Walaupun topik ini rumit, profesor Universiti Princeton Stephen Gubser menawarkan pengenalan yang ringkas, mudah diakses dan menghiburkan kepada salah satu bidang fizik yang paling banyak diperdebatkan hari ini. Lubang hitam adalah objek sebenar, bukan sekadar percubaan pemikiran! Lubang hitam adalah sangat mudah dari sudut pandangan teori, kerana ia secara matematik jauh lebih mudah daripada kebanyakan objek astrofizik, seperti bintang. Keadaan menjadi pelik apabila ternyata lubang hitam sebenarnya tidak begitu hitam.
Apa sebenarnya yang ada dalam diri mereka? Bagaimana anda boleh bayangkan jatuh ke dalam lubang hitam? Atau mungkin kita sudah terjerumus ke dalamnya dan masih belum mengetahuinya?
Dalam geometri Kerr, terdapat orbit geodesik, tertutup sepenuhnya dalam ergosfera, dengan sifat berikut: zarah yang bergerak sepanjang mereka mempunyai tenaga potensi negatif yang melebihi nilai mutlak jisim selebihnya dan tenaga kinetik zarah ini yang diambil bersama. Ini bermakna jumlah tenaga zarah ini adalah negatif. Keadaan inilah yang digunakan dalam proses Penrose. Semasa berada di dalam ergosfera, kapal yang mengekstrak tenaga menembak peluru sedemikian rupa sehingga ia bergerak di sepanjang salah satu orbit ini dengan tenaga negatif. Menurut undang-undang pemuliharaan tenaga, kapal memperoleh tenaga kinetik yang mencukupi untuk mengimbangi jisim rehat yang hilang bersamaan dengan tenaga peluru, dan sebagai tambahan untuk mendapatkan setara positif tenaga negatif bersih peluru. Memandangkan peluru itu akan hilang ke dalam lubang hitam selepas dilepaskan, adalah baik untuk membuatnya daripada sejenis sisa. Di satu pihak, lubang hitam masih akan memakan apa-apa, tetapi sebaliknya, ia akan mengembalikan kepada kita lebih banyak tenaga daripada yang kita laburkan. Jadi, sebagai tambahan, tenaga yang kita beli akan menjadi "hijau"!
Jumlah maksimum tenaga yang boleh diekstrak daripada lubang hitam Kerr bergantung pada kelajuan lubang itu berputar. Dalam kes yang paling ekstrem (pada kelajuan putaran maksimum yang mungkin), tenaga putaran ruang masa menyumbang kira-kira 29% daripada jumlah tenaga lubang hitam. Ini mungkin tidak kelihatan seperti banyak, tetapi ingat bahawa ia adalah sebahagian kecil daripada jumlah jisim rehat! Sebagai perbandingan, ingat bahawa reaktor nuklear yang dikuasakan oleh tenaga pereputan radioaktif menggunakan kurang daripada satu persepuluh daripada satu peratus tenaga yang setara dengan jisim rehat.
Geometri ruang masa di dalam ufuk lohong hitam berputar secara dramatik berbeza daripada ruang masa Schwarzschild. Mari ikuti siasatan kami dan lihat apa yang berlaku. Pada mulanya, semuanya kelihatan serupa dengan kes Schwarzschild. Seperti dahulu, ruang masa mula runtuh, menyeret segala-galanya bersama-sama dengannya ke arah tengah lubang hitam, dan kuasa pasang surut mula berkembang. Tetapi dalam kes Kerr, sebelum jejari pergi ke sifar, keruntuhan menjadi perlahan dan mula berbalik. Dalam lubang hitam yang berputar dengan pantas, ini akan berlaku lama sebelum daya pasang surut menjadi cukup kuat untuk mengancam integriti probe. Untuk memahami secara intuitif mengapa ini berlaku, marilah kita ingat bahawa dalam mekanik Newtonian, semasa putaran, apa yang dipanggil daya empar timbul. Daya ini bukan salah satu daripada kuasa fizikal asas: ia timbul akibat tindakan gabungan kuasa asas, yang diperlukan untuk memastikan keadaan putaran. Hasilnya boleh dianggap sebagai daya berkesan yang diarahkan ke luar—daya sentrifugal. Anda merasakannya membelok tajam dalam kereta yang bergerak laju. Dan jika anda pernah menaiki karusel, anda tahu bahawa semakin cepat ia berputar, semakin ketat anda perlu mencengkam rel kerana jika anda melepaskan, anda akan tercampak keluar. Analogi untuk ruang-masa ini tidak sesuai, tetapi ia memahami maksudnya dengan betul. Momentum sudut dalam ruang masa lubang hitam Kerr memberikan daya emparan berkesan yang menentang tarikan graviti. Apabila keruntuhan di dalam ufuk menarik ruang masa ke jejari yang lebih kecil, daya emparan meningkat dan akhirnya dapat mengatasi keruntuhan dahulu dan kemudian membalikkannya.
Pada saat keruntuhan berhenti, siasatan mencapai tahap yang dipanggil ufuk dalam lubang hitam. Pada ketika ini, daya pasang surut adalah kecil, dan siasatan, sebaik sahaja ia melintasi ufuk peristiwa, hanya mengambil masa yang terhad untuk mencapainya. Walau bagaimanapun, hanya kerana ruang masa telah berhenti runtuh tidak bermakna bahawa masalah kita telah selesai dan bahawa putaran entah bagaimana telah menghapuskan ketunggalan di dalam lubang hitam Schwarzschild. Ini masih jauh! Lagipun, pada pertengahan tahun 1960-an, Roger Penrose dan Stephen Hawking membuktikan sistem teorem singulariti, dari mana ia mengikuti bahawa jika terdapat keruntuhan graviti, walaupun yang pendek, maka beberapa bentuk singulariti akan terbentuk sebagai hasilnya. Dalam kes Schwarzschild, ini adalah ketunggalan yang merangkumi semua dan menghancurkan semua yang menundukkan semua ruang dalam ufuk. Dalam penyelesaian Kerr, singulariti berkelakuan berbeza dan, saya mesti katakan, agak tidak dijangka. Apabila kuar mencapai ufuk dalaman, singulariti Kerr mendedahkan kehadirannya—tetapi ia ternyata berada di masa lalu sebab akibat garis dunia siasatan. Seolah-olah keistimewaan itu sentiasa ada, tetapi baru sekarang siasatan itu merasakan pengaruhnya sampai ke sana. Anda akan mengatakan bahawa ini kedengaran hebat, dan ia adalah benar. Dan terdapat beberapa ketidakkonsistenan dalam gambaran ruang-masa, dari mana ia juga jelas bahawa jawapan ini tidak boleh dianggap muktamad.
Masalah pertama dengan singulariti yang muncul pada masa lalu seorang pemerhati yang mencapai ufuk dalaman ialah pada masa itu persamaan Einstein tidak dapat meramalkan secara unik apa yang akan berlaku kepada ruang masa di luar ufuk itu. Iaitu, dalam erti kata tertentu, kehadiran singulariti boleh membawa kepada apa sahaja. Mungkin apa yang sebenarnya akan berlaku boleh dijelaskan kepada kita dengan teori graviti kuantum, tetapi persamaan Einstein tidak memberi kita peluang untuk mengetahui. Hanya kerana minat, kami menerangkan di bawah perkara yang akan berlaku jika kami memerlukan persilangan ufuk ruang masa sehalus mungkin secara matematik (jika fungsi metrik, seperti yang dikatakan ahli matematik, "analitik"), tetapi tiada asas fizikal yang jelas untuk andaian sedemikian No. Pada dasarnya, masalah kedua dengan ufuk dalam menunjukkan sebaliknya: di Alam Semesta sebenar, di mana jirim dan tenaga wujud di luar lubang hitam, ruang masa di ufuk dalam menjadi sangat kasar, dan ketunggalan seperti gelung berkembang di sana. Ia tidak merosakkan seperti kuasa pasang surut yang tidak terhingga dari ketunggalan dalam penyelesaian Schwarzschild, tetapi dalam apa jua keadaan kehadirannya menimbulkan keraguan pada akibat yang berikut dari idea fungsi analitik yang lancar. Mungkin ini adalah perkara yang baik - andaian pengembangan analitik memerlukan perkara yang sangat pelik.
Pada dasarnya, mesin masa beroperasi di kawasan lengkung seperti masa tertutup. Jauh daripada singulariti, tiada lengkung seperti masa tertutup, dan selain daripada daya tolakan di kawasan singulariti, ruang masa kelihatan normal sepenuhnya. Walau bagaimanapun, terdapat trajektori (ia bukan geodesik, jadi anda memerlukan enjin roket) yang akan membawa anda ke kawasan lengkung seperti masa tertutup. Sebaik sahaja anda berada di sana, anda boleh bergerak ke mana-mana arah sepanjang koordinat t, iaitu masa pemerhati jauh, tetapi dalam masa anda sendiri anda masih akan sentiasa bergerak ke hadapan. Ini bermakna anda boleh pergi ke bila-bila masa yang anda mahu, dan kemudian kembali ke bahagian ruang-masa yang jauh - dan juga tiba di sana sebelum anda pergi. Sudah tentu, kini semua paradoks yang berkaitan dengan idea perjalanan masa menjadi nyata: sebagai contoh, bagaimana jika, dengan mengambil masa berjalan, anda meyakinkan diri anda yang lalu untuk melepaskannya? Tetapi sama ada ruang-masa sedemikian boleh wujud dan bagaimana paradoks yang berkaitan dengannya boleh diselesaikan adalah persoalan di luar skop buku ini. Walau bagaimanapun, sama seperti masalah "ketunggalan biru" di ufuk dalaman, relativiti am mengandungi petunjuk bahawa kawasan ruang-masa dengan lengkung seperti masa tertutup adalah tidak stabil: sebaik sahaja anda cuba menggabungkan beberapa jenis jumlah jisim atau tenaga , kawasan ini boleh menjadi tunggal. Lebih-lebih lagi, dalam lubang hitam berputar yang terbentuk di Alam Semesta kita, ia adalah "singulariti biru" itu sendiri yang boleh menghalang pembentukan kawasan jisim negatif (dan semua alam semesta Kerr yang lain di mana lubang putih memimpin). Namun begitu, hakikat bahawa relativiti am membenarkan penyelesaian pelik seperti itu adalah menarik. Sudah tentu, mudah untuk mengisytiharkan mereka sebagai patologi, tetapi jangan lupa bahawa Einstein sendiri dan ramai orang sezamannya mengatakan perkara yang sama tentang lubang hitam.
» Butiran lanjut tentang buku boleh didapati di
Untuk Khabrozhiteley diskaun 25% menggunakan kupon - Lubang hitam
Selepas pembayaran untuk versi kertas buku, versi elektronik buku akan dihantar melalui e-mel.
Sumber: www.habr.com