Terlepas dari kompleksitas topiknya, profesor Universitas Princeton Stephen Gubser menawarkan pengantar yang ringkas, mudah diakses, dan menghibur tentang salah satu bidang fisika yang paling diperdebatkan saat ini. Lubang hitam adalah objek nyata, bukan sekadar eksperimen pikiran! Lubang hitam sangat mudah digunakan dari sudut pandang teoretis, karena secara matematis jauh lebih sederhana daripada kebanyakan objek astrofisika, seperti bintang. Segalanya menjadi aneh ketika ternyata lubang hitam sebenarnya tidak terlalu hitam.
Apa sebenarnya yang ada di dalam diri mereka? Bagaimana Anda bisa membayangkan jatuh ke dalam lubang hitam? Atau mungkin kita sudah terjerumus ke dalamnya dan belum mengetahuinya?
Dalam geometri Kerr, terdapat orbit geodesik, yang sepenuhnya tertutup dalam ergosfer, dengan sifat berikut: partikel yang bergerak di sepanjang orbit tersebut memiliki energi potensial negatif yang melebihi nilai absolut massa diam dan energi kinetik partikel-partikel ini jika digabungkan. Artinya energi total partikel-partikel tersebut negatif. Keadaan inilah yang digunakan dalam proses Penrose. Saat berada di dalam ergosphere, kapal yang mengekstraksi energi menembakkan proyektil sedemikian rupa sehingga bergerak sepanjang salah satu orbit tersebut dengan energi negatif. Menurut hukum kekekalan energi, kapal memperoleh energi kinetik yang cukup untuk mengkompensasi hilangnya massa diam yang setara dengan energi proyektil, dan sebagai tambahan untuk memperoleh energi positif yang setara dengan energi negatif bersih proyektil. Karena proyektil akan menghilang ke dalam lubang hitam setelah ditembakkan, sebaiknya dibuat dari semacam limbah. Di satu sisi, lubang hitam akan tetap memakan apa pun, namun di sisi lain, ia akan mengembalikan lebih banyak energi kepada kita daripada yang kita investasikan. Jadi, selain itu, energi yang kita beli akan bersifat “hijau”!
Jumlah energi maksimum yang dapat diekstraksi dari lubang hitam Kerr bergantung pada seberapa cepat lubang tersebut berputar. Dalam kasus yang paling ekstrim (pada kecepatan rotasi maksimum yang mungkin), energi rotasi ruang-waktu menyumbang sekitar 29% dari total energi lubang hitam. Ini mungkin tidak tampak banyak, tapi ingatlah bahwa ini hanyalah sebagian kecil dari total massa diam! Sebagai perbandingan, ingatlah bahwa reaktor nuklir yang menggunakan energi peluruhan radioaktif menggunakan kurang dari sepersepuluh persen energi yang setara dengan massa diam.
Geometri ruangwaktu di dalam cakrawala lubang hitam yang berputar sangat berbeda dengan ruangwaktu Schwarzschild. Mari ikuti penyelidikan kami dan lihat apa yang terjadi. Pada awalnya, semuanya tampak mirip dengan kasus Schwarzschild. Seperti sebelumnya, ruangwaktu mulai runtuh, menyeret segala sesuatu yang bersamanya menuju pusat lubang hitam, dan gaya pasang surut mulai tumbuh. Namun dalam kasus Kerr, sebelum radiusnya menjadi nol, keruntuhannya melambat dan mulai berbalik arah. Dalam lubang hitam yang berotasi cepat, hal ini akan terjadi jauh sebelum gaya pasang surut menjadi cukup kuat untuk mengancam integritas wahana. Untuk memahami secara intuitif mengapa hal ini terjadi, mari kita ingat bahwa dalam mekanika Newton, selama rotasi, timbul apa yang disebut gaya sentrifugal. Gaya ini bukan salah satu gaya fisik fundamental: gaya ini muncul sebagai akibat dari aksi gabungan gaya-gaya fundamental, yang diperlukan untuk menjamin keadaan rotasi. Hasilnya dapat dianggap sebagai gaya efektif yang diarahkan ke luar—gaya sentrifugal. Anda merasakannya di tikungan tajam dalam mobil yang bergerak cepat. Dan jika Anda pernah naik komidi putar, Anda pasti tahu bahwa semakin cepat ia berputar, semakin erat pegangan Anda pada relnya karena jika Anda melepaskannya, Anda akan terlempar keluar. Analogi ruang-waktu ini tidaklah ideal, tetapi analogi ini dapat menyampaikan maksudnya dengan tepat. Momentum sudut dalam ruangwaktu lubang hitam Kerr memberikan gaya sentrifugal efektif yang melawan tarikan gravitasi. Ketika keruntuhan dalam cakrawala menarik ruangwaktu ke radius yang lebih kecil, gaya sentrifugal meningkat dan pada akhirnya mampu melawan keruntuhan tersebut dan kemudian membalikkannya.
Pada saat keruntuhan berhenti, wahana mencapai tingkat yang disebut cakrawala bagian dalam lubang hitam. Pada titik ini, gaya pasang surut masih kecil, dan wahana tersebut, setelah melintasi cakrawala peristiwa, hanya memerlukan waktu terbatas untuk mencapainya. Namun, hanya karena ruangwaktu berhenti runtuh tidak berarti masalah kita sudah selesai dan rotasi telah menghilangkan singularitas di dalam lubang hitam Schwarzschild. Ini masih jauh! Lagi pula, pada pertengahan tahun 1960-an, Roger Penrose dan Stephen Hawking membuktikan sistem teorema singularitas, yang kemudian menyatakan bahwa jika terjadi keruntuhan gravitasi, meskipun hanya sebentar, maka suatu bentuk singularitas akan terbentuk sebagai hasilnya. Dalam kasus Schwarzschild, ini adalah singularitas yang mencakup segalanya dan menghancurkan segalanya yang menundukkan seluruh ruang di cakrawala. Dalam solusi Kerr, singularitas berperilaku berbeda dan, harus saya katakan, sangat tidak terduga. Saat wahana tersebut mencapai cakrawala bagian dalam, singularitas Kerr mengungkapkan keberadaannya—namun ternyata ia berada di masa lalu kausal dari garis dunia wahana tersebut. Seolah-olah singularitas selalu ada, namun baru sekarang wahana tersebut merasakan pengaruhnya mencapainya. Anda akan mengatakan bahwa ini kedengarannya luar biasa, dan itu benar. Dan terdapat beberapa ketidakkonsistenan dalam gambaran ruang-waktu, yang juga jelas bahwa jawaban ini tidak bisa dianggap final.
Masalah pertama dengan singularitas yang muncul di masa lalu dari seorang pengamat yang mencapai cakrawala dalam adalah bahwa pada saat itu persamaan Einstein tidak dapat secara unik memprediksi apa yang akan terjadi pada ruang-waktu di luar cakrawala tersebut. Artinya, dalam arti tertentu, kehadiran singularitas bisa mengarah pada apa saja. Mungkin apa yang sebenarnya akan terjadi dapat dijelaskan kepada kita melalui teori gravitasi kuantum, namun persamaan Einstein tidak memberi kita kesempatan untuk mengetahuinya. Demi kepentingan, kami jelaskan di bawah ini apa yang akan terjadi jika kita mengharuskan perpotongan cakrawala ruang-waktu sehalus mungkin secara matematis (jika fungsi metrik, seperti yang dikatakan ahli matematika, "analitik"), tetapi tidak ada dasar fisik yang jelas. untuk asumsi seperti itu No. Intinya, masalah kedua pada cakrawala dalam menunjukkan hal yang sebaliknya: di alam semesta nyata, di mana materi dan energi berada di luar lubang hitam, ruang-waktu di cakrawala dalam menjadi sangat kasar, dan singularitas seperti lingkaran berkembang di sana. Ini tidak sedestruktif kekuatan pasang surut singularitas yang tak terbatas dalam solusi Schwarzschild, tetapi bagaimanapun juga, kehadirannya meragukan konsekuensi yang timbul dari gagasan fungsi analitik yang mulus. Mungkin ini adalah hal yang baik - asumsi ekspansi analitis memerlukan hal-hal yang sangat aneh.
Intinya, mesin waktu beroperasi di wilayah kurva mirip waktu yang tertutup. Jauh dari singularitas, tidak ada kurva tertutup seperti waktu, dan terlepas dari gaya tolak menolak di wilayah singularitas, ruangwaktu terlihat normal sepenuhnya. Namun, ada lintasan (bukan geodesik, jadi Anda memerlukan mesin roket) yang akan membawa Anda ke wilayah kurva tertutup seperti waktu. Begitu sampai di sana, Anda bisa bergerak ke segala arah sepanjang koordinat t, yaitu waktu pengamat jauh, namun dalam waktu Anda sendiri, Anda akan tetap selalu bergerak maju. Artinya, Anda dapat pergi kapan pun Anda mau, lalu kembali ke bagian ruang-waktu yang jauh - dan bahkan tiba di sana sebelum Anda pergi. Tentu saja, sekarang semua paradoks yang terkait dengan gagasan perjalanan waktu menjadi kenyataan: misalnya, bagaimana jika, dengan berjalan-jalan waktu, Anda meyakinkan diri Anda di masa lalu untuk menyerah? Namun apakah ruang-waktu seperti itu bisa eksis dan bagaimana paradoks yang terkait dengannya dapat diselesaikan adalah pertanyaan-pertanyaan yang berada di luar cakupan buku ini. Namun, seperti halnya masalah “singularitas biru” di cakrawala dalam, relativitas umum mengandung indikasi bahwa wilayah ruang-waktu dengan kurva tertutup mirip waktu tidak stabil: segera setelah Anda mencoba menggabungkan sejumlah massa atau energi , wilayah ini bisa menjadi tunggal. Selain itu, dalam lubang hitam berputar yang terbentuk di Alam Semesta kita, “singularitas biru” itu sendirilah yang dapat mencegah pembentukan wilayah bermassa negatif (dan semua alam semesta Kerr lainnya yang menjadi tujuan lubang putih). Namun demikian, fakta bahwa relativitas umum memungkinkan solusi aneh seperti itu sungguh menarik. Tentu saja, mudah untuk menyatakannya sebagai suatu patologi, tetapi jangan lupa bahwa Einstein sendiri dan banyak orang sezamannya mengatakan hal yang sama tentang lubang hitam.
»Detail lebih lanjut tentang buku ini dapat ditemukan di
Untuk Khabrozhiteley diskon 25% menggunakan kupon - Lubang hitam
Setelah pembayaran untuk buku versi kertas, versi elektronik buku tersebut akan dikirim melalui email.
Sumber: www.habr.com