Nepaisant temos sudėtingumo, Prinstono universiteto profesorius Stephenas Gubseris pateikia glaustą, prieinamą ir linksmą įvadą į vieną iš labiausiai diskutuojamų šiandienos fizikos sričių. Juodosios skylės yra tikri objektai, o ne tik minties eksperimentas! Juodosios skylės yra labai patogios teoriniu požiūriu, nes matematiškai jos yra daug paprastesnės nei dauguma astrofizinių objektų, tokių kaip žvaigždės. Viskas pasidaro keista, kai paaiškėja, kad juodosios skylės iš tikrųjų nėra tokios juodos.
Kas iš tikrųjų yra jų viduje? Kaip galite įsivaizduoti patekimą į juodąją skylę? O gal mes jau patenkame į tai ir tiesiog dar apie tai nežinome?
Kero geometrijoje yra geodezinės orbitos, visiškai uždarytos ergosferoje, turinčios tokią savybę: išilgai jomis judančios dalelės turi neigiamą potencialią energiją, kuri absoliučia verte nusveria likusią šių dalelių masę ir kinetinę energiją kartu. Tai reiškia, kad bendra šių dalelių energija yra neigiama. Būtent ši aplinkybė naudojama Penrose procese. Būdamas ergosferos viduje, energiją išgaunantis laivas iššauna sviedinį taip, kad jis juda vienoje iš šių orbitų su neigiama energija. Pagal energijos tvermės dėsnį, laivas įgyja pakankamai kinetinės energijos, kad kompensuotų prarastą ramybės masę, lygią sviedinio energijai, ir papildomai įgytų teigiamą grynosios neigiamos sviedinio energijos ekvivalentą. Kadangi iššautas sviedinys turėtų dingti į juodąją skylę, būtų gerai jį pagaminti iš kokių nors atliekų. Viena vertus, juodoji skylė vis tiek suės bet ką, bet kita vertus, ji grąžins mums daugiau energijos, nei mes investavome. Taigi, be to, mūsų perkama energija bus „žalia“!
Didžiausias energijos kiekis, kurį galima išgauti iš Kerr juodosios skylės, priklauso nuo to, kaip greitai skylė sukasi. Ekstremaliausiu atveju (maksimaliu įmanomu sukimosi greičiu) erdvėlaikio sukimosi energija sudaro maždaug 29% visos juodosios skylės energijos. Tai gali atrodyti nedaug, tačiau atminkite, kad tai yra dalis visos poilsio masės! Palyginimui atminkite, kad branduoliniai reaktoriai, varomi radioaktyvaus skilimo energijos, sunaudoja mažiau nei dešimtadalį vieno procento energijos, atitinkančios ramybės masę.
Erdvės laiko geometrija besisukančios juodosios skylės horizonte smarkiai skiriasi nuo Schwarzschildo erdvėlaikio. Sekime savo tyrimą ir pažiūrėkime, kas atsitiks. Iš pradžių viskas atrodo panašiai kaip Schwarzschild byloje. Kaip ir anksčiau, erdvėlaikis pradeda griūti, tempdamas viską kartu su savimi link juodosios skylės centro, o potvynio jėgos pradeda augti. Tačiau Kerr atveju, kol spindulys nepasiekia nulio, žlugimas sulėtėja ir pradeda keistis. Sparčiai besisukančioje juodojoje skylėje tai įvyks gerokai anksčiau nei potvynio jėgos taps pakankamai stiprios, kad sukeltų grėsmę zondo vientisumui. Norėdami intuityviai suprasti, kodėl taip nutinka, prisiminkime, kad Niutono mechanikoje sukimosi metu atsiranda vadinamoji išcentrinė jėga. Ši jėga nėra viena iš pagrindinių fizinių jėgų: ji atsiranda dėl bendro pagrindinių jėgų veikimo, būtino sukimosi būsenai užtikrinti. Rezultatas gali būti laikomas efektyvia jėga, nukreipta į išorę – išcentrinę jėgą. Tai pajusite staigiame posūkyje greitai važiuojančiame automobilyje. Ir jei kada nors buvote karuselėje, žinote, kad kuo greičiau ji sukasi, tuo tvirčiau turite įsikibti į bėgius, nes jei paleisite, būsite išmesti. Ši erdvėlaikio analogija nėra ideali, tačiau ji teisingai perteikia esmę. Kampinis momentas Kero juodosios skylės erdvėlaikyje sukuria veiksmingą išcentrinę jėgą, kuri neutralizuoja gravitacinę trauką. Kadangi griūtis horizonte traukia erdvėlaikį į mažesnius spindulius, išcentrinė jėga didėja ir galiausiai tampa pajėgi pirmiausia atremti žlugimą, o paskui jį pakeisti.
Tuo metu, kai griūtis sustoja, zondas pasiekia lygį, vadinamą vidiniu juodosios skylės horizontu. Šiuo metu potvynio jėgos yra mažos, o zondui, peržengus įvykių horizontą, jį pasiekti reikia tik riboto laiko. Tačiau vien todėl, kad erdvėlaikis nustojo žlugti, dar nereiškia, kad mūsų problemos baigėsi ir kad sukimasis kažkaip pašalino išskirtinumą Schwarzschildo juodosios skylės viduje. Iki to dar toli! Juk dar septintojo dešimtmečio viduryje Rogeris Penrose'as ir Stephenas Hawkingas įrodė singuliarumo teoremų sistemą, iš kurios išplaukė, kad jei įvyktų gravitacinis kolapsas, net ir trumpas, tada dėl to turėtų susidaryti tam tikra singuliarumo forma. Schwarzschildo atveju tai yra visa apimantis ir viską gniuždantis išskirtinumas, kuris pajungia visą erdvę horizonte. Kerro sprendime singuliarumas elgiasi kitaip ir, turiu pasakyti, gana netikėtai. Kai zondas pasiekia vidinį horizontą, Kero singuliarumas atskleidžia savo buvimą, tačiau paaiškėja, kad jis yra priežastinėje zondo pasaulinės linijos praeityje. Atrodė, kad singuliarumas visada buvo, bet tik dabar zondas pajuto, kaip jį pasiekė. Sakysite, kad tai skamba fantastiškai, ir tai tiesa. Erdvės ir laiko paveiksle yra keletas neatitikimų, iš kurių taip pat aišku, kad šis atsakymas negali būti laikomas galutiniu.
Pirmoji problema, susijusi su singuliarumu, atsirandančiu stebėtojo, pasiekiančio vidinį horizontą, praeityje yra ta, kad tuo metu Einšteino lygtys negali vienareikšmiškai numatyti, kas atsitiks erdvėlaikiui už šio horizonto. Tai yra, tam tikra prasme singuliarumo buvimas gali lemti bet ką. Galbūt tai, kas iš tikrųjų atsitiks, mums gali būti paaiškinta kvantinės gravitacijos teorija, tačiau Einšteino lygtys nesuteikia mums jokios galimybės žinoti. Tiesiog įdomumo dėlei žemiau aprašome, kas nutiktų, jei reikalautume, kad erdvėlaikio horizonto susikirtimas būtų kuo sklandesnis matematiškai (jei metrinės funkcijos būtų, kaip matematikai sako, „analitinės“), tačiau nėra aiškaus fizinio pagrindo. už tokią prielaidą Nr. Iš esmės antroji vidinio horizonto problema rodo visiškai priešingą: tikrojoje Visatoje, kurioje materija ir energija egzistuoja už juodųjų skylių ribų, erdvėlaikis vidiniame horizonte tampa labai grubus, o ten išsivysto į kilpą panašus singuliarumas. Jis nėra toks destruktyvus kaip begalinė singuliarumo potvynių jėga Schwarzschildo sprendime, tačiau bet kuriuo atveju jos buvimas verčia abejoti pasekmiais, kylančiais iš sklandžių analitinių funkcijų idėjos. Galbūt tai ir gerai – analitinės plėtros prielaida apima labai keistus dalykus.
Iš esmės laiko mašina veikia uždarų laiko kreivių srityje. Toli nuo singuliarumo nėra uždarų laiko kreivių, o neskaitant atstumiamųjų jėgų singuliarumo srityje, erdvėlaikis atrodo visiškai normalus. Tačiau yra trajektorijų (jos nėra geodezinės, todėl jums reikia raketinio variklio), kurios nuves jus į uždarų laikui būdingų kreivių sritį. Kai būsite ten, galite judėti bet kuria kryptimi išilgai t koordinatės, kuri yra tolimo stebėtojo laikas, tačiau savo laiku vis tiek judėsite į priekį. Tai reiškia, kad galite eiti bet kuriuo norimu laiku, o tada grįžti į tolimą erdvės laiko dalį ir net ten atvykti prieš išvykdami. Žinoma, dabar atgyja visi paradoksai, susiję su kelionių laiku idėja: pavyzdžiui, kas būtų, jei pasivaikščioję laiku įtikintumėte savo praeitį to atsisakyti? Tačiau ar tokios erdvės laiko rūšys gali egzistuoti ir kaip galima išspręsti su juo susijusius paradoksus – tai klausimai, kurių ši knyga nepatenka. Tačiau, kaip ir „mėlynojo singuliarumo“ vidiniame horizonte problema, bendroji reliatyvumo teorija rodo, kad erdvėlaikio regionai su uždaromis laikui būdingomis kreivėmis yra nestabilūs: kai tik bandote sujungti tam tikrą masės ar energijos kiekį. , šie regionai gali tapti vienaskaita. Be to, besisukančiose juodosiose skylėse, kurios susidaro mūsų Visatoje, pats „mėlynasis singuliarumas“ gali užkirsti kelią neigiamų masių regiono susidarymui (ir visoms kitoms Kerr visatoms, į kurias veda baltosios skylės). Nepaisant to, tai, kad bendrasis reliatyvumas leidžia tokius keistus sprendimus, intriguoja. Žinoma, nesunku juos paskelbti patologija, tačiau nepamirškime, kad pats Einšteinas ir daugelis jo amžininkų tą patį sakė apie juodąsias skyles.
» Daugiau informacijos apie knygą rasite adresu
Khabrozhiteley 25% nuolaida naudojant kuponą - Juodosios skylės
Sumokėjus už popierinę knygos versiją, elektroninis knygos variantas bus išsiųstas el.
Šaltinis: www.habr.com