid af sondens verdenslinje. Det var, som om singulariteten altid havde været der, men først nu mærkede sonden sin indflydelse nå den. Du vil sige, at det lyder fantastisk, og det er sandt. Og der er flere uoverensstemmelser i billedet af rum-tid, hvoraf det også fremgår, at dette svar ikke kan betragtes som endeligt.
Det første problem med en singularitet, der dukker op i fortiden for en observatør, der når den indre horisont, er, at på det tidspunkt kan Einsteins ligninger ikke entydigt forudsige, hvad der vil ske med rumtiden uden for denne horisont. Det vil sige, på en måde kan tilstedeværelsen af en singularitet føre til hvad som helst. Måske kan det, der rent faktisk vil ske, forklares for os med teorien om kvantetyngdekraften, men Einsteins ligninger giver os ingen chance for at vide det. Af interesse beskriver vi nedenfor, hvad der ville ske, hvis vi krævede, at skæringspunktet mellem rumtidshorisonten skulle være så glat som matematisk muligt (hvis de metriske funktioner var, som matematikere siger, "analytiske"), men der er ikke noget klart fysisk grundlag. for en sådan antagelse nr. I bund og grund antyder det andet problem med den indre horisont præcis det modsatte: i det virkelige univers, hvor stof og energi eksisterer uden for sorte huller, bliver rumtiden ved den indre horisont meget ru, og der udvikles en sløjfelignende singularitet. Den er ikke så destruktiv som den uendelige tidevandskraft af singulariteten i Schwarzschild-løsningen, men under alle omstændigheder sår dens tilstedeværelse tvivl om de konsekvenser, der følger af ideen om glatte analytiske funktioner. Måske er det en god ting - antagelsen om analytisk ekspansion medfører meget mærkelige ting.
I det væsentlige fungerer en tidsmaskine i området med lukkede tidslignende kurver. Langt fra singulariteten er der ingen lukkede tidslignende kurver, og bortset fra de frastødende kræfter i singularitetens område ser rumtiden helt normal ud. Der er dog baner (de er ikke geodætiske, så du har brug for en raketmotor), der vil tage dig til området med lukkede tidslignende kurver. Når du først er der, kan du bevæge dig i enhver retning langs t-koordinaten, som er tidspunktet for den fjerne observatør, men i din egen tid vil du stadig altid bevæge dig fremad. Det betyder, at du kan gå til et hvilket som helst tidspunkt, du vil, og derefter vende tilbage til en fjern del af rum-tid - og endda ankomme der, før du går. Selvfølgelig kommer alle paradokserne forbundet med idéen om tidsrejser til live: for eksempel, hvad nu hvis du ved at gå en tur overbeviste dit tidligere selv om at opgive det? Men om sådanne former for rum-tid kan eksistere, og hvordan paradokserne forbundet med det kan løses, er spørgsmål, der ligger uden for denne bogs rammer. Men ligesom med problemet med den "blå singularitet" i den indre horisont, indeholder den generelle relativitetsteori indikationer på, at områder af rum-tid med lukkede tidslignende kurver er ustabile: så snart du forsøger at kombinere en form for mængde af masse eller energi , kan disse regioner blive ental. Desuden er det i de roterende sorte huller, der dannes i vores univers, selve "blå singularitet", der kan forhindre dannelsen af et område med negative masser (og alle Kerrs andre universer, som hvide huller fører ind i). Ikke desto mindre er det spændende, at den generelle relativitetsteori tillader sådanne mærkelige løsninger. Selvfølgelig er det nemt at erklære dem for en patologi, men lad os ikke glemme, at Einstein selv og mange af hans samtidige sagde det samme om sorte huller.
» Flere detaljer om bogen kan findes på
For Khabrozhiteley 25% rabat ved brug af kupon - Sorte huller
Ved betaling for papirudgaven af bogen fremsendes en elektronisk udgave af bogen på e-mail.
Kilde: www.habr.com