Gaiaren konplexutasuna gorabehera, Stephen Gubser Princeton Unibertsitateko irakasleak sarrera labur, eskuragarri eta entretenigarri bat eskaintzen du gaur egungo fisikaren arlo eztabaidatuenetako bati. Zulo beltzak benetako objektuak dira, ez bakarrik pentsamendu-esperimentu bat! Zulo beltzak oso erosoak dira ikuspegi teorikotik, matematikoki objektu astrofisiko gehienak, hala nola izarrak, baino askoz sinpleagoak baitira. Gauzak arraro bihurtzen dira zulo beltzak ez direla hain beltzak azkenean.
Zer dago benetan haien barruan? Nola imajina dezakezu zulo beltz batean erortzea? Edo agian dagoeneko horretan erortzen ari gara eta oraindik ez dakigu horren berri?
Kerr-en geometrian orbita geodesikoak daude, ergosferan erabat itxita, honako propietatearekin: haietan zehar mugitzen diren partikulek energia potentzial negatiboak dituzte, balio absolutuan partikula horien gainerako masak eta energia zinetikoak elkarrekin hartuta. Horrek esan nahi du partikula horien energia osoa negatiboa dela. Penrose prozesuan erabiltzen den zirkunstantzia hori da. Ergosferan dagoen bitartean, energia ateratzen duen ontziak proiektil bat jaurtitzen du, orbita horietako batean zehar energia negatiboarekin mugitzen den moduan. Energiaren kontserbazioaren legearen arabera, ontziak energia zinetiko nahikoa lortzen du proiektilaren energiaren baliokide den atseden-masa galdua konpentsatzeko, eta, gainera, proiektilaren energia negatibo garbiaren baliokide positiboa irabazteko. Tiro egin ondoren jaurtigaia zulo beltz batean desagertu behar denez, ona litzateke hondakin mota batzuetatik egitea. Alde batetik, zulo beltz batek oraindik edozer jango du, baina, bestetik, inbertitu genuen baino energia gehiago itzuliko digu. Beraz, gainera, erosten dugun energia “berdea” izango da!
Kerr zulo beltz batetik atera daitekeen energia kopuru maximoa zuloak bira egiten duen abiaduraren araberakoa da. Kasurik muturrekoenean (ahalik eta biraketa-abiadurarik handienarekin), espazio-denboraren errotazio-energiak zulo beltzaren energia osoaren %29 hartzen du gutxi gorabehera. Hau ez dirudi askorik, baina gogoratu atseden masa osoaren zati bat dela! Konparazio baterako, gogoratu desintegrazio erradioaktiboko energiaz elikatzen diren erreaktore nuklearrek atseden-masaren baliokide den energiaren ehuneko hamarren bat baino gutxiago erabiltzen dutela.
Biratzen ari den zulo beltz baten horizontearen barruko espazio-denboraren geometria Schwarzschild-en espazio-denboraren oso desberdina da. Jarrai dezagun gure zundaketa eta ea zer gertatzen den. Hasieran, denak Schwarzschild kasuaren antzekoa dirudi. Lehen bezala, espazio-denbora kolapsatzen hasten da, dena berarekin batera arrastatuz zulo beltzaren erdialderantz, eta marea indarrak hazten hasten dira. Baina Kerr kasuan, erradioa zerora joan aurretik, kolapsoa moteldu eta alderantzikatzen hasten da. Azkar biratzen ari den zulo beltz batean, hori gertatuko da mareen indarrak zundaren osotasuna mehatxatzeko nahikoa indartsuak izan baino askoz lehenago. Hori zergatik gertatzen den intuizioz ulertzeko, gogora dezagun mekanika newtondarrean, errotazioan, indar zentrifugoa deritzona sortzen dela. Indar hori ez da oinarrizko indar fisikoetako bat: oinarrizko indarren ekintza konbinatuaren ondorioz sortzen da, beharrezkoa dena biraketa-egoera bat bermatzeko. Emaitza kanporantz zuzendutako indar eraginkor bat dela pentsa daiteke, indar zentrifugoa. Bira zorrotz batean sentitzen duzu azkar mugitzen den auto batean. Eta inoiz karrusel batean egon bazara, badakizu zenbat eta azkarrago bira egin, orduan eta estuago heldu behar diezula errailei, askatzen baduzu kanpora botako zarela. Espazio-denboraren analogia hau ez da aproposa, baina ongi ulertzen du. Kerr zulo beltz baten espazio-denboran momentu angeluarrak indar zentrifugo eraginkorra ematen du, erakarpen grabitatorioari aurre egiten diona. Horizontearen kolapsoak espazio-denbora erradio txikiagoetara eramaten duen heinean, indar zentrifugoa handitu egiten da eta azkenean kolapsoari aurre egiteko eta gero itzultzeko gai bihurtzen da.
Kolapsoa gelditzen den unean, zunda zulo beltzaren barruko horizonte deritzon mailara iristen da. Une honetan, mareen indarrak txikiak dira, eta zundak, gertaeren horizontea zeharkatu ondoren, denbora mugatu bat besterik ez du behar bertara iristeko. Hala ere, espazio-denbora kolapsatzeari utzi izanak ez du esan nahi gure arazoak amaitu direnik eta errotazioak Schwarzschild zulo beltzaren barruko berezitasuna nolabait ezabatu duenik. Hau oraindik urrun dago! Azken finean, 1960ko hamarkadaren erdialdera, Roger Penrose eta Stephen Hawking-ek singularitate-teorema-sistema bat frogatu zuten, eta hortik ondorioztatzen zen kolapso grabitatorio bat egon bazen, nahiz eta laburra izan, orduan singulartasun motaren bat sortu behar zela ondorioz. Schwarzschild kasuan, hori guztia barneratzen eta birrintzen duen berezitasun bat da, horizonte barruko espazio guztia menperatzen duena. Kerr-en soluzioan, singularitateak beste era batera jokatzen du eta, esan behar dut, nahiko ustekabean. Zunda barruko horizontera iristen denean, Kerr singulartasunak bere presentzia agerian uzten du, baina zundaren mundu-lerroaren iragan kausalean dago. Singulartasuna beti egon balitz bezala zen, baina orain bakarrik sentitu zuen zundak bere eragina bertara iristen. Honek zoragarria dirudiela esango duzu eta egia da. Eta espazio-denboraren irudian hainbat inkoherentzia daude, eta hortik ere argi dago erantzun hori ezin dela behin betikotzat hartu.
Barne-horizonteraino iristen den behatzaile baten iraganean agertzen den berezitasun baten lehen arazoa da une horretan Einsteinen ekuazioek ezin dutela horizonte horretatik kanpo espazio-denborarekin zer gertatuko den modu bakarrean aurreikusi. Hau da, zentzu batean, berezitasun baten presentziak edozer gauza ekar dezake. Beharbada, benetan gertatuko dena grabitate kuantikoaren teoriak azalduko digu, baina Einsteinen ekuazioek ez digute ezagutzeko aukerarik ematen. Interesagatik, jarraian deskribatuko dugu zer gertatuko litzatekeen espazio-denboraren horizontearen ebakidura matematikoki ahalik eta leunena izatea eskatuko bagenu (funtzio metrikoak, matematikariek diotenez, "analitikoak" balira), baina ez dago oinarri fisiko argirik. hipotesi horrengatik Ez. Funtsean, barruko horizontearen bigarren arazoak guztiz kontrakoa iradokitzen du: Unibertso errealean, materia eta energia zulo beltzetatik kanpo dauden, barruko horizontean espazio-denbora oso zakarra bihurtzen da, eta begizta-itxurako berezitasun bat garatzen da bertan. Ez da Schwarzschild soluzioko singularitatearen marea indar infinitua bezain suntsitzailea, baina, nolanahi ere, haren presentziak funtzio analitiko leunen ideiatik datozen ondorioak zalantzan jartzen ditu. Agian gauza ona da - hedapen analitikoa suposatzeak oso gauza bitxiak dakartza.
Funtsean, denboraren makina bat denbora-itxurako kurba itxien eskualdean funtzionatzen du. Singulartasunetik urrun, ez dago denbora-itxurako kurba itxirik, eta singulartasunaren eskualdeko indar iraultzaileez gain, espazio-denborak guztiz normala dirudi. Hala ere, badaude ibilbideak (ez dira geodesikoak, beraz kohete-motor bat behar duzu) denboraren antzeko kurba itxien eskualdera eramango zaituztenak. Han zaudenean, edozein norabidetan mugi zaitezke t koordenatuan zehar, hau da, urruneko behatzailearen denbora, baina zure denboran beti aurrera egingo duzu. Horrek esan nahi du nahi duzun unera joan zaitezkeela, eta gero espazio-denboraren urruneko zati batera itzul zaitezkeela, eta joan aurretik ere iritsi zaitezkeela. Noski, orain denborarako bidaiaren ideiarekin lotutako paradoxa guztiak bizitzen dira: adibidez, zer gertatzen da, denboran ibilaldi bat eginez, zure iraganeko buruari uko egiteko konbentzituko bazenu? Baina halako espazio-denbora motak existi daitezkeen eta harekin lotutako paradoxak nola konpondu daitezkeen liburu honen esparrutik kanpo dauden galderak dira. Hala ere, barruko horizontean dagoen "singularitate urdinaren" arazoarekin gertatzen den bezala, erlatibitate orokorrak denboraren antzeko kurba itxiak dituzten espazio-denbora-eskualdeak ezegonkorrak direla adierazten du: masa edo energia motaren bat konbinatzen saiatu bezain pronto. , eskualde hauek singular bihur daitezke. Gainera, gure Unibertsoan eratzen diren zulo beltz birakarietan, "singularitate urdina" bera da masa negatiboen eskualde bat eratzea eragotzi dezakeena (eta zulo zuriak sartzen diren Kerr-en beste unibertso guztiak). Hala ere, erlatibitate orokorrak irtenbide bitxiak ahalbidetzen dituela intrigazkoa da. Noski, erraza da patologia deklaratzea, baina ez dezagun ahaztu Einsteinek berak eta bere garaikide askok zulo beltzei buruz gauza bera esaten zutela.
» Liburuari buruzko xehetasun gehiago hemen aurki daitezke
Khabrozhiteleyrentzat % 25eko deskontua kupoia erabiliz - Zulo beltzak
Liburuaren paperezko bertsioa ordaintzean, liburuaren bertsio elektronikoa bidaliko da posta elektronikoz.
Iturria: www.habr.com