И покрај сложеноста на темата, професорот од Универзитетот Принстон, Стивен Губсер, нуди краток, достапен и забавен вовед во една од најдискутираните области на физиката денес. Црните дупки се вистински објекти, а не само мисловен експеримент! Црните дупки се исклучително погодни од теоретска гледна точка, бидејќи тие се математички многу поедноставни од повеќето астрофизички објекти, како што се ѕвездите. Работите стануваат чудни кога ќе се испостави дека црните дупки всушност и не се толку црни.
Што навистина има внатре во нив? Како можете да замислите дека паѓате во црна дупка? Или можеби веќе запаѓаме во тоа и сè уште не знаеме за тоа?
Во Кер геометријата, постојат геодетски орбити, целосно затворени во ергосферата, со следново својство: честичките кои се движат по нив имаат негативни потенцијални енергии кои во апсолутна вредност ги надминуваат останатите маси и кинетичките енергии на овие честички земени заедно. Ова значи дека вкупната енергија на овие честички е негативна. Токму оваа околност се користи во процесот Penrose. Додека е внатре во ергосферата, бродот што извлекува енергија испука проектил на таков начин што се движи по една од овие орбити со негативна енергија. Според законот за зачувување на енергијата, бродот добива доволна кинетичка енергија за да ја компензира изгубената маса на мирување еднаква на енергијата на проектилот, а покрај тоа да добие и позитивен еквивалент на нето негативната енергија на проектилот. Бидејќи проектилот треба да исчезне во црна дупка откако ќе биде испукан, би било добро да се направи од некој вид отпад. Од една страна, црната дупка сепак ќе изеде се, но од друга страна ќе ни врати повеќе енергија отколку што сме вложиле. Значи, дополнително, енергијата што ја купуваме ќе биде „зелена“!
Максималната количина на енергија што може да се извлече од црната дупка Кер зависи од тоа колку брзо се врти дупката. Во најекстремниот случај (при максимална можна брзина на ротација), ротационата енергија на време-просторот сочинува приближно 29% од вкупната енергија на црната дупка. Ова можеби не изгледа многу, но запомнете дека е дел од вкупната маса за одмор! За споредба, запомнете дека нуклеарните реактори напојувани со енергија на радиоактивно распаѓање користат помалку од една десетина од еден процент од енергијата еднаква на масата на мирување.
Геометријата на време-просторот во хоризонтот на црната дупка што се врти е драматично различна од простор-времето на Шварцшилд. Ајде да ја следиме нашата истрага и да видиме што ќе се случи. На почетокот, сè изгледа слично на случајот Шварцшилд. Како и досега, простор-времето почнува да се урива, влечејќи сè заедно со него кон центарот на црната дупка, а плимните сили почнуваат да растат. Но, во случајот Кер, пред радиусот да отиде на нула, колапсот се забавува и почнува да се враќа назад. Во брзо ротирачката црна дупка, ова ќе се случи долго пред плимните сили да станат доволно силни за да го загрозат интегритетот на сондата. За интуитивно да разбереме зошто тоа се случува, да се потсетиме дека во Њутновата механика, за време на ротацијата, се јавува таканаречената центрифугална сила. Оваа сила не е една од основните физички сили: таа настанува како резултат на комбинираното дејство на основните сили, што е неопходно за да се обезбеди состојба на ротација. Резултатот може да се смета како ефективна сила насочена кон надвор - центрифугална сила. Го чувствувате на остар свиок во автомобил што се движи брзо. И ако некогаш сте биле на рингишпил, знаете дека колку побрзо се врти, толку поцврсто треба да се фатите за шините затоа што ако се ослободите, ќе бидете исфрлени. Оваа аналогија за време-просторот не е идеална, но правилно ја пренесува поентата. Аголниот моментум во време-просторот на црната дупка Кер обезбедува ефикасна центрифугална сила која се спротивставува на гравитациското влечење. Како што колапсот во хоризонтот го влече време-просторот до помали радиуси, центрифугалната сила се зголемува и на крајот станува способна прво да се спротивстави на колапсот, а потоа да го врати назад.
Во моментот кога колапсот ќе престане, сондата достигнува ниво наречено внатрешен хоризонт на црната дупка. Во овој момент, плимните сили се мали, а на сондата, откако ќе го премине хоризонтот на настани, и треба само ограничено време за да стигне до неа. Меѓутоа, само затоа што време-просторот престана да се руши не значи дека нашите проблеми се завршени и дека ротацијата некако ја елиминира сингуларноста во црната дупка Шварцшилд. Ова е уште многу далеку! На крајот на краиштата, уште во средината на 1960-тите, Роџер Пенроуз и Стивен Хокинг докажаа систем на теореми за сингуларност, од кои произлегува дека ако има гравитациски колапс, дури и краток, тогаш како резултат треба да се формира некаква форма на сингуларност. Во случајот Шварцшилд, ова е сеопфатна и сеопфатна сингуларност која го потчинува целиот простор во хоризонтот. Во решението на Кер, сингуларноста се однесува поинаку и, морам да кажам, сосема неочекувано. Кога сондата ќе стигне до внатрешниот хоризонт, сингуларноста на Кер го открива своето присуство - но се покажува дека е во каузалното минато на светската линија на сондата. Се чинеше дека сингуларноста отсекогаш била таму, но дури сега сондата почувствува како нејзиното влијание допира до неа. Ќе кажете дека ова звучи фантастично, и тоа е вистина. И има неколку недоследности во сликата за време-просторот, од кои исто така е јасно дека овој одговор не може да се смета за конечен.
Првиот проблем со сингуларноста што се појавува во минатото на набљудувач кој стигнува до внатрешниот хоризонт е тоа што во тој момент Ајнштајновите равенки не можат единствено да предвидат што ќе се случи со време-просторот надвор од тој хоризонт. Тоа е, во извесна смисла, присуството на сингуларност може да доведе до сè. Можеби она што всушност ќе се случи може да ни се објасни со теоријата на квантната гравитација, но равенките на Ајнштајн не ни даваат шанса да знаеме. Само од интерес, подолу опишуваме што би се случило ако бараме пресекот на просторно-временскиот хоризонт да биде математички што е можно помазен (ако метричките функции, како што велат математичарите, се „аналитички“), но нема јасна физичка основа за ваквата претпоставка бр. Во суштина, вториот проблем со внатрешниот хоризонт го сугерира токму спротивното: во реалниот Универзум, во кој материјата и енергијата постојат надвор од црните дупки, време-просторот на внатрешниот хоризонт станува многу груб, и таму се развива сингуларност налик на јамка. Тоа не е толку деструктивно како бесконечната плимна сила на сингуларноста во решението на Шварцшилд, но во секој случај нејзиното присуство фрла сомнеж врз последиците што произлегуваат од идејата за мазни аналитички функции. Можеби ова е добра работа - претпоставката за аналитичка експанзија повлекува многу чудни работи.
Во суштина, временската машина работи во регионот на затворени временски криви. Далеку од сингуларноста, нема затворени временски криви, а освен одбивните сили во областа на сингуларноста, простор-времето изгледа сосема нормално. Сепак, постојат траектории (тие не се геодетски, затоа ви треба ракетен мотор) кои ќе ве одведат во регионот на затворени временски кривини. Штом сте таму, можете да се движите во која било насока по должината на t координатата, што е време на далечниот набљудувач, но во свое време сепак секогаш ќе се движите напред. Ова значи дека можете да одите во секое време што сакате, а потоа да се вратите во далечниот дел од простор-времето - па дури и да пристигнете таму пред да одите. Се разбира, сега оживуваат сите парадокси поврзани со идејата за патување низ времето: на пример, што ако, со прошетка низ времето, го убедивте вашето минато јас да се откаже од тоа? Но, дали таквите видови простор-време може да постојат и како може да се решат парадоксите поврзани со него се прашања надвор од опсегот на оваа книга. Меѓутоа, исто како и со проблемот на „сината сингуларност“ на внатрешниот хоризонт, општата релативност содржи индикации дека регионите на време-просторот со затворени временски кривини се нестабилни: штом ќе се обидете да комбинирате некаква количина на маса или енергија , овие региони можат да станат еднина. Покрај тоа, во ротирачките црни дупки што се формираат во нашиот Универзум, самата „сина сингуларност“ може да го спречи формирањето на регион од негативни маси (и сите други универзуми на Кер во кои водат белите дупки). Сепак, фактот што општата релативност дозволува такви чудни решенија е интригантен. Се разбира, лесно е да се прогласат за патологија, но да не заборавиме дека самиот Ајнштајн и многу од неговите современици го кажаа истото за црните дупки.
» Повеќе детали за книгата можете да најдете на
За Khabrozhiteley 25% попуст со користење на купон - Црни дупки
По уплата на хартиената верзија на книгата, електронска верзија на книгата ќе биде испратена по е-пошта.
Извор: www.habr.com