Þrátt fyrir hversu flókið viðfangsefnið er, býður Stephen Gubser prófessor við Princeton háskólann stuttan, aðgengilegan og skemmtilegan inngang á einu umdeildasta svið eðlisfræðinnar í dag. Svarthol eru raunverulegir hlutir, ekki bara hugsunartilraun! Svarthol eru afar þægileg frá fræðilegu sjónarhorni þar sem þau eru stærðfræðilega mun einfaldari en flest stjarneðlisfræðileg fyrirbæri eins og stjörnur. Hlutirnir verða skrítnir þegar það kemur í ljós að svarthol eru ekki svo svart eftir allt saman.
Hvað er eiginlega innra með þeim? Hvernig geturðu ímyndað þér að falla í svarthol? Eða erum við kannski þegar að detta inn í það og vitum bara ekki af því ennþá?
Í Kerr rúmfræði eru jarðfræðilegar brautir, algjörlega lokaðar í ergosphere, með eftirfarandi eiginleika: agnir sem flytjast eftir þeim hafa neikvæða mögulega orku sem vegur þyngra en að algildi hvíldarmassa og hreyfiorka þessara agna samanlagt. Þetta þýðir að heildarorka þessara agna er neikvæð. Það eru þessar aðstæður sem eru notaðar í Penrose ferlinu. Á meðan það er inni í ergóhvolfinu skýtur skipið sem vinnur orku skothylki á þann hátt að það hreyfist eftir einni af þessum brautum með neikvæðri orku. Samkvæmt lögum um varðveislu orku fær skipið nægilega hreyfiorku til að bæta upp tapaðan hvíldarmassa sem jafngildir orku skothylksins og auk þess að ná jákvæðu jafngildi nettó neikvæðu orku skotsins. Þar sem skotið ætti að hverfa inn í svarthol eftir að það hefur verið skotið, þá væri gott að búa það til úr einhvers konar úrgangi. Annars vegar mun svartholið enn éta hvað sem er, en hins vegar mun það skila okkur meiri orku en við fjárfestum. Svo að auki verður orkan sem við kaupum „græn“!
Hámarksmagn orku sem hægt er að vinna úr Kerr svartholi fer eftir því hversu hratt holan snýst. Í ýtrustu tilviki (við mesta mögulega snúningshraða) er snúningsorka tímarúmsins um það bil 29% af heildarorku svartholsins. Þetta virðist kannski ekki mikið, en mundu að þetta er brot af heildar hvíldarmassanum! Til samanburðar, mundu að kjarnakljúfar sem knúnir eru af geislavirkri rotnunarorku nota minna en einn tíunda úr einu prósenti af þeirri orku sem jafngildir hvíldarmassa.
Rúmfræði rúmtíma innan sjóndeildarhrings svarthols sem snúast er verulega frábrugðin Schwarzschild rúmtíma. Við skulum fylgjast með rannsókn okkar og sjá hvað gerist. Í fyrstu lítur allt svipað út og Schwarzschild-málið. Sem fyrr byrjar rúmtíminn að hrynja, dregur allt með sér í átt að miðju svartholsins og sjávarfallakraftar fara að vaxa. En í Kerr tilfelli, áður en radíus fer í núll, hægir á hruninu og byrjar að snúast við. Í svartholi sem snýst hratt mun þetta gerast löngu áður en sjávarfallakraftar verða nógu sterkir til að ógna heilleika rannsakans. Til að skilja á innsæi hvers vegna þetta gerist, skulum við muna að í aflfræði Newtons, við snúning, myndast svokallaður miðflóttakraftur. Þessi kraftur er ekki einn af eðlisfræðilegu grundvallarkraftunum: hann verður til vegna samsettrar virkni grundvallarkrafta, sem er nauðsynlegt til að tryggja snúningsástand. Líta má á niðurstöðuna sem virkan kraft sem beinist út á við - miðflóttaafl. Þú finnur fyrir því í krappri beygju í bíl sem keyrir hratt. Og ef þú hefur einhvern tíma verið á hringekju, þá veistu að því hraðar sem hún snýst, því þéttara þarftu að grípa í teinana því ef þú sleppir þér þá verður þér hent út. Þessi samlíking fyrir rúm-tíma er ekki tilvalin, en hún kemur málinu rétt fram. Hyrndur skriðþunga í rúmtíma Kerr-svarthols veitir virkan miðflóttakraft sem vinnur á móti þyngdarkrafti. Þegar hrunið innan sjóndeildarhringsins dregur rúmtímann að minni radíusum eykst miðflóttakrafturinn og verður að lokum fær um að vinna fyrst á móti hruni og snúa því síðan við.
Á því augnabliki sem hrunið hættir nær rannsakandi stigi sem kallast innri sjóndeildarhring svartholsins. Á þessum tímapunkti eru sjávarfallakraftar litlir og rannsakandinn, þegar hann hefur farið yfir atburðarsjóndeildarhringinn, tekur aðeins takmarkaðan tíma að ná honum. Hins vegar, þó að geimtími hafi hætt að hrynja, þýðir það ekki að vandamál okkar séu liðin og að snúningurinn hafi á einhvern hátt útrýmt sérstöðunni í Schwarzschild-svartholinu. Þetta er enn langt í land! Þegar öllu er á botninn hvolft, um miðjan sjöunda áratuginn, sönnuðu Roger Penrose og Stephen Hawking kerfi eintölusetninga, sem leiddi af því að ef það yrði þyngdaraflshrun, jafnvel stutt, þá ætti einhvers konar sérkenni að myndast í kjölfarið. Í Schwarzschild-tilfellinu er þetta alltumlykjandi og algerlega einstakur sem leggur undir sig allt rými innan sjóndeildarhringsins. Í lausn Kerrs hegðar séreinkennið sér öðruvísi og, verð ég að segja, nokkuð óvænt. Þegar rannsakandinn nær innri sjóndeildarhringnum opinberar Kerr-einkennin nærveru sína - en hann reynist vera í orsakafortíðinni í heimslínu rannsakandans. Það var eins og sérkennin hefði alltaf verið til staðar, en fyrst núna fann rannsakandinn áhrif þess ná til hennar. Þú munt segja að þetta hljómi frábærlega og það er satt. Og það er ýmislegt ósamræmi í myndinni af rúm-tíma, sem einnig er ljóst að þetta svar getur ekki talist endanlegt.
Fyrsta vandamálið við sérstöðu sem birtist í fortíð áhorfanda sem nær innri sjóndeildarhringinn er að á því augnabliki geta jöfnur Einsteins ekki einstaklega sagt fyrir um hvað verður um tíma rúms utan þess sjóndeildarhrings. Það er, í vissum skilningi, nærvera sérstæðu getur leitt til hvers sem er. Kannski er hægt að útskýra fyrir okkur hvað mun gerast með skammtaþyngdarkenningunni, en jöfnur Einsteins gefa okkur enga möguleika á að vita það. Af áhuga lýsum við hér að neðan hvað myndi gerast ef við krefjumst þess að skurðpunktur sjóndeildarhrings rúmtíma sé eins slétt og stærðfræðilega mögulegt (ef mælifallin væru, eins og stærðfræðingar segja, "greiningar"), en það er enginn skýr eðlisfræðilegur grundvöllur fyrir slíka forsendu nr. Í meginatriðum bendir annað vandamálið við innri sjóndeildarhringinn nákvæmlega á hið gagnstæða: í hinum raunverulega alheimi, þar sem efni og orka eru fyrir utan svarthol, verður rúmtími við innri sjóndeildarhringinn mjög grófur og þar myndast lykkjulíkur sérkenni. Það er ekki eins eyðileggjandi og óendanlegur sjávarfallakraftur einstæðunnar í Schwarzschild-lausninni, en í öllum tilvikum vekur tilvist hennar efasemdir um afleiðingarnar sem fylgja hugmyndinni um slétt greiningaraðgerðir. Kannski er þetta af hinu góða - forsenda greiningarþenslu hefur í för með sér mjög undarlega hluti.
Í raun starfar tímavél á svæði lokaðra tímalíkra ferla. Langt frá sérstæðunni eru engar lokaðar tímalíkar línur og fyrir utan fráhrindandi krafta á svæði einstæðunnar lítur rúmtíminn alveg eðlilegur út. Hins vegar eru brautir (þeir eru ekki landfræðilegir, svo þú þarft eldflaugamótor) sem mun taka þig á svæði lokaðra tímalíkra ferla. Þegar þú ert þarna geturðu farið í hvaða átt sem er eftir t-hnitinu, sem er tími fjarlæga áhorfandans, en á þínum eigin tíma muntu samt alltaf halda áfram. Þetta þýðir að þú getur farið á hvaða tíma sem þú vilt og farið svo aftur í fjarlægan hluta rúm-tíma - og jafnvel komið þangað áður en þú ferð. Auðvitað lifna við allar þversagnirnar sem tengjast hugmyndinni um tímaferðalög: til dæmis, hvað ef þú, með því að fara í tímagöngu, sannfærðir fyrri sjálfan þig um að gefa það upp? En hvort slíkt rúm-tíma geti verið til og hvernig hægt er að leysa þversagnirnar sem tengjast því eru spurningar sem eru utan gildissviðs þessarar bókar. Hins vegar, rétt eins og með vandamálið um „bláa sérstöðuna“ á innri sjóndeildarhringnum, inniheldur almenn afstæðiskenning vísbendingar um að svæði tímarúms með lokuðum tímalíkum ferlum séu óstöðug: um leið og þú reynir að sameina einhvers konar magn af massa eða orku , þessi svæði geta orðið eintölu. Þar að auki, í svörtu holunum sem myndast í alheiminum okkar, er það „bláa sérkennin“ sjálf sem getur komið í veg fyrir myndun svæðis með neikvæðum massa (og öllum öðrum alheimum Kerrs sem hvít hol leiða inn í). Engu að síður er það forvitnilegt að almenn afstæðiskenning leyfir svona undarlegar lausnir. Auðvitað er auðvelt að lýsa þeim sem meinafræði, en við skulum ekki gleyma því að Einstein sjálfur og margir samtímamenn hans sögðu það sama um svarthol.
» Nánari upplýsingar um bókina má finna á
Fyrir Khabrozhiteley 25% afslátt með afsláttarmiða - Svarthol
Við greiðslu fyrir pappírsútgáfu bókarinnar verður rafræn útgáfa bókarinnar send með tölvupósti.
Heimild: www.habr.com