Huolimatta aiheen monimutkaisuudesta, Princetonin yliopiston professori Stephen Gubser tarjoaa ytimekkäästi, helposti lähestyttävän ja viihdyttävän johdannon yhdelle tämän päivän kiistelymmistä fysiikan alueista. Mustat aukot ovat todellisia esineitä, eivät vain ajatuskokeilua! Mustat aukot ovat teoreettisesti erittäin käteviä, koska ne ovat matemaattisesti paljon yksinkertaisempia kuin useimmat astrofysikaaliset esineet, kuten tähdet. Asiat muuttuvat oudoksi, kun käy ilmi, etteivät mustat aukot todellakaan ole niin mustia.
Mitä niiden sisällä oikein on? Kuinka voit kuvitella putoavansa mustaan aukkoon? Tai ehkä olemme jo pudonneet siihen emmekä vain tiedä siitä vielä?
Kerr-geometriassa on geodeettisia kiertoradoja, jotka ovat täysin suljettuina ergosfäärissä ja joilla on seuraava ominaisuus: niitä pitkin liikkuvilla hiukkasilla on negatiivinen potentiaalienergia, joka ylittää absoluuttisina arvoina näiden hiukkasten lepomassat ja kineettiset energiat yhdessä. Tämä tarkoittaa, että näiden hiukkasten kokonaisenergia on negatiivinen. Tätä seikkaa käytetään Penrose-prosessissa. Ollessaan ergosfäärin sisällä energiaa ottava alus laukaisee ammuksen siten, että se liikkuu jollakin näistä kiertoradoista negatiivisella energialla. Energian säilymislain mukaan alus saa riittävästi kineettistä energiaa kompensoimaan ammuksen energiaa vastaavan menetetyn lepomassan ja lisäksi saamaan positiivisen ekvivalentin ammuksen negatiivisesta nettoenergiasta. Koska ammuksen pitäisi hävitä mustaan aukkoon ampumisen jälkeen, se olisi hyvä tehdä jostain jätteestä. Toisaalta musta aukko syö silti mitä tahansa, mutta toisaalta se palauttaa meille enemmän energiaa kuin olemme sijoittaneet. Joten lisäksi ostamamme energia on "vihreää"!
Kerrin mustasta aukosta saatava enimmäisenergiamäärä riippuu siitä, kuinka nopeasti reikä pyörii. Äärimmäisessä tapauksessa (maksimi mahdollisella pyörimisnopeudella) avaruus-ajan pyörimisenergia on noin 29 % mustan aukon kokonaisenergiasta. Tämä ei ehkä vaikuta suurelta, mutta muista, että se on murto-osa kokonaislepomassasta! Vertailun vuoksi muista, että radioaktiivisella hajoamisenergialla toimivat ydinreaktorit käyttävät alle kymmenesosan prosentin lepomassaa vastaavasta energiasta.
Pyörivän mustan aukon horisontissa olevan aika-avaruuden geometria eroaa dramaattisesti Schwarzschildin avaruusajasta. Seurataan tutkimusta ja katsotaan mitä tapahtuu. Aluksi kaikki näyttää samalta kuin Schwarzschildin tapaus. Kuten ennenkin, aika-avaruus alkaa romahtaa ja vetää kaiken mukanaan kohti mustan aukon keskustaa, ja vuorovesivoimat alkavat kasvaa. Mutta Kerrin tapauksessa, ennen kuin säde menee nollaan, romahdus hidastuu ja alkaa kääntyä. Nopeasti pyörivässä mustassa aukossa tämä tapahtuu kauan ennen kuin vuorovesivoimat tulevat tarpeeksi vahvoiksi uhkaamaan luotain eheyttä. Ymmärtääksemme intuitiivisesti, miksi näin tapahtuu, muistakaamme, että Newtonin mekaniikassa pyörimisen aikana syntyy niin sanottu keskipakovoima. Tämä voima ei ole yksi fyysisistä perusvoimista: se syntyy perusvoimien yhteisvaikutuksesta, mikä on välttämätöntä pyörimistilan varmistamiseksi. Tulosta voidaan pitää tehokkaana ulospäin suuntautuvana voimana – keskipakovoimana. Tunnet sen jyrkässä käännöksessä nopeasti liikkuvassa autossa. Ja jos olet koskaan ollut karusellissa, tiedät, että mitä nopeammin se pyörii, sitä tiukemmin sinun on tartuttava kiskoihin, koska jos päästät irti, sinut heitetään ulos. Tämä analogia aika-avaruudelle ei ole ihanteellinen, mutta se saa asian perille oikein. Kerrin mustan aukon aika-avaruuden kulmamomentti tarjoaa tehokkaan keskipakovoiman, joka vastustaa painovoimaa. Kun horisontin sisällä tapahtuva romahdus vetää avaruus-aikaa pienemmille säteille, keskipakovoima kasvaa ja pystyy lopulta vastustamaan romahdusta ja kääntämään sen sitten takaisin.
Sillä hetkellä, kun romahdus pysähtyy, luotain saavuttaa tason, jota kutsutaan mustan aukon sisähorisontiksi. Tässä vaiheessa vuorovesivoimat ovat pieniä, ja kun luotain on ylittänyt tapahtumahorisontin, sen saavuttamiseen kuluu vain rajallinen aika. Se, että aika-avaruus on lakannut romahtamasta, ei kuitenkaan tarkoita, että ongelmamme olisivat ohi ja että pyöriminen on jollakin tavalla eliminoinut singulaarisuuden Schwarzschildin mustan aukon sisällä. Tästä on vielä matkaa! Loppujen lopuksi 1960-luvun puolivälissä Roger Penrose ja Stephen Hawking osoittivat singulaarisuuslauseiden järjestelmän, josta seurasi, että jos tapahtuisi painovoiman romahdus, vaikka lyhytkin, sen seurauksena pitäisi muodostua jonkinlainen singulaarisuus. Schwarzschildin tapauksessa tämä on kaiken kattava ja murskaava singulaarisuus, joka alistaa kaiken horisontin avaruuden. Kerrin ratkaisussa singulaarisuus käyttäytyy eri tavalla ja, täytyy sanoa, melko odottamatta. Kun luotain saavuttaa sisäisen horisontin, Kerr-singulaarisuus paljastaa läsnäolonsa - mutta se osoittautuu olevan luotain maailmanlinjan kausaalisessa menneisyydessä. Tuntui kuin singulaarisuus olisi ollut aina olemassa, mutta vasta nyt luotain tunsi vaikutuksensa saavuttavan sen. Sanotte, että tämä kuulostaa fantastiselta, ja se on totta. Ja aika-avaruuskuvassa on useita epäjohdonmukaisuuksia, joista on myös selvää, ettei tätä vastausta voida pitää lopullisena.
Ensimmäinen ongelma sisäisen horisontin saavuttavan havainnoijan menneisyydessä ilmaantuvan singulaarisuuden kanssa on se, että Einsteinin yhtälöt eivät tällä hetkellä pysty ennustamaan yksiselitteisesti, mitä tapahtuu avaruusajalle tuon horisontin ulkopuolella. Eli tietyssä mielessä singulaarisuuden läsnäolo voi johtaa mihin tahansa. Ehkä se, mitä todella tapahtuu, voidaan selittää meille kvanttigravitaation teorialla, mutta Einsteinin yhtälöt eivät anna meille mitään mahdollisuutta tietää. Mielenkiinnosta kuvataan alla, mitä tapahtuisi, jos vaadittaisiin, että aika-avaruushorisontin leikkauspiste on mahdollisimman tasainen matemaattisesti mahdollista (jos metriset funktiot olisivat, kuten matemaatikot sanovat, "analyyttisiä"), mutta selkeää fyysistä perustaa ei ole. sellaiselle olettamukselle nro. Pohjimmiltaan toinen sisäisen horisontin ongelma viittaa juuri päinvastaiseen: todellisessa universumissa, jossa ainetta ja energiaa esiintyy mustien aukkojen ulkopuolella, aika-avaruus sisähorisontissa muuttuu hyvin karkeaksi ja sinne kehittyy silmukkamainen singulaarisuus. Se ei ole yhtä tuhoisa kuin Schwarzschildin ratkaisun singulariteetin ääretön vuorovesivoima, mutta joka tapauksessa sen olemassaolo asettaa kyseenalaiseksi seuraukset, jotka johtuvat ajatuksesta sileistä analyyttisista funktioista. Ehkä tämä on hyvä asia - analyyttisen laajentumisen oletus sisältää hyvin outoja asioita.
Pohjimmiltaan aikakone toimii suljettujen aikakaltaisten käyrien alueella. Kaukana singulaarisuudesta, suljettuja aikakaltaisia käyriä ei ole, ja singulaarisuuden alueella olevia hylkimisvoimia lukuun ottamatta aika-avaruus näyttää täysin normaalilta. On kuitenkin olemassa lentoratoja (ne eivät ole geodeettisia, joten tarvitset rakettimoottorin), jotka vievät sinut suljettujen aikamaisten käyrien alueelle. Kun olet paikalla, voit liikkua mihin tahansa suuntaan t-koordinaattia pitkin, joka on kaukaisen tarkkailijan aika, mutta omassa ajassasi kuljet silti aina eteenpäin. Tämä tarkoittaa, että voit mennä mihin tahansa t haluamaasi aikaan ja palata sitten aika-avaruuden kaukaiseen osaan - ja jopa saapua sinne ennen kuin lähdet. Tietenkin nyt kaikki aikamatkustusajatukseen liittyvät paradoksit heräävät henkiin: esimerkiksi entä jos aikakävelyllä vakuuttaisit entisen minäsi luopumaan siitä? Mutta voiko tällaista aika-avaruutta olla olemassa ja miten siihen liittyvät paradoksit voidaan ratkaista, ovat kysymyksiä, jotka eivät kuulu tämän kirjan piiriin. Kuitenkin, aivan kuten sisäisen horisontin "sinisen singulaarisuuden" ongelma, yleinen suhteellisuusteoria sisältää viitteitä siitä, että aika-avaruuden alueet suljetuilla aikakäyrillä ovat epävakaita: heti kun yrität yhdistää jonkinlaisen määrän massaa tai energiaa , näistä alueista voi tulla yksittäisiä. Lisäksi universumissamme muodostuvissa pyörivissä mustissa aukoissa itse "sininen singulaarisuus" voi estää negatiivisten massojen alueen muodostumisen (ja kaikki Kerrin muut universumit, joihin valkoiset aukot johtavat). Siitä huolimatta se tosiasia, että yleinen suhteellisuusteoria sallii tällaisia outoja ratkaisuja, on kiehtovaa. Tietysti on helppo julistaa ne patologiaksi, mutta älkäämme unohtako, että Einstein itse ja monet hänen aikalaisensa sanoivat saman asian mustista aukoista.
» Lisätietoja kirjasta on osoitteessa
Khabrozhitelille 25% alennus kupongista - Mustat aukot
Kun kirjan paperiversio on maksettu, kirjasta lähetetään sähköinen versio sähköpostitse.
Lähde: will.com