A téma összetettsége ellenére Stephen Gubser, a Princeton Egyetem professzora tömör, hozzáférhető és szórakoztató bevezetést kínál a fizika egyik legvitatottabb területéhez. A fekete lyukak valódi tárgyak, nem csak egy gondolatkísérlet! A fekete lyukak elméleti szempontból rendkívül kényelmesek, mivel matematikailag sokkal egyszerűbbek, mint a legtöbb asztrofizikai objektum, például a csillagok. A dolgok furcsává válnak, amikor kiderül, hogy a fekete lyukak valójában nem is olyan feketék.
Mi van valójában bennük? Hogyan képzelheti el, hogy belezuhan egy fekete lyukba? Vagy talán már beleesünk, és csak még nem tudunk róla?
A Kerr-geometriában léteznek az ergoszférába teljesen bezárt geodéziai pályák, amelyek a következő tulajdonsággal rendelkeznek: a rajtuk mozgó részecskék negatív potenciális energiákkal rendelkeznek, amelyek abszolút értékben felülmúlják e részecskék nyugalmi tömegét és kinetikus energiáit együttvéve. Ez azt jelenti, hogy ezeknek a részecskéknek az összenergiája negatív. Ezt a körülményt használják a Penrose-eljárásban. Az ergoszférában tartózkodva az energiát kinyerő hajó egy lövedéket lő ki oly módon, hogy az egyik ilyen pályán negatív energiával mozog. Az energiamegmaradás törvénye szerint a hajó elegendő mozgási energiára tesz szert, hogy kompenzálja a lövedék energiájával egyenértékű elveszett nyugalmi tömeget, és emellett megszerezze a lövedék nettó negatív energiájának pozitív egyenértékét. Mivel a lövedéknek el kell tűnnie egy fekete lyukban, miután kilőtték, jó lenne valamilyen hulladékból elkészíteni. Egyrészt egy fekete lyuk akkor is bármit megesz, másrészt viszont több energiát ad vissza nekünk, mint amennyit befektettünk. Így ráadásul az általunk vásárolt energia „zöld” lesz!
A Kerr fekete lyukból kinyerhető maximális energiamennyiség attól függ, hogy milyen gyorsan forog a lyuk. A legszélsőségesebb esetben (a lehető legnagyobb forgási sebesség mellett) a téridő forgási energiája a fekete lyuk összenergiájának körülbelül 29%-át teszi ki. Lehet, hogy ez nem tűnik soknak, de ne feledje, hogy ez a teljes nyugalmi tömeg töredéke! Összehasonlításképpen ne feledjük, hogy a radioaktív bomlási energiával működő atomreaktorok a nyugalmi tömegnek megfelelő energia kevesebb mint egytizedét használják fel.
A forgó fekete lyuk horizontján belüli téridő geometriája drámaian különbözik a Schwarzschild-téridőtől. Kövessük a szondánkat, és nézzük meg, mi történik. Elsőre minden hasonlít a Schwarzschild-ügyhöz. Ahogy korábban, a téridő elkezd összeomlani, mindent magával rántva a fekete lyuk közepe felé, és az árapály-erők növekedni kezdenek. De a Kerr-esetben, mielőtt a sugár nullára csökkenne, az összeomlás lelassul és megfordul. Egy gyorsan forgó fekete lyukban ez jóval azelőtt megtörténik, hogy az árapály-erők elég erősek lesznek ahhoz, hogy veszélybe sodorják a szonda épségét. Hogy intuitív módon megértsük, miért történik ez, ne feledjük, hogy a newtoni mechanikában a forgás során úgynevezett centrifugális erő keletkezik. Ez az erő nem tartozik az alapvető fizikai erők közé: alapvető erők együttes hatásának eredményeként jön létre, amely szükséges a forgásállapot biztosításához. Az eredményt kifelé irányuló hatékony erőnek – centrifugális erőnek – tekinthetjük. Egy gyorsan mozgó autó éles kanyarjában érzi. És ha már jártál körhintán, tudod, hogy minél gyorsabban forog, annál erősebben kell kapaszkodnod a sínekbe, mert ha elengeded, kidobnak. Ez a téridő hasonlat nem ideális, de a lényeget helyesen érzékelteti. A Kerr fekete lyuk téridejében a szögimpulzus hatékony centrifugális erőt biztosít, amely ellensúlyozza a gravitációs húzást. Ahogy a horizonton belüli összeomlás kisebb sugarúra húzza a téridőt, a centrifugális erő növekszik, és végül képessé válik az összeomlás ellensúlyozására, majd visszafordítására.
Abban a pillanatban, amikor az összeomlás megáll, a szonda eléri azt a szintet, amelyet a fekete lyuk belső horizontjának neveznek. Ezen a ponton az árapály erők kicsik, és a szondának, miután átlépte az eseményhorizontot, csak véges időre van szüksége ahhoz, hogy elérje. Azonban az, hogy a téridő megállt, nem jelenti azt, hogy a problémáink véget értek, és a forgás valahogy megszüntette a Schwarzschild fekete lyukon belüli szingularitást. Ez még messze van! Hiszen az 1960-as évek közepén Roger Penrose és Stephen Hawking bebizonyította a szingularitási tételek rendszerét, amiből az következett, hogy ha gravitációs összeomlás következik be, még ha rövid is, akkor ennek eredményeként létrejön a szingularitás valamilyen formája. Schwarzschild-ügyben ez egy mindent magába foglaló és mindent összetörő szingularitás, amely a horizonton belüli minden teret leigázza. Kerr megoldásában a szingularitás másként viselkedik, és meg kell mondanom, egészen váratlanul. Amikor a szonda eléri a belső horizontot, a Kerr szingularitás felfedi jelenlétét – de kiderül, hogy a szonda világvonalának okozati múltjában van. Mintha a szingularitás mindig is ott lett volna, de a szonda csak most érezte, hogy eléri a hatását. Azt fogja mondani, hogy ez fantasztikusan hangzik, és ez igaz. A téridő képében pedig több inkonzisztencia is van, amiből az is jól látszik, hogy ez a válasz nem tekinthető véglegesnek.
A belső horizontot elérő megfigyelő múltjában megjelenő szingularitás első problémája az, hogy abban a pillanatban az Einstein-egyenletek nem tudják egyértelműen megjósolni, mi fog történni a téridővel azon a horizonton kívül. Vagyis bizonyos értelemben a szingularitás jelenléte bármihez vezethet. Azt, hogy valójában mi fog történni, talán a kvantumgravitáció elméletével magyarázhatjuk meg, de az Einstein-egyenletek nem adnak esélyt a tudásra. Csak érdeklődésből az alábbiakban leírjuk, mi történne, ha megkövetelnénk, hogy a téridő-horizont metszéspontja a lehető legsimább legyen matematikailag (ha a metrikus függvények, ahogy a matematikusok mondják, "analitikusak" lennének), de ennek nincs egyértelmű fizikai alapja. egy ilyen feltételezésért No. Lényegében a belső horizonttal kapcsolatos második probléma pontosan az ellenkezőjét sugallja: a valódi Univerzumban, amelyben az anyag és az energia a fekete lyukakon kívül létezik, a belső horizonton a téridő nagyon eldurvul, és ott hurokszerű szingularitás alakul ki. Nem olyan pusztító, mint a szingularitás végtelen árapály-ereje a Schwarzschild-megoldásban, de mindenesetre jelenléte megkérdőjelezi a sima analitikus függvények gondolatából következő következményeket. Talán ez jó is – az analitikus terjeszkedés feltételezése nagyon furcsa dolgokat von maga után.
Lényegében egy időgép zárt időszerű görbék tartományában működik. A szingularitástól távol, nincsenek zárt időszerű görbék, és a szingularitás tartományában lévő taszító erőktől eltekintve a téridő teljesen normálisnak tűnik. Vannak azonban olyan pályák (ezek nem geodéziai jellegűek, ezért rakétamotorra van szükség), amelyek a zárt időszerű görbék tartományába visznek. Ha már ott vagy, bármelyik irányba mozoghatsz a t koordináta mentén, ami a távoli megfigyelő ideje, de a saját idődben akkor is mindig előre haladsz. Ez azt jelenti, hogy bármikor elmehetsz, amikor csak akarsz, majd visszatérhetsz a téridő távoli részébe – és még azelőtt megérkezhetsz oda, mielőtt elmennél. Természetesen most életre kel az időutazás gondolatával kapcsolatos összes paradoxon: például mi van, ha egy idősétával meggyőzi múltbéli énjét, hogy feladja? De az, hogy létezhetnek-e ilyen típusú téridő, és hogyan oldhatók fel a hozzá kapcsolódó paradoxonok, az nem tartozik e könyv keretei közé. Csakúgy, mint a „kék szingularitás” problémája a belső horizonton, az általános relativitáselmélet is tartalmaz arra utaló jeleket, hogy a téridő zárt időbeli görbéivel rendelkező régiói instabilok: amint megpróbálunk kombinálni valamilyen tömeg- vagy energiamennyiséget. , ezek a régiók egyes számokká válhatnak. Ráadásul az univerzumunkban kialakuló forgó fekete lyukakban maga a „kék szingularitás” akadályozhatja meg a negatív tömegekből álló régió kialakulását (és Kerr összes többi univerzumát, amelybe fehér lyukak vezetnek). Mindazonáltal az a tény, hogy az általános relativitáselmélet ilyen furcsa megoldásokat tesz lehetővé, érdekes. Persze könnyű patológiának nyilvánítani őket, de ne felejtsük el, hogy maga Einstein és sok kortársa is ugyanezt mondta a fekete lyukakról.
» A könyvvel kapcsolatos további információkért látogasson el ide
Khabrozhiteli esetében 25% kedvezmény a kuponból - Fekete lyukak
A könyv papíralapú változatának kifizetése után e-mailben elküldjük a könyv elektronikus változatát.
Forrás: will.com