"블랙홀에 관한 작은 책"

주제의 복잡성에도 불구하고 프린스턴 대학의 Stephen Gubser 교수는 오늘날 가장 논쟁이 많은 물리학 분야 중 하나에 대해 간결하고 이해하기 쉽고 재미있는 소개를 제공합니다. 블랙홀은 단순한 사고 실험이 아닌 실제 물체입니다! 블랙홀은 별과 같은 대부분의 천체 물리학 물체보다 수학적으로 훨씬 단순하기 때문에 이론적 관점에서 매우 편리합니다. 결국 블랙홀이 실제로 그렇게 검은색이 아니라는 사실이 밝혀지면 상황이 이상해집니다.

그 안에는 과연 무엇이 들어있을까? 블랙홀에 빠지는 것을 어떻게 상상할 수 있습니까? 아니면 우리가 이미 그것에 빠져들고 있는데 아직 그것에 대해 모르고 있는 걸까요?

Kerr 기하학에는 작용권에 완전히 둘러싸인 측지선 궤도가 있으며 다음과 같은 특성을 갖습니다. 이를 따라 이동하는 입자는 이들 입자의 나머지 질량과 운동 에너지를 합친 절대값보다 더 큰 음의 위치 에너지를 갖습니다. 이는 이들 입자의 총 에너지가 음수임을 의미합니다. 펜로즈 프로세스에서 사용되는 것은 바로 이러한 상황입니다. 작용권 내부에 있는 동안 에너지를 추출하는 선박은 음에너지로 이러한 궤도 중 하나를 따라 이동하는 방식으로 발사체를 발사합니다. 에너지 보존 법칙에 따르면, 선박은 발사체의 에너지에 해당하는 손실된 정지 질량을 보상하고 발사체의 순 음에너지에 해당하는 양의 등가물을 얻는 데 충분한 운동 에너지를 얻습니다. 발사체는 발사된 후 블랙홀 속으로 사라져야 하므로 일종의 폐기물로 만드는 것이 좋을 것이다. 블랙홀은 여전히 ​​무엇이든 먹어치우지만, 다른 한편으로는 우리가 투자한 것보다 더 많은 에너지를 우리에게 돌려줄 것입니다. 따라서 우리가 구매하는 에너지도 "녹색"이 될 것입니다!

커 블랙홀에서 추출할 수 있는 최대 에너지량은 홀의 회전 속도에 따라 달라집니다. 가장 극단적인 경우(가능한 최대 회전 속도에서) 시공간 회전 에너지는 블랙홀 전체 에너지의 약 29%를 차지한다. 이것은 별로 많아 보이지 않을 수도 있지만, 전체 나머지 질량의 일부라는 것을 기억하십시오! 비교를 위해, 방사성 붕괴 에너지로 구동되는 원자로는 정지 질량에 해당하는 에너지의 XNUMX/XNUMX% 미만을 사용한다는 점을 기억하십시오.

회전하는 블랙홀의 지평선 내부의 시공간 기하학은 슈바르츠실트 시공간과 극적으로 다릅니다. 우리의 조사를 따라가서 무슨 일이 일어나는지 봅시다. 처음에는 모든 것이 Schwarzschild 사례와 유사해 보입니다. 이전과 마찬가지로 시공간이 붕괴되기 시작하여 모든 것을 블랙홀 중심으로 끌고 가며 조석력이 커지기 시작합니다. 그러나 Kerr의 경우 반경이 XNUMX이 되기 전에 붕괴 속도가 느려지고 역전되기 시작합니다. 빠르게 회전하는 블랙홀에서는 조석력이 탐사선의 무결성을 위협할 만큼 강해지기 오래 전에 이런 일이 발생합니다. 왜 이런 일이 발생하는지 직관적으로 이해하기 위해 뉴턴 역학에서는 회전 중에 소위 원심력이 발생한다는 것을 기억합시다. 이 힘은 기본적인 물리적 힘 중 하나가 아닙니다. 회전 상태를 보장하는 데 필요한 기본 힘의 결합된 작용의 결과로 발생합니다. 그 결과는 바깥쪽으로 향하는 유효 힘, 즉 원심력으로 생각할 수 있습니다. 빠르게 움직이는 자동차의 급격한 회전에서 그것을 느낍니다. 그리고 회전목마를 타본 적이 있다면 회전 속도가 빠를수록 레일을 더 꽉 잡아야 한다는 것을 알고 계실 것입니다. 놓으면 쫓겨날 것이기 때문입니다. 시공간에 대한 이 비유는 이상적이지는 않지만 요점을 정확하게 전달합니다. 커 블랙홀의 시공간의 각운동량은 중력에 대항하는 효과적인 원심력을 제공합니다. 지평선 내의 붕괴가 시공간을 더 작은 반경으로 끌어당기면 원심력이 증가하고 결국 붕괴에 먼저 대응한 다음 되돌릴 수 있게 됩니다.

붕괴가 멈추는 순간 탐사선은 블랙홀의 내부 지평선이라는 수준에 도달합니다. 이 시점에서 조석력은 작으며, 탐사선이 사건의 지평선을 넘어간 후 도달하는 데는 제한된 시간만 걸립니다. 그러나 시공간 붕괴가 멈췄다고 해서 우리의 문제가 끝났다는 의미는 아니며 회전으로 인해 슈바르츠실트 블랙홀 내부의 특이점이 제거되었다는 의미는 아닙니다. 아직 멀었어요! 결국, 1960년대 중반에 로저 펜로즈(Roger Penrose)와 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 특이점 정리 체계를 증명했는데, 그로부터 중력 붕괴가 일어난다면, 비록 짧은 것이라도, 결과적으로 어떤 형태의 특이점이 형성되어야 한다는 결론이 나왔습니다. 슈바르츠실트의 경우, 이것은 지평선 내의 모든 공간을 정복하는 모든 것을 포괄하고 파괴하는 특이점입니다. 커(Kerr)의 해법에서 특이점은 다르게 행동하며, 아주 예상치 못한 일이라고 말해야겠습니다. 탐사선이 내부 지평선에 도달하면 커 특이점은 그 존재를 드러내지만 탐사선 세계선의 인과과거에 있는 것으로 밝혀졌습니다. 마치 특이점은 항상 거기에 있었던 것 같았지만 이제서야 탐사선은 그 영향력이 자신에게 도달하는 것을 느꼈습니다. 당신은 이것이 환상적으로 들리며 그것은 사실이라고 말할 것입니다. 그리고 시공간의 그림에는 몇 가지 불일치가 있으며, 이 답변이 최종적인 것으로 간주될 수 없다는 것도 분명합니다.

내부 지평선에 도달한 관찰자의 과거에 나타나는 특이점의 첫 번째 문제는 그 순간 아인슈타인의 방정식이 지평선 밖의 시공간에 무슨 일이 일어날지 유일하게 예측할 수 없다는 것입니다. 즉, 어떤 의미에서 특이점의 존재는 무엇이든 초래할 수 있습니다. 아마도 실제로 일어날 일은 양자 중력 이론으로 우리에게 설명될 수 있지만, 아인슈타인의 방정식은 우리에게 알 기회를 주지 않습니다. 단지 관심을 끌기 위해 시공간 지평선의 교차점이 수학적으로 가능한 한 매끄러워야 한다고 요구하지만(수학자들이 말하는 것처럼 미터법 함수가 "분석적"인 경우) 명확한 물리적 기반이 없는 경우 어떤 일이 발생할지 아래에 설명합니다. 그러한 가정에 대해서는 No. 본질적으로 내부 지평선에 대한 두 번째 문제는 정반대를 암시합니다. 블랙홀 외부에 물질과 에너지가 존재하는 실제 우주에서는 내부 지평선의 시공간이 매우 거칠어지고 그곳에서 고리 모양의 특이점이 발생합니다. 슈바르츠실트 해법에서 특이점의 무한 조석력만큼 파괴적이지는 않지만, 어쨌든 그 존재는 원활한 분석 함수에 대한 아이디어에서 나오는 결과에 의문을 제기합니다. 아마도 이것은 좋은 일일 것입니다. 분석적 확장의 가정은 매우 이상한 일을 수반합니다.

본질적으로 타임머신은 닫힌 시간 곡선 영역에서 작동합니다. 특이점에서 멀리 떨어져 있으면 닫힌 시간 곡선이 없고, 특이점 영역의 반발력을 제외하면 시공간은 완전히 정상적으로 보입니다. 그러나 닫힌 시간 곡선 영역으로 이동하는 궤적(측지선이 아니므로 로켓 엔진이 필요함)이 있습니다. 일단 그곳에 도착하면 멀리 있는 관찰자의 시간인 t 좌표를 따라 어떤 방향으로든 이동할 수 있지만 자신의 시간에는 여전히 항상 앞으로 나아갈 것입니다. 즉, 원하는 시간에 언제든지 갈 수 있고 시공간에서 먼 곳으로 돌아갈 수 있으며 심지어 가기 전에 그곳에 도착할 수도 있습니다. 물론 이제 시간 여행 아이디어와 관련된 모든 역설이 현실화되었습니다. 예를 들어, 시간 산책을 통해 과거의 자신이 그것을 포기하도록 설득했다면 어떨까요? 그러나 그러한 시공간이 존재할 수 있는지, 그에 따른 역설을 어떻게 해결할 수 있는지는 이 책의 범위를 넘어서는 문제이다. 그러나 내부 지평선의 "청색 특이점" 문제와 마찬가지로 일반 상대성 이론에는 닫힌 시간 곡선이 있는 시공간 영역이 불안정하다는 징후가 포함되어 있습니다. , 이러한 영역은 특이점이 될 수 있습니다. 더욱이, 우리 우주에서 형성되는 회전하는 블랙홀에서 음의 질량 영역(및 화이트홀이 이어지는 커의 다른 모든 우주)의 형성을 방지할 수 있는 것은 "청색 특이점" 자체입니다. 그럼에도 불구하고, 일반상대성이론이 그러한 이상한 해법을 가능하게 한다는 사실은 매우 흥미롭습니다. 물론, 그것들을 병리라고 선언하기는 쉽지만, 아인슈타인 자신과 그의 동시대 사람들 중 다수가 블랙홀에 대해 같은 말을 했다는 것을 잊지 마십시오.

» 책에 대한 자세한 내용은 다음에서 확인할 수 있습니다. 발행인의 웹사이트

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출처 : habr.com