A pesar da complexidade do tema, o profesor da Universidade de Princeton Stephen Gubser ofrece unha introdución sucinta, accesible e entretida a unha das áreas máis debatidas da física na actualidade. Os buracos negros son obxectos reais, non só un experimento mental. Os buracos negros son moi convenientes desde o punto de vista teórico, xa que son matematicamente moito máis sinxelos que a maioría dos obxectos astrofísicos, como as estrelas. As cousas fanse estrañas cando resulta que os buracos negros non son realmente tan negros.
Que hai realmente dentro deles? Como podes imaxinar caer nun burato negro? Ou quizais xa estamos caendo niso e aínda non o sabemos?
Na xeometría de Kerr, existen órbitas xeodésicas, completamente encerradas na ergosfera, coa seguinte propiedade: as partículas que se moven ao longo delas teñen enerxías potenciais negativas que superan en valor absoluto ás masas en repouso e ás enerxías cinéticas destas partículas xuntas. Isto significa que a enerxía total destas partículas é negativa. É esta circunstancia a que se utiliza no proceso de Penrose. Mentres está dentro da ergosfera, a nave que extrae enerxía dispara un proxectil de tal xeito que se move ao longo dunha destas órbitas con enerxía negativa. Segundo a lei de conservación da enerxía, o barco gaña enerxía cinética suficiente para compensar a masa en repouso perdida equivalente á enerxía do proxectil, e ademais para gañar o equivalente positivo da enerxía negativa neta do proxectil. Dado que o proxectil debería desaparecer nun burato negro despois de ser disparado, sería bo facelo con algún tipo de residuos. Por unha banda, o buraco negro seguirá comendo calquera cousa, pero por outra banda, devolveranos máis enerxía da que investimos. Así que, ademais, a enerxía que merquemos será "verde"!
A cantidade máxima de enerxía que se pode extraer dun buraco negro de Kerr depende da rapidez coa que estea xirando o burato. No caso máis extremo (á máxima velocidade de rotación posible), a enerxía de rotación do espazo-tempo representa aproximadamente o 29% da enerxía total do buraco negro. Isto pode non parecer moito, pero recorda que é unha fracción da masa total en repouso. A modo de comparación, lembre que os reactores nucleares alimentados con enerxía de desintegración radioactiva usan menos dunha décima parte do un por cento da enerxía equivalente á masa en repouso.
A xeometría do espazo-tempo dentro do horizonte dun buraco negro xirando é drasticamente diferente do espazo-tempo de Schwarzschild. Sigamos a nosa sonda e vexamos que pasa. Ao principio, todo se parece ao caso Schwarzschild. Como antes, o espazo-tempo comeza a colapsar, arrastrando todo xunto con el cara ao centro do buraco negro, e as forzas das mareas comezan a crecer. Pero no caso Kerr, antes de que o raio chegue a cero, o colapso diminúe e comeza a reverter. Nun buraco negro de rotación rápida, isto ocorrerá moito antes de que as forzas das mareas sexan o suficientemente fortes como para ameazar a integridade da sonda. Para comprender intuitivamente por que ocorre isto, lembremos que na mecánica newtoniana, durante a rotación, xorde a chamada forza centrífuga. Esta forza non é unha das forzas físicas fundamentais: xorde como resultado da acción combinada de forzas fundamentais, que é necesaria para garantir un estado de rotación. O resultado pódese pensar como unha forza eficaz dirixida cara a fóra: forza centrífuga. Sénteso nun xiro pronunciado nun coche en movemento rápido. E se algunha vez estiveches nun carrusel, sabes que canto máis rápido xira, máis forte tes que agarrar os carrís porque se te soltas, botarás. Esta analoxía para o espazo-tempo non é ideal, pero enténdese correctamente. O momento angular no espazo-tempo dun buraco negro de Kerr proporciona unha forza centrífuga efectiva que contrarresta a atracción gravitatoria. A medida que o colapso dentro do horizonte atrae o espazo-tempo a radios máis pequenos, a forza centrífuga aumenta e, finalmente, é capaz de contrarrestar o colapso e despois reverter.
No momento en que se detén o colapso, a sonda alcanza un nivel chamado horizonte interior do buraco negro. Neste punto, as forzas das mareas son pequenas e a sonda, unha vez que atravesou o horizonte de eventos, só tarda un tempo finito en alcanzalo. Non obstante, só porque o espazo-tempo deixou de colapsar non significa que os nosos problemas rematen e que a rotación eliminou dalgún xeito a singularidade dentro do burato negro de Schwarzschild. Isto aínda está moi lonxe! Despois de todo, a mediados da década de 1960, Roger Penrose e Stephen Hawking demostraron un sistema de teoremas de singularidade, do que se desprendeu que se había un colapso gravitatorio, aínda que fose breve, entón debería formarse algunha forma de singularidade como resultado. No caso Schwarzschild, trátase dunha singularidade que abarca todo e que esmaga todo que somete todo o espazo dentro do horizonte. Na solución de Kerr, a singularidade compórtase de forma diferente e, debo dicir, de forma bastante inesperada. Cando a sonda chega ao horizonte interior, a singularidade de Kerr revela a súa presenza, pero resulta que está no pasado causal da liña do mundo da sonda. Era coma se a singularidade estivera aí sempre, pero só agora a sonda sentiu que a súa influencia chegaba a ela. Dirás que isto soa fantástico, e é verdade. E hai varias inconsistencias na imaxe do espazo-tempo, das que tamén se desprende que esta resposta non pode considerarse definitiva.
O primeiro problema cunha singularidade que aparece no pasado dun observador que chega ao horizonte interior é que nese momento as ecuacións de Einstein non poden predecir de forma única o que sucederá co espazo-tempo fóra dese horizonte. É dicir, en certo sentido, a presenza dunha singularidade pode levar a calquera cousa. Quizais nos poida explicar o que sucederá realmente coa teoría da gravidade cuántica, pero as ecuacións de Einstein non nos dan ningunha posibilidade de sabelo. Só por interese, describimos a continuación o que sucedería se requirimos que a intersección do horizonte espazo-temporal sexa o máis suave posible matematicamente (se as funcións métricas fosen, como din os matemáticos, "analíticas"), pero non hai unha base física clara. por tal suposición Non. En esencia, o segundo problema co horizonte interior suxire exactamente o contrario: no Universo real, no que a materia e a enerxía existen fóra dos buracos negros, o espazo-tempo no horizonte interior vólvese moi áspero e alí desenvólvese unha singularidade tipo bucle. Non é tan destrutivo como a forza de marea infinita da singularidade na solución de Schwarzschild, pero en calquera caso a súa presenza pon en dúbida as consecuencias que se derivan da idea de funcións analíticas suaves. Quizais isto sexa bo: a suposición da expansión analítica implica cousas moi estrañas.
En esencia, unha máquina do tempo opera na rexión de curvas temporais pechadas. Lonxe da singularidade, non hai curvas temporais pechadas, e ademais das forzas repulsivas na rexión da singularidade, o espazo-tempo parece completamente normal. Non obstante, hai traxectorias (non son xeodésicas, polo que necesitas un motor foguete) que te levarán á rexión de curvas temporais pechadas. Unha vez que esteas alí, podes moverte en calquera dirección ao longo da coordenada t, que é o tempo do observador distante, pero no teu tempo seguirás sempre avanzando. Isto significa que podes ir a calquera momento que queiras, e despois volver a unha parte distante do espazo-tempo, e mesmo chegar alí antes de ir. Por suposto, agora cobran vida todos os paradoxos asociados á idea da viaxe no tempo: por exemplo, e se, facendo un paseo no tempo, convenceses ao teu pasado para que renunciase a iso? Pero se tales tipos de espazo-tempo poden existir e como se poden resolver os paradoxos asociados a el son cuestións máis aló do alcance deste libro. Porén, do mesmo xeito que co problema da "singularidade azul" no horizonte interior, a relatividade xeral contén indicacións de que as rexións do espazo-tempo con curvas temporais pechadas son inestables: tan pronto como se intenta combinar algún tipo de masa ou enerxía. , estas rexións poden facerse singulares. Ademais, nos buracos negros rotativos que se forman no noso Universo, é a propia "singularidade azul" a que pode evitar a formación dunha rexión de masas negativas (e todos os outros universos de Kerr aos que conducen os buracos brancos). Non obstante, o feito de que a relatividade xeral permita solucións tan estrañas é intrigante. Por suposto, é doado declaralos unha patoloxía, pero non esquezamos que o propio Einstein e moitos dos seus contemporáneos dixeron o mesmo dos buracos negros.
» Podes atopar máis detalles sobre o libro en
Para Khabrozhiteley 25% de desconto usando o cupón - Buracos negros
Tras o pagamento da versión en papel do libro, enviarase unha versión electrónica do libro por correo electrónico.
Fonte: www.habr.com