علیرغم پیچیدگی موضوع، استاد دانشگاه پرینستون، استفان گابسر، مقدمه‌ای مختصر، قابل دسترس و سرگرم‌کننده برای یکی از بحث‌برانگیزترین حوزه‌های فیزیک امروزی ارائه می‌کند. سیاهچاله ها اجرام واقعی هستند، نه فقط یک آزمایش فکری! سیاهچاله ها از دیدگاه نظری بسیار راحت هستند، زیرا از نظر ریاضی بسیار ساده تر از بسیاری از اجرام اخترفیزیکی مانند ستاره ها هستند. وقتی معلوم می شود که سیاهچاله ها واقعاً سیاه نیستند، همه چیز عجیب می شود.
واقعاً درون آنها چیست؟ چگونه می توانید تصور کنید که در یک سیاهچاله سقوط کنید؟ یا شاید ما در حال حاضر درگیر آن هستیم و هنوز در مورد آن نمی دانیم؟
در هندسه کر، مدارهای ژئودزیکی وجود دارد که کاملاً در ارگوسفر محصور شده‌اند، با این ویژگی: ذرات که در امتداد آنها حرکت می‌کنند دارای انرژی‌های بالقوه منفی هستند که از نظر مقدار مطلق بیشتر از جرم‌های باقیمانده و انرژی جنبشی این ذرات در کنار هم هستند. یعنی انرژی کل این ذرات منفی است. این شرایط است که در فرآیند Penrose استفاده می شود. در حالی که در داخل ارگوسفر است، کشتی استخراج کننده انرژی، پرتابه ای را به گونه ای پرتاب می کند که در امتداد یکی از این مدارها با انرژی منفی حرکت می کند. طبق قانون بقای انرژی، کشتی انرژی جنبشی کافی برای جبران جرم استراحت از دست رفته معادل انرژی پرتابه به دست می آورد و علاوه بر آن معادل مثبت انرژی منفی خالص پرتابه را نیز به دست می آورد. از آنجایی که پرتابه باید پس از شلیک در سیاهچاله ناپدید شود، خوب است که آن را از نوعی زباله ساخته شود. از یک طرف، یک سیاهچاله همچنان هر چیزی را می خورد، اما از طرف دیگر، انرژی بیشتری نسبت به سرمایه گذاری ما به ما باز می گرداند. بنابراین، علاوه بر این، انرژی خریداری شده ما "سبز" خواهد بود!
حداکثر مقدار انرژی که می توان از سیاهچاله کر استخراج کرد به سرعت چرخش چاله بستگی دارد. در شدیدترین حالت (در حداکثر سرعت چرخش ممکن)، انرژی دورانی فضا-زمان تقریباً 29٪ از کل انرژی سیاهچاله را تشکیل می دهد. این ممکن است زیاد به نظر نرسد، اما به یاد داشته باشید که کسری از کل جرم استراحت است! برای مقایسه، به یاد داشته باشید که راکتورهای هسته ای که با انرژی واپاشی رادیواکتیو کار می کنند، کمتر از یک دهم درصد انرژی معادل جرم سکون مصرف می کنند.
هندسه فضا-زمان در افق یک سیاهچاله در حال چرخش به طور چشمگیری با فضازمان شوارتزشیلد متفاوت است. بیایید تحقیقات خود را دنبال کنیم و ببینیم چه اتفاقی می افتد. در ابتدا، همه چیز شبیه به پرونده شوارتزشیلد است. مانند قبل، فضازمان شروع به فروپاشی می کند و همه چیز را به همراه خود به سمت مرکز سیاهچاله می کشد و نیروهای جزر و مدی شروع به رشد می کنند. اما در مورد کر، قبل از اینکه شعاع به صفر برسد، فروپاشی کند می شود و شروع به معکوس می کند. در سیاهچاله‌هایی که به سرعت در حال چرخش هستند، این اتفاق مدت‌ها قبل از اینکه نیروهای جزر و مدی آنقدر قوی شوند که یکپارچگی کاوشگر را تهدید کنند، اتفاق می‌افتد. برای درک شهودی چرایی این اتفاق، به یاد بیاوریم که در مکانیک نیوتنی، در حین چرخش، به اصطلاح نیروی گریز از مرکز پدید می آید. این نیرو یکی از نیروهای فیزیکی اساسی نیست: در نتیجه عمل ترکیبی نیروهای اساسی ایجاد می شود که برای اطمینان از وضعیت چرخش ضروری است. نتیجه را می توان به عنوان نیروی مؤثری در نظر گرفت که به بیرون هدایت می شود - نیروی گریز از مرکز. شما آن را در یک پیچ تند در یک ماشین با سرعت در حال حرکت احساس می کنید. و اگر تا به حال روی چرخ و فلک بوده اید، می دانید که هر چه سریعتر بچرخد، باید ریل ها را محکم تر بگیرید زیرا اگر رها کنید، به بیرون پرتاب خواهید شد. این تشبیه برای فضا-زمان ایده‌آل نیست، اما به درستی موضوع را بیان می‌کند. تکانه زاویه ای در فضازمان یک سیاهچاله کر نیروی گریز از مرکز موثری را ایجاد می کند که کشش گرانشی را خنثی می کند. همانطور که فروپاشی درون افق فضازمان را به شعاع های کوچکتر می کشد، نیروی گریز از مرکز افزایش می یابد و در نهایت قادر می شود ابتدا فروپاشی را خنثی کند و سپس آن را معکوس کند.
در لحظه ای که فروپاشی متوقف می شود، کاوشگر به سطحی می رسد که به آن افق داخلی سیاهچاله می گویند. در این نقطه، نیروهای جزر و مدی اندک هستند و کاوشگر، پس از عبور از افق رویداد، تنها زمان محدودی برای رسیدن به آن طول می کشد. با این حال، فقط به این دلیل که فضا-زمان فروپاشی خود را متوقف کرده است به این معنی نیست که مشکلات ما تمام شده اند و این چرخش به نوعی تکینگی درون سیاهچاله شوارتزشیلد را از بین برده است. این هنوز راه درازی است! از این گذشته، در اواسط دهه 1960، راجر پنروز و استیون هاوکینگ سیستمی از قضایای تکینگی را اثبات کردند، که از آن نتیجه گرفت که اگر یک فروپاشی گرانشی، حتی کوتاه، وجود داشته باشد، در نتیجه باید نوعی از تکینگی شکل بگیرد. در مورد شوارتزشیلد، این یک تکینگی فراگیر و همه جانبه است که تمام فضای درون افق را تحت سلطه خود در می آورد. در راه حل کر، تکینگی رفتار متفاوتی دارد و باید بگویم کاملاً غیرمنتظره است. وقتی کاوشگر به افق درونی می‌رسد، تکینگی کر حضور خود را آشکار می‌کند - اما معلوم می‌شود که در گذشته علّی خط جهانی کاوشگر است. گویی این تکینگی همیشه وجود داشته است، اما تنها اکنون کاوشگر نفوذ خود را احساس کرد که به آن رسیده است. شما خواهید گفت که این فوق العاده به نظر می رسد، و درست است. و چندین تناقض در تصویر فضا-زمان وجود دارد که از آنها نیز مشخص است که این پاسخ را نمی توان نهایی دانست.
اولین مشکل با یک تکینگی که در گذشته ناظری که به افق درونی می رسد ظاهر می شود این است که در آن لحظه معادلات انیشتین نمی توانند به طور منحصر به فرد پیش بینی کنند که در خارج از آن افق چه اتفاقی برای فضازمان می افتد. یعنی به تعبیری وجود یک تکینگی می تواند به هر چیزی منجر شود. شاید بتوان با تئوری گرانش کوانتومی آنچه را که واقعاً اتفاق خواهد افتاد برای ما توضیح داد، اما معادلات اینشتین هیچ شانسی برای دانستن به ما نمی دهد. فقط به دلیل علاقه، در زیر توضیح می دهیم که اگر بخواهیم تقاطع افق فضا-زمان تا حد ممکن از نظر ریاضی صاف باشد (اگر توابع متریک، همانطور که ریاضیدانان می گویند، "تحلیلی" باشند)، چه اتفاقی می افتد، اما هیچ مبنای فیزیکی روشنی وجود ندارد. برای چنین فرضی شماره در اصل، مشکل دوم با افق درونی دقیقاً خلاف این را نشان می دهد: در جهان واقعی، که در آن ماده و انرژی خارج از سیاهچاله ها وجود دارد، فضا-زمان در افق درونی بسیار ناهموار می شود و یک تکینگی حلقه مانند در آنجا ایجاد می شود. به اندازه نیروی جزر و مدی نامتناهی تکینگی در راه حل شوارتزشیلد مخرب نیست، اما در هر صورت وجود آن در مورد پیامدهای ناشی از ایده توابع تحلیلی صاف تردید ایجاد می کند. شاید این خوب باشد - فرض گسترش تحلیلی مستلزم چیزهای بسیار عجیبی است.
در اصل، یک ماشین زمان در ناحیه منحنی‌های زمان‌مانند بسته عمل می‌کند. دور از تکینگی، هیچ منحنی زمانی بسته ای وجود ندارد، و جدا از نیروهای دافعه در ناحیه تکینگی، فضازمان کاملاً عادی به نظر می رسد. با این حال، مسیرهایی وجود دارد (آنها ژئودزیکی نیستند، بنابراین شما به یک موتور موشک نیاز دارید) که شما را به منطقه منحنی های بسته زمانی می برد. هنگامی که آنجا هستید، می توانید در امتداد مختصات t در هر جهتی حرکت کنید، که زمان ناظر دور است، اما در زمان خود شما همچنان همیشه به جلو حرکت خواهید کرد. این بدان معنی است که شما می توانید به هر زمانی که می خواهید بروید و سپس به قسمت دوردست فضا-زمان بازگردید - و حتی قبل از رفتن به آنجا برسید. البته، اکنون تمام پارادوکس‌های مرتبط با ایده سفر در زمان زنده می‌شوند: برای مثال، چه می‌شود اگر با قدم زدن در زمان، خود گذشته خود را متقاعد کنید که آن را رها کند؟ اما اینکه آیا چنین نوع فضا-زمانی می‌تواند وجود داشته باشد و چگونه می‌توان تناقض‌های مرتبط با آن را حل کرد، سؤالاتی است که از حوصله این کتاب خارج است. با این حال، درست مانند مسئله «تکینگی آبی» در افق درونی، نسبیت عام نشانه هایی دارد که مناطق فضا-زمان با منحنی های زمانی بسته ناپایدار هستند: به محض اینکه بخواهید مقداری جرم یا انرژی را ترکیب کنید. ، این مناطق می توانند منفرد شوند. علاوه بر این، در سیاه‌چاله‌های چرخشی که در جهان ما شکل می‌گیرند، این خود «تکینگی آبی» است که می‌تواند از تشکیل ناحیه‌ای از توده‌های منفی (و همه جهان‌های دیگر کر که سفیدچاله‌ها به آن منتهی می‌شوند) جلوگیری کند. با این وجود، این واقعیت که نسبیت عام اجازه چنین راه حل های عجیبی را می دهد، جالب است. البته، به راحتی می توان آنها را یک آسیب شناسی اعلام کرد، اما فراموش نکنیم که خود انیشتین و بسیاری از معاصرانش همین را در مورد سیاهچاله ها گفته اند.
» جزئیات بیشتر در مورد کتاب را می توانید در اینجا بیابید
برای Khabrozhiteley 25% تخفیف با استفاده از کوپن - سیاه چاله ها
پس از پرداخت وجه نسخه کاغذی کتاب، نسخه الکترونیکی کتاب از طریق ایمیل ارسال خواهد شد.
منبع: www.habr.com