Vaatamata teema keerukusele pakub Princetoni ülikooli professor Stephen Gubser lühidalt, juurdepääsetavat ja meelelahutuslikku sissejuhatust ühele tänapäeval kõige enam vaieldud füüsikavaldkonnale. Mustad augud on reaalsed objektid, mitte ainult mõtteeksperiment! Mustad augud on teoreetilisest vaatenurgast äärmiselt mugavad, kuna need on matemaatiliselt palju lihtsamad kui enamik astrofüüsikalisi objekte, nagu tähed. Asi läheb imelikuks, kui selgub, et mustad augud polegi tegelikult nii mustad.
Mis nende sees tegelikult on? Kuidas kujutate ette musta auku kukkumist? Või äkki oleme juba sellesse sattumas ja lihtsalt ei tea sellest veel?
Kerri geomeetrias on geodeetilised orbiidid, mis on täielikult ergosfääri suletud ja millel on järgmine omadus: mööda neid liikuvatel osakestel on negatiivne potentsiaalne energia, mis kaalub absoluutväärtuses üles nende osakeste ülejäänud massid ja kineetilised energiad kokku. See tähendab, et nende osakeste koguenergia on negatiivne. Just seda asjaolu kasutatakse Penrose'i protsessis. Olles ergosfääris, tulistab energiat ammutav laev mürsku nii, et see liigub mööda ühte neist orbiitidest negatiivse energiaga. Vastavalt energia jäävuse seadusele saab laev piisavalt kineetilist energiat, et kompenseerida mürsu energiaga võrdväärset kaotatud puhkemassi ja lisaks saada mürsu negatiivse netoenergia positiivse ekvivalendi. Kuna mürsk peaks peale tulistamist musta auku kaduma, siis oleks hea see mingist prügist teha. Ühest küljest sööb must auk ikkagi kõike, kuid teisest küljest annab see meile rohkem energiat tagasi, kui me investeerisime. Nii et lisaks on meie ostetav energia "roheline"!
Kerri mustast august eraldatav maksimaalne energiakogus sõltub sellest, kui kiiresti auk pöörleb. Kõige äärmuslikumal juhul (maksimaalsel võimalikul pöörlemiskiirusel) moodustab aegruumi pöörlemisenergia ligikaudu 29% musta augu koguenergiast. See ei pruugi tunduda palju, kuid pidage meeles, et see on murdosa kogu puhkemassist! Võrdluseks pidage meeles, et radioaktiivse lagunemisenergiaga töötavad tuumareaktorid kasutavad vähem kui ühe kümnendiku ühest protsendist puhkemassi ekvivalentsest energiast.
Ajaruumi geomeetria pöörleva musta augu horisondi sees erineb dramaatiliselt Schwarzschildi aegruumist. Jälgime oma uurimist ja vaatame, mis juhtub. Esmapilgul tundub kõik sarnane Schwarzschildi juhtumiga. Nagu varemgi, hakkab aegruum kokku varisema, tõmmates kõik endaga kaasa musta augu keskpunkti poole ja tõusevad jõud. Kuid Kerri puhul aeglustub kokkuvarisemine enne, kui raadius läheb nulli ja hakkab tagasi pöörduma. Kiiresti pöörlevas mustas augus juhtub see ammu enne seda, kui loodete jõud muutuvad piisavalt tugevaks, et ohustada sondi terviklikkust. Et intuitiivselt mõista, miks see nii juhtub, pidagem meeles, et Newtoni mehaanikas tekib pöörlemise ajal nn tsentrifugaaljõud. See jõud ei kuulu põhiliste füüsiliste jõudude hulka: see tekib põhijõudude koosmõjul, mis on vajalik pöörlemisseisundi tagamiseks. Tulemust võib pidada tõhusaks väljapoole suunatud jõuks – tsentrifugaaljõuks. Seda tunned kiiresti liikuva auto järsul kurvil. Ja kui olete kunagi karussellil olnud, siis teate, et mida kiiremini see pöörleb, seda tugevamini peate rööpast kinni hoidma, sest kui lahti lasete, visatakse teid välja. See aegruumi analoogia ei ole ideaalne, kuid annab asja õigesti aru. Kerri musta augu aegruumi nurkimment annab tõhusa tsentrifugaaljõu, mis neutraliseerib gravitatsioonitõmbe. Kuna horisondi sees kokkuvarisemine tõmbab ruumiaja väiksemate raadiustega, suureneb tsentrifugaaljõud ja lõpuks suudab see kokkuvarisemist esmalt neutraliseerida ja seejärel tagasi pöörata.
Hetkel, mil kokkuvarisemine peatub, jõuab sond tasemeni, mida nimetatakse musta augu sisehorisondiks. Sel hetkel on loodete jõud väikesed ja kui sond on sündmuste horisondi ületanud, kulub selleni jõudmiseks vaid piiratud aeg. Kuid see, et aegruum on lakanud kokku varisemast, ei tähenda, et meie probleemid on möödas ja et pöörlemine on kuidagi kõrvaldanud singulaarsuse Schwarzschildi musta augu sees. See on veel kaugel! Lõppude lõpuks tõestasid Roger Penrose ja Stephen Hawking 1960. aastate keskel singulaarsusteoreemide süsteemi, millest järeldub, et kui gravitatsiooniline kollaps, isegi lühike, peaks selle tulemusel tekkima mingisugune singulaarsus. Schwarzschildi juhtumi puhul on see kõikehõlmav ja purustav singulaarsus, mis allutab kogu horisondi ruumi. Kerri lahenduses käitub singulaarsus teisiti ja pean ütlema, et üsna ootamatult. Kui sond jõuab sisemise horisondini, paljastab Kerri singulaarsus oma kohaloleku, kuid selgub, et see on sondi maailmajoone põhjuslikus minevikus. Tundus, nagu oleks singulaarsus alati olemas olnud, kuid alles nüüd tundis sond oma mõju selleni jõudmas. Ütlete, et see kõlab fantastiliselt ja see on tõsi. Ja aegruumi pildis on mitmeid ebakõlasid, millest on ka selge, et seda vastust ei saa pidada lõplikuks.
Esimene probleem singulaarsusega, mis ilmneb sisemise horisondini jõudva vaatleja minevikus, on see, et sel hetkel ei suuda Einsteini võrrandid üheselt ennustada, mis juhtub aegruumiga väljaspool seda horisonti. See tähendab, et mõnes mõttes võib singulaarsuse olemasolu viia kõigeni. Võib-olla saab meile seletada, mis tegelikult juhtub, kvantgravitatsiooni teooriaga, kuid Einsteini võrrandid ei anna meile mingit võimalust teada. Huvi pärast kirjeldame allpool, mis juhtuks, kui nõuaks, et aegruumi horisondi ristumiskoht oleks matemaatiliselt võimalikult sujuv (kui meetrikafunktsioonid oleksid, nagu matemaatikud ütlevad, "analüütilised"), kuid puudub selge füüsiline alus. sellise oletuse jaoks nr. Sisuliselt viitab teine probleem sisehorisondiga täpselt vastupidisele: reaalses Universumis, kus mateeria ja energia eksisteerivad väljaspool musti auke, muutub aegruum sisehorisondil väga konarlikuks ja seal tekib silmusetaoline singulaarsus. See ei ole nii hävitav kui singulaarsuse lõpmatu tõus Schwarzschildi lahenduses, kuid igal juhul seab selle olemasolu kahtluse alla sujuvate analüütiliste funktsioonide ideest tulenevates tagajärgedes. Võib-olla on see hea – analüütilise laienemise eeldus toob endaga kaasa väga kummalisi asju.
Sisuliselt töötab ajamasin suletud ajataoliste kõverate piirkonnas. Singulaarsusest kaugel pole suletud ajataolisi kõveraid ja kui jätta kõrvale singulaarsuse piirkonnas olevad tõukejõud, tundub aegruum täiesti normaalne. Siiski on trajektoore (need ei ole geodeetilised, seega vajate raketimootorit), mis viivad teid suletud ajataoliste kõverate piirkonda. Kui olete kohal, saate liikuda suvalises suunas piki t-koordinaati, mis on kauge vaatleja aeg, kuid omal ajal liigute ikkagi alati edasi. See tähendab, et võite minna mis tahes ajale, kuhu soovite, ja seejärel naasta aegruumi kaugemasse ossa – ja isegi jõuda sinna enne minekut. Muidugi ärkavad nüüd ellu kõik ajas rändamise ideega seotud paradoksid: näiteks mis siis, kui veendaks ajas jalutades oma endist mina sellest loobuma? Kuid kas sellist tüüpi aegruumi saab eksisteerida ja kuidas sellega seotud paradokse saab lahendada, on küsimused, mis ei kuulu selle raamatu ulatusse. Kuid nagu sisemise horisondi "sinise singulaarsuse" probleemi puhul, sisaldab üldrelatiivsusteooria viiteid sellele, et suletud ajakõveratega aegruumi piirkonnad on ebastabiilsed: niipea, kui proovite kombineerida mingit massi või energiat. , võivad need piirkonnad muutuda ainsuseks. Veelgi enam, meie universumis tekkivates pöörlevates mustades aukudes võib "sinine singulaarsus" ise takistada negatiivsete masside piirkonna (ja kõigi Kerri teiste universumite, kuhu valged augud viivad) teket. Sellegipoolest on intrigeeriv tõsiasi, et üldrelatiivsusteooria võimaldab selliseid kummalisi lahendusi. Muidugi on lihtne neid patoloogiaks tunnistada, kuid ärgem unustagem, et Einstein ise ja paljud tema kaasaegsed ütlesid mustade aukude kohta sama.
» Lisateavet raamatu kohta leiate aadressilt
Khabrozhiteley jaoks 25% allahindlus kupongi abil - Mustad augud
Raamatu paberversiooni eest tasumisel saadetakse e-postiga raamatu elektrooniline versioon.
Allikas: www.habr.com