Тақырыптың күрделілігіне қарамастан, Принстон университетінің профессоры Стивен Губсер физиканың бүгінгі күні ең көп талқыланатын салаларының біріне қысқа, қолжетімді және қызықты кіріспе ұсынады. Қара тесіктер - бұл жай ғана ойлау тәжірибесі емес, нақты нысандар! Қара тесіктер теориялық тұрғыдан өте ыңғайлы, өйткені олар жұлдыздар сияқты көптеген астрофизикалық нысандарға қарағанда математикалық тұрғыдан әлдеқайда қарапайым. Қара тесіктер соншалықты қара емес екені белгілі болғанда, жағдай біртүрлі болады.
Олардың ішінде шынымен не бар? Қара шұңқырға түсуді қалай елестете аласыз? Немесе біз қазірдің өзінде оған түсіп жатырмыз және бұл туралы әлі білмейміз бе?
Керр геометриясында эргосфераға толығымен тұйықталған геодезиялық орбиталар бар, олардың келесі қасиеті бар: олардың бойымен қозғалатын бөлшектердің абсолютті мәні бойынша тыныштық массаларынан және осы бөлшектердің бірге алынған кинетикалық энергияларынан асып түсетін теріс потенциалдық энергиялары бар. Бұл бұл бөлшектердің жалпы энергиясы теріс екенін білдіреді. Дәл осы жағдай Пенроуз процесінде қолданылады. Эргосфераның ішінде энергия алатын кеме снарядты теріс энергиямен осы орбиталардың бірінің бойымен қозғалатындай етіп атқылайды. Энергияның сақталу заңына сәйкес, кеме снаряд энергиясына эквивалентті жоғалған тыныштық массасын өтеу үшін және снарядтың таза теріс энергиясының оң эквивалентін алу үшін жеткілікті кинетикалық энергия алады. Снаряд атылғаннан кейін қара дырыға жоғалып кетуі керек болғандықтан, оны қандай да бір қалдықтардан жасаған дұрыс. Бір жағынан, қара құрдым бәрібір кез келген нәрсені жейді, бірақ екінші жағынан, ол бізге инвестициялағаннан да көп энергияны қайтарады. Сонымен, біз сатып алатын энергия «жасыл» болады!
Керр қара дырысынан алуға болатын энергияның максималды мөлшері тесіктің айналу жылдамдығына байланысты. Ең төтенше жағдайда (мүмкін болатын айналу жылдамдығында) кеңістік уақытының айналу энергиясы қара құрдымның жалпы энергиясының шамамен 29% құрайды. Бұл көп көрінбеуі мүмкін, бірақ бұл жалпы тыныштық массасының бір бөлігі екенін есте сақтаңыз! Салыстыру үшін радиоактивті ыдырау энергиясымен жұмыс істейтін ядролық реакторлар тыныштық массасына эквивалентті энергияның оннан бір пайызынан азын жұмсайтынын есте сақтаңыз.
Айналмалы қара құрдымның көкжиегіндегі кеңістік уақытының геометриясы Шварцшильдтің кеңістік уақытынан күрт ерекшеленеді. Біздің зерттеуімізді бақылап, не болатынын көрейік. Басында бәрі Шварцшильд ісіне ұқсайды. Бұрынғыдай, ғарыштық уақыт ыдырай бастайды, онымен бірге барлығын қара құрдымның ортасына қарай сүйреп, толқындық күштер өсе бастайды. Бірақ Керр жағдайында радиус нөлге жеткенше, коллапс баяулайды және кері кете бастайды. Жылдам айналатын қара тесікте бұл толқындық күштер зондтың тұтастығына қауіп төндіретіндей күшті болғанға дейін болады. Неліктен бұл орын алатынын интуитивті түрде түсіну үшін Ньютон механикасында айналу кезінде орталықтан тепкіш күш деп аталатын күш пайда болатынын еске түсірейік. Бұл күш негізгі физикалық күштердің бірі емес: ол айналу күйін қамтамасыз ету үшін қажет негізгі күштердің біріккен әрекетінің нәтижесінде пайда болады. Нәтижені сыртқа бағытталған әсерлі күш — центрден тепкіш күш ретінде қарастыруға болады. Сіз оны жылдам келе жатқан көліктің күрт бұрылысында сезінесіз. Ал егер сіз карусельде болған болсаңыз, ол неғұрлым жылдам айналса, рельстерді соғұрлым мықтап ұстауыңыз керек екенін білесіз, өйткені сіз жіберсеңіз, сізді лақтырып жібересіз. Кеңістік-уақыт үшін бұл ұқсастық идеалды емес, бірақ ол ойды дұрыс көрсетеді. Керр қара дырысының кеңістік уақытындағы бұрыштық импульс тартылыс күшіне қарсы әсер ететін тиімді орталықтан тепкіш күшті қамтамасыз етеді. Горизонттағы құлдырау кеңістік уақытын кішірек радиустарға тартатындықтан, орталықтан тепкіш күш күшейеді және ақырында алдымен құлдырауға қарсы тұруға, содан кейін оны кері қайтаруға қабілетті болады.
Коллапс тоқтаған сәтте зонд қара құрдымның ішкі көкжиегі деп аталатын деңгейге жетеді. Бұл кезде толқындық күштер аз және зонд оқиға көкжиегінен өткеннен кейін оған жету үшін тек шектеулі уақытты алады. Дегенмен, кеңістік уақытының құлдырауын тоқтатқандықтан, бұл біздің проблемаларымыз аяқталды және айналу Шварцшильд қара дырысының ішіндегі ерекшелікті қандай да бір жолмен жойды дегенді білдірмейді. Бұл әлі ұзақ жол! Өйткені, сонау 1960 жылдардың ортасында Роджер Пенроуз мен Стивен Хокинг сингулярлық теоремалардың жүйесін дәлелдеді, одан егер гравитациялық құлдырау болса, тіпті қысқа болса да, нәтижесінде сингулярлықтың қандай да бір түрі пайда болуы керек деген қорытынды шықты. Шварцшильд жағдайында бұл горизонттағы барлық кеңістікті бағындыратын жан-жақты және жан-жақты ерекшелік. Керрдің шешімінде сингулярлық басқаша әрекет етеді және айта кету керек, күтпеген жерден. Зонд ішкі көкжиекке жеткенде, Керр сингулярлығы оның бар екенін көрсетеді, бірақ ол зондтың дүние сызығының себепті өткенінде болып шығады. Ерекшелік әрқашан болған сияқты болды, бірақ зонд өз әсерін енді ғана сезді. Сіз бұл фантастикалық естіледі деп айтасыз және бұл шындық. Және кеңістік-уақыт суретінде бірнеше сәйкессіздіктер бар, олардан бұл жауапты түпкілікті деп санауға болмайтыны да анық.
Ішкі көкжиекке жеткен бақылаушының өткенінде пайда болатын ерекшелікпен байланысты бірінші мәселе - Эйнштейн теңдеулері сол көкжиектен тыс кеңістікте не болатынын бірегей түрде болжай алмайды. Яғни, белгілі бір мағынада ерекшеліктің болуы кез келген нәрсеге әкелуі мүмкін. Мүмкін, шын мәнінде не болатынын бізге кванттық гравитация теориясы түсіндіруге болады, бірақ Эйнштейннің теңдеулері бізге білуге мүмкіндік бермейді. Қызығушылық үшін біз төменде сипаттаймыз, егер біз кеңістік-уақыт горизонтының қиылысы математикалық тұрғыдан мүмкіндігінше тегіс болуын талап етсек (егер метрикалық функциялар, математиктер айтқандай, «аналитикалық» болса), бірақ нақты физикалық негіз жоқ. мұндай болжам үшін № Негізінде, ішкі көкжиекке қатысты екінші мәселе керісінше ойлайды: материя мен энергия қара тесіктерден тыс болатын нақты Әлемде ішкі көкжиекте кеңістік уақыт өте өрескел болып, онда цикл тәрізді ерекшелік дамиды. Бұл Шварцшильд шешіміндегі сингулярлықтың шексіз толқындық күші сияқты жойқын емес, бірақ кез келген жағдайда оның болуы біркелкі аналитикалық функциялар идеясынан туындайтын салдарға күмән тудырады. Мүмкін, бұл жақсы нәрсе - аналитикалық кеңейту туралы болжам өте оғаш нәрселерді тудырады.
Негізінде, уақыт машинасы тұйық уақыттық қисықтар аймағында жұмыс істейді. Ерекшеліктен алшақ, тұйық уақыттық қисықтар жоқ және сингулярлық аймағындағы итеруші күштерден басқа, кеңістік уақыт мүлдем қалыпты болып көрінеді. Дегенмен, траекториялар бар (олар геодезиялық емес, сондықтан сізге зымыран қозғалтқышы қажет), олар сізді жабық уақыттық қисықтар аймағына апарады. Онда болғаннан кейін сіз t координатасы бойынша кез келген бағытта қозғала аласыз, бұл алыстағы бақылаушының уақыты, бірақ өз уақытында сіз әрқашан алға жылжисыз. Бұл дегеніміз, сіз өзіңіз қалаған кез келген уақытқа бара аласыз, содан кейін кеңістік-уақыттың алыс бөлігіне орала аласыз, тіпті ол жерге барар алдында жете аласыз. Әрине, қазір уақытпен саяхаттау идеясымен байланысты барлық парадокстар өмірге келеді: мысалы, уақытпен серуендеп, сіз өзіңіздің өткен өміріңізді одан бас тартуға сендірсеңіз ше? Бірақ кеңістік-уақыттың мұндай түрлері болуы мүмкін бе және онымен байланысты парадокстарды қалай шешуге болады - бұл кітаптың шеңберінен тыс сұрақтар. Дегенмен, ішкі көкжиектегі «көгілдір ерекшелік» мәселесі сияқты, жалпы салыстырмалылық те тұйық уақыттық қисық сызықтары бар кеңістік-уақыт аймақтарының тұрақсыз екендігінің белгілерін қамтиды: массаның немесе энергияның қандай да бір мөлшерін біріктіруге тырысқаннан кейін бірден. , бұл аймақтар дара болуы мүмкін. Оның үстіне, біздің Ғаламда пайда болатын айналмалы қара тесіктерде теріс массалар аймағының (және ақ тесіктер кіретін барлық Керрдің басқа ғаламдары) қалыптасуына кедергі жасай алатын «көк ерекшеліктің» өзі. Соған қарамастан, жалпы салыстырмалылық мұндай оғаш шешімдерге мүмкіндік беретіні қызықтырады. Әрине, оларды патология деп жариялау оңай, бірақ Эйнштейннің өзі де, оның көптеген замандастары да қара тесіктер туралы бірдей айтқанын ұмытпайық.
» Кітап туралы толық ақпаратты мына жерден табуға болады
Khabrozhiteley үшін купонды пайдалану арқылы 25% жеңілдік - Қара тесіктер
Кітаптың қағаз нұсқасына төлем жасалғаннан кейін кітаптың электронды нұсқасы электронды поштаға жіберіледі.
Ақпарат көзі: www.habr.com