"შავი ხვრელების პატარა წიგნი"

თემის სირთულის მიუხედავად, პრინსტონის უნივერსიტეტის პროფესორი სტივენ გუბსერი გთავაზობთ ლაკონურ, მისაწვდომ და გასართობ შესავალს ფიზიკის ერთ-ერთ ყველაზე საკამათო სფეროზე დღეს. შავი ხვრელები რეალური ობიექტებია და არა მხოლოდ სააზროვნო ექსპერიმენტი! შავი ხვრელები თეორიული თვალსაზრისით ძალიან მოსახერხებელია, რადგან ისინი მათემატიკურად ბევრად უფრო მარტივია, ვიდრე ასტროფიზიკური ობიექტების უმეტესობა, როგორიცაა ვარსკვლავები. ყველაფერი უცნაურად ხდება, როცა აღმოჩნდება, რომ შავი ხვრელები ბოლოს და ბოლოს არც ისე შავია.

რა არის სინამდვილეში მათ შიგნით? როგორ წარმოგიდგენიათ შავ ხვრელში ჩავარდნა? ან იქნებ ჩვენ უკვე ჩავვარდებით მასში და უბრალოდ ჯერ არ ვიცით ამის შესახებ?

კერის გეომეტრიაში არის გეოდეზიური ორბიტები, მთლიანად ჩაკეტილი ერგოსფეროში, შემდეგი თვისებით: მათ გასწვრივ მოძრავ ნაწილაკებს აქვთ უარყოფითი პოტენციური ენერგიები, რომლებიც აბსოლუტური მნიშვნელობით აღემატება ამ ნაწილაკების დანარჩენ მასებს და კინეტიკურ ენერგიას ერთად აღებული. ეს ნიშნავს, რომ ამ ნაწილაკების მთლიანი ენერგია უარყოფითია. სწორედ ეს გარემოება გამოიყენება პენროზის პროცესში. ერგოსფეროში ყოფნისას, გემი, რომელიც ენერგიას იღებს, ისვრის ჭურვს ისე, რომ ის ერთ-ერთ ორბიტაზე მოძრაობს უარყოფითი ენერგიით. ენერგიის კონსერვაციის კანონის თანახმად, გემი იძენს საკმარის კინეტიკურ ენერგიას ჭურვის ენერგიის ექვივალენტური დაკარგული დასასვენებელი მასის კომპენსაციისთვის და გარდა ამისა, მოიპოვებს ჭურვის წმინდა უარყოფითი ენერგიის პოზიტიურ ეკვივალენტს. ვინაიდან ჭურვი გასროლის შემდეგ შავ ხვრელში უნდა გაქრეს, კარგი იქნება მისი დამზადება რაიმე სახის ნარჩენებისგან. ერთის მხრივ, შავი ხვრელი მაინც შეჭამს ყველაფერს, მაგრამ მეორეს მხრივ, ის დაგვიბრუნებს იმაზე მეტ ენერგიას, ვიდრე ჩვენ ჩავდეთ. ასე რომ, გარდა ამისა, ჩვენს მიერ შეძენილი ენერგია იქნება "მწვანე"!

ენერგიის მაქსიმალური რაოდენობა, რომელიც შეიძლება გამოიტანოს კერის შავი ხვრელიდან, დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენად სწრაფად ტრიალებს ხვრელი. ყველაზე ექსტრემალურ შემთხვევაში (მაქსიმალური ბრუნვის სიჩქარით), სივრცე-დროის ბრუნვის ენერგია შეადგენს შავი ხვრელის მთლიანი ენერგიის დაახლოებით 29%-ს. ეს შეიძლება არ ჩანდეს ბევრი, მაგრამ გახსოვდეთ, რომ ეს არის მთლიანი დანარჩენი მასის ნაწილი! შედარებისთვის, გახსოვდეთ, რომ ბირთვული რეაქტორები, რომლებიც იკვებება რადიოაქტიური დაშლის ენერგიით, მოიხმარენ დასვენების მასის ეკვივალენტური ენერგიის მეათედზე ნაკლებს.

მბრუნავი შავი ხვრელის ჰორიზონტის შიგნით დროის სივრცის გეომეტრია მკვეთრად განსხვავდება შვარცშილდის სივრცე-დროისგან. მოდით მივყვეთ ჩვენს გამოძიებას და ვნახოთ რა მოხდება. თავიდან ყველაფერი შვარცშილდის საქმეს ჰგავს. როგორც ადრე, სივრცე-დრო იწყებს კოლაფსს, მიათრევს ყველაფერს თავისთან ერთად შავი ხვრელის ცენტრისკენ და მოქცევის ძალები იწყებენ ზრდას. მაგრამ კერის შემთხვევაში, სანამ რადიუსი ნულამდე მიდის, კოლაფსი ნელდება და იწყებს უკან დაბრუნებას. სწრაფად მბრუნავ შავ ხვრელში ეს მოხდება მანამ, სანამ მოქცევის ძალები საკმარისად გაძლიერდება, რათა საფრთხე შეუქმნას ზონდის მთლიანობას. ინტუიციურად რომ გავიგოთ, რატომ ხდება ეს, გავიხსენოთ, რომ ნიუტონის მექანიკაში, ბრუნვის დროს, წარმოიქმნება ე.წ. ცენტრიდანული ძალა. ეს ძალა არ არის ერთ-ერთი ფუნდამენტური ფიზიკური ძალა: ის წარმოიქმნება ფუნდამენტური ძალების ერთობლივი მოქმედების შედეგად, რაც აუცილებელია ბრუნვის მდგომარეობის უზრუნველსაყოფად. შედეგი შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც გარეთ მიმართული ეფექტური ძალა - ცენტრიდანული ძალა. თქვენ გრძნობთ მას მკვეთრ შემობრუნებაზე სწრაფად მოძრავ მანქანაში. და თუ ოდესმე ყოფილხართ კარუსელზე, იცით, რომ რაც უფრო სწრაფად ტრიალებს ის, მით უფრო მჭიდროდ უნდა მოეჭიდოთ რელსებს, რადგან თუ გაუშვით, გამოგდებენ. სივრცე-დროის ეს ანალოგია იდეალური არ არის, მაგრამ ის აზრს სწორად სწვდება. კერის შავი ხვრელის სივრცე-დროში კუთხოვანი იმპულსი უზრუნველყოფს ეფექტურ ცენტრიდანულ ძალას, რომელიც ეწინააღმდეგება გრავიტაციულ მიზიდულობას. როდესაც ჰორიზონტში კოლაფსი მიიზიდავს სივრცე-დროს უფრო მცირე რადიუსებამდე, ცენტრიდანული ძალა იზრდება და საბოლოოდ შეუძლია ჯერ კოლაფსს დაუპირისპიროს და შემდეგ შეცვალოს იგი.

იმ მომენტში, როდესაც კოლაფსი ჩერდება, ზონდი აღწევს დონეს, რომელსაც შავი ხვრელის შიდა ჰორიზონტი ეწოდება. ამ მომენტში, მოქცევის ძალები მცირეა და ზონდს, როგორც კი მოვლენის ჰორიზონტს გადაკვეთს, მის მიღწევას მხოლოდ სასრული დრო სჭირდება. თუმცა, მხოლოდ იმიტომ, რომ სივრცე-დრომ შეწყვიტა კოლაფსი, არ ნიშნავს, რომ ჩვენი პრობლემები დასრულდა და რომ ბრუნვამ რატომღაც აღმოფხვრა სინგულარობა შვარცშილდის შავი ხვრელის შიგნით. ეს ჯერ კიდევ შორია! ბოლოს და ბოლოს, ჯერ კიდევ 1960-იანი წლების შუა პერიოდში, როჯერ პენროუზმა და სტივენ ჰოკინგმა დაამტკიცეს სინგულარობის თეორემების სისტემა, საიდანაც მოჰყვა, რომ თუ გრავიტაციული კოლაფსი იყო, თუნდაც მოკლე, მაშინ სინგულარობის გარკვეული ფორმა უნდა ჩამოყალიბდეს შედეგად. შვარცშილდის შემთხვევაში, ეს არის ყოვლისმომცველი და ყოვლისმომცველი სინგულარობა, რომელიც იმორჩილებს მთელ სივრცეს ჰორიზონტში. კერის გამოსავალში სინგულარობა სხვაგვარად იქცევა და, უნდა ითქვას, სრულიად მოულოდნელად. როდესაც ზონდი აღწევს შიდა ჰორიზონტს, კერის სინგულარობა ავლენს მის არსებობას - მაგრამ აღმოჩნდება, რომ იგი ზონდის მსოფლიო ხაზის მიზეზობრივ წარსულშია. თითქოს სინგულარობა ყოველთვის არსებობდა, მაგრამ მხოლოდ ახლა იგრძნო ზონდმა მისმა გავლენამ. თქვენ იტყვით, რომ ეს ფანტასტიკურად ჟღერს და ეს მართალია. და არის რამდენიმე შეუსაბამობა სივრცე-დროის სურათში, საიდანაც ასევე ირკვევა, რომ ეს პასუხი საბოლოოდ არ შეიძლება ჩაითვალოს.

პირველი პრობლემა სინგულარობასთან დაკავშირებით, რომელიც ჩნდება დამკვირვებლის წარსულში, რომელიც აღწევს შიდა ჰორიზონტს, არის ის, რომ იმ მომენტში აინშტაინის განტოლებები ცალსახად ვერ იწინასწარმეტყველებენ რა მოუვა სივრცე-დროს ამ ჰორიზონტის გარეთ. ანუ, გარკვეული გაგებით, სინგულარობის არსებობამ შეიძლება რაიმე გამოიწვიოს. შესაძლოა, რა მოხდება რეალურად, კვანტური გრავიტაციის თეორიით ავხსნათ, მაგრამ აინშტაინის განტოლებები არ გვაძლევს ცოდნის შანსს. უბრალოდ ინტერესის გამო, ქვემოთ აღვწერთ რა მოხდებოდა, თუ მოვითხოვთ, რომ სივრცე-დროის ჰორიზონტის გადაკვეთა იყოს რაც შეიძლება გლუვი მათემატიკურად (თუ მეტრიკული ფუნქციები, როგორც მათემატიკოსები ამბობენ, „ანალიტიკური“), მაგრამ არ არსებობს მკაფიო ფიზიკური საფუძველი. ასეთი ვარაუდისთვის No. არსებითად, შიდა ჰორიზონტთან დაკავშირებული მეორე პრობლემა ზუსტად საპირისპიროს გვთავაზობს: რეალურ სამყაროში, რომელშიც მატერია და ენერგია არსებობს შავი ხვრელების გარეთ, სივრცე დრო შიდა ჰორიზონტზე ძალიან უხეში ხდება და იქ მარყუჟის მსგავსი სინგულარობა ვითარდება. ის არ არის ისეთი დესტრუქციული, როგორც სინგულარობის უსასრულო მოქცევის ძალა შვარცშილდის ხსნარში, მაგრამ ნებისმიერ შემთხვევაში მისი არსებობა ეჭვქვეშ აყენებს შედეგებს, რომლებიც მოჰყვება გლუვი ანალიტიკური ფუნქციების იდეას. ალბათ ეს კარგია - ანალიტიკური გაფართოების ვარაუდი ძალიან უცნაურ რაღაცეებს ​​იწვევს.

არსებითად, დროის მანქანა მუშაობს დახურული დროის მსგავსი მრუდების რეგიონში. სინგულარულობისგან შორს, არ არსებობს დახურული დროის მსგავსი მრუდები და სინგულარობის რეგიონში მოზიდული ძალების გარდა, სივრცე დრო სრულიად ნორმალურად გამოიყურება. თუმცა, არის ტრაექტორიები (ისინი არ არის გეოდეზიური, ამიტომ გჭირდებათ რაკეტის ძრავა), რომელიც მიგიყვანთ დახურული დროის მსგავსი მოსახვევების რეგიონში. როგორც კი იქ იქნებით, შეგიძლიათ გადაადგილდეთ ნებისმიერი მიმართულებით t კოორდინატის გასწვრივ, რომელიც არის შორეული დამკვირვებლის დრო, მაგრამ თქვენს დროში მაინც ყოველთვის წინ მიიწევთ. ეს ნიშნავს, რომ შეგიძლია წახვიდე ნებისმიერ დროს, როცა გინდა, შემდეგ კი დაბრუნდე სივრცე-დროის შორეულ ნაწილში - და იქამდეც კი ჩახვიდე. რა თქმა უნდა, ახლა ყველა პარადოქსი, რომელიც დაკავშირებულია დროში მოგზაურობის იდეასთან, ცოცხლდება: მაგალითად, რა მოხდება, თუ დროში გასეირნებით დაარწმუნე შენი წარსული საკუთარი თავის დანებებაზე? მაგრამ შესაძლებელია თუ არა ასეთი სახის სივრცე-დროის არსებობა და როგორ შეიძლება გადაიჭრას მასთან დაკავშირებული პარადოქსები, ეს საკითხი ამ წიგნის ფარგლებს სცილდება. თუმცა, ისევე როგორც შიდა ჰორიზონტზე „ლურჯი სინგულარობის“ პრობლემასთან დაკავშირებით, ფარდობითობის ზოგადი თეორია შეიცავს მითითებებს, რომ სივრცე-დროის რეგიონები დახურული დროის მსგავსი მრუდებით არასტაბილურია: როგორც კი შეეცდებით რაიმე სახის მასის ან ენერგიის გაერთიანებას. , ეს რეგიონები შეიძლება გახდეს სინგულარული. უფრო მეტიც, ჩვენს სამყაროში წარმოქმნილ მბრუნავ შავ ხვრელებს, სწორედ „ლურჯი სინგულარობა“ შეუძლია ხელი შეუშალოს უარყოფითი მასების რეგიონის წარმოქმნას (და კერის ყველა სხვა სამყაროს, რომელშიც თეთრი ხვრელები მიდიან). მიუხედავად ამისა, ის ფაქტი, რომ ზოგადი ფარდობითობა იძლევა ასეთი უცნაური გადაწყვეტილებების საშუალებას, დამაინტრიგებელია. რა თქმა უნდა, ადვილია მათი გამოცხადება პათოლოგიად, მაგრამ არ დაგვავიწყდეს, რომ თავად აინშტაინი და მისი მრავალი თანამედროვე შავ ხვრელებს იგივეს ამბობდნენ.

» მეტი ინფორმაცია წიგნის შესახებ შეგიძლიათ იხილოთ აქ გამომცემლის ვებსაიტზე

Khabrozhiteley-ზე 25% ფასდაკლება კუპონის გამოყენებით - Შავი ხვრელები

წიგნის ქაღალდის ვერსიის გადახდის შემდეგ, წიგნის ელექტრონული ვერსია გაიგზავნება ელექტრონული ფოსტით.

წყარო: www.habr.com