Minkejja l-kumplessità tas-suġġett, il-professur tal-Università ta’ Princeton Stephen Gubser joffri introduzzjoni konċiża, aċċessibbli u divertenti għal wieħed mill-oqsma l-aktar diskussi tal-fiżika llum. It-toqob suwed huma oġġetti reali, mhux biss esperiment tal-ħsieb! It-toqob suwed huma estremament konvenjenti mil-lat teoretiku, peress li huma matematikament ħafna aktar sempliċi mill-biċċa l-kbira tal-oġġetti astrofiżiċi, bħall-istilel. L-affarijiet isiru strambi meta jirriżulta li wara kollox it-toqob suwed mhumiex daqshekk suwed.
X'hemm verament ġewwa fihom? Kif tista’ timmaġina li taqa’ ġo toqba sewda? Jew forsi diġà qed naqgħu fiha u għadna ma nafux dwarha?
Fil-ġeometrija Kerr, hemm orbiti ġeodeżiċi, magħluqa kompletament fl-ergosfera, bil-proprjetà li ġejja: partiċelli li jiċċaqilqu tulhom għandhom enerġiji potenzjali negattivi li jegħlbu f'valur assolut il-mases ta 'mistrieħ u l-enerġiji kinetiċi ta' dawn il-partiċelli meħudin flimkien. Dan ifisser li l-enerġija totali ta 'dawn il-partiċelli hija negattiva. Hija din iċ-ċirkustanza li tintuża fil-proċess Penrose. Waqt li jkun ġewwa l-ergosfera, il-vapur li jiġbed l-enerġija jispara projettili b'tali mod li jimxi tul waħda minn dawn l-orbiti b'enerġija negattiva. Skont il-liġi tal-konservazzjoni tal-enerġija, il-vapur jikseb biżżejjed enerġija kinetika biex jikkumpensa għall-massa ta 'mistrieħ mitlufa ekwivalenti għall-enerġija tal-projettili, u minbarra li jikseb l-ekwivalenti pożittiv tal-enerġija negattiva netta tal-projettili. Peress li l-projettili għandu jisparixxi ġo toqba sewda wara li jkun sparat, ikun tajjeb li tagħmilha minn xi tip ta 'skart. Min-naħa waħda, toqba sewda xorta se tiekol xi ħaġa, iżda min-naħa l-oħra, tirritorna lilna aktar enerġija milli investejna. Għalhekk, barra minn hekk, l-enerġija li nixtru se tkun "aħdar"!
L-ammont massimu ta 'enerġija li jista' jiġi estratt minn toqba sewda Kerr jiddependi fuq kemm it-toqba tkun qed iddur malajr. Fl-aktar każ estrem (fil-veloċità massima ta 'rotazzjoni possibbli), l-enerġija rotazzjonali ta' l-ispazju-ħin tammonta għal madwar 29% tal-enerġija totali tat-toqba sewda. Dan jista 'ma jidhirx ħafna, imma ftakar li hija frazzjoni tal-massa totali ta' mistrieħ! Għal paragun, ftakar li reatturi nukleari mħaddma b'enerġija ta 'tħassir radjuattiv jużaw inqas minn wieħed minn għaxra ta' wieħed fil-mija tal-enerġija ekwivalenti għall-massa ta 'mistrieħ.
Il-ġeometrija tal-ispazju-ħin ġewwa l-orizzont ta 'toqba sewda li ddur hija drammatikament differenti mill-ispazju-żmien ta' Schwarzschild. Ejja nsegwu s-sonda tagħna u naraw x'jiġri. Għall-ewwel, kollox jidher simili għall-każ Schwarzschild. Bħal qabel, l-ispazju-ħin jibda jiġġarraf, jkaxkar kollox flimkien miegħu lejn iċ-ċentru tat-toqba sewda, u l-forzi tal-marea jibdew jikbru. Iżda fil-każ Kerr, qabel ir-raġġ imur għal żero, il-kollass jonqos u jibda jreġġa' lura. F'toqba sewda li ddur malajr, dan iseħħ ħafna qabel ma l-forzi tal-marea jsiru b'saħħithom biżżejjed biex jheddu l-integrità tas-sonda. Biex nifhmu b'mod intuwittiv għaliex jiġri dan, ejjew niftakru li fil-mekkanika Newtonjana, waqt ir-rotazzjoni, tqum l-hekk imsejħa forza ċentrifugali. Din il-forza mhix waħda mill-forzi fiżiċi fundamentali: tqum bħala riżultat ta 'l-azzjoni magħquda tal-forzi fundamentali, li hija meħtieġa biex tiżgura stat ta' rotazzjoni. Ir-riżultat jista 'jitqies bħala forza effettiva diretta 'l barra—forza ċentrifugali. Tħossha f'dawra qawwija f'karozza li tiċċaqlaq malajr. U jekk qatt kont fuq karużell, taf li aktar ma ddur malajr, aktar ikollok taqbad il-binarji għax jekk tħalli, tintefa’ barra. Din l-analoġija għall-ispazju-ħin mhix ideali, iżda twassal il-punt b'mod korrett. Il-momentum angolari fl-ispazju ta 'toqba sewda Kerr jipprovdi forza ċentrifugali effettiva li tikkontrobatti l-ġibda gravitazzjonali. Hekk kif il-kollass fi ħdan l-orizzont jiġbed l-ispazju għal raġġi iżgħar, il-forza ċentrifugali tiżdied u eventwalment issir kapaċi l-ewwel tikkontrobattu l-kollass u mbagħad ireġġgħu lura.
Fil-mument meta jieqaf il-kollass, is-sonda tilħaq livell imsejjaħ l-orizzont ta 'ġewwa tat-toqba sewda. F'dan il-punt, il-forzi tal-marea huma żgħar, u s-sonda, ladarba tkun qasmet l-orizzont tal-avvenimenti, tieħu biss ammont ta 'żmien finit biex tilħaqha. Madankollu, sempliċement għax l-ispazju-ħin waqaf jiġġarraf ma jfissirx li l-problemi tagħna spiċċaw u li r-rotazzjoni b'xi mod eliminat is-singularità ġewwa t-toqba sewda ta 'Schwarzschild. Dan għadu 'l bogħod! Wara kollox, lura f’nofs is-sittinijiet, Roger Penrose u Stephen Hawking taw prova ta’ sistema ta’ teoremi tas-singularità, li minnha rriżulta li jekk kien hemm kollass gravitazzjonali, anke wieħed qasir, allura għandha tifforma xi forma ta’ singularità bħala riżultat. Fil-każ Schwarzschild, din hija singularità li tiġbor kollox u li tfarrak kollox li tissottometti l-ispazju kollu fl-orizzont. Fis-soluzzjoni ta 'Kerr, is-singularità jaġixxi b'mod differenti u, irrid ngħid, pjuttost mhux mistenni. Meta s-sonda tilħaq l-orizzont ta 'ġewwa, is-singularità ta' Kerr tiżvela l-preżenza tagħha—iżda jirriżulta li hija fil-passat kawżali tal-linja tad-dinja tas-sonda. Kien bħallikieku s-singularità kienet dejjem hemm, iżda biss issa s-sonda ħass l-influwenza tagħha tilħaqha. Inti se tgħid li dan ħsejjes meraviljuż, u huwa veru. U hemm diversi inkonsistenzi fl-istampa tal-ispazju-ħin, li minnhom huwa ċar ukoll li din it-tweġiba ma tistax titqies bħala finali.
L-ewwel problema b'singularità li tidher fil-passat ta' osservatur li jilħaq l-orizzont ta' ġewwa hija li f'dak il-mument l-ekwazzjonijiet ta' Einstein ma jistgħux ibassru b'mod uniku x'se jiġri mill-ispazju-ħin barra dak l-orizzont. Jiġifieri, f'ċertu sens, il-preżenza ta 'singularità tista' twassal għal xi ħaġa. Forsi dak li se jiġri fil-fatt jista 'jiġi spjegat lilna mit-teorija tal-gravità kwantistika, iżda l-ekwazzjonijiet ta' Einstein ma jagħtuna l-ebda ċans li nkunu nafu. Biss minħabba interess, niddeskrivu hawn taħt x'jiġri jekk neħtieġu li l-intersezzjoni tal-orizzont spazjali-ħin tkun lixxa kemm jista' jkun matematikament (jekk il-funzjonijiet metriċi kienu, kif jgħidu l-matematiċi, "analitiċi"), iżda m'hemm l-ebda bażi fiżika ċara għal tali suppożizzjoni Nru. Essenzjalment, it-tieni problema bl-orizzont ta 'ġewwa tissuġġerixxi eżattament l-oppost: fl-Univers reali, li fih il-materja u l-enerġija jeżistu barra t-toqob suwed, l-ispazju-ħin fl-orizzont ta' ġewwa jsir mhux maħdum ħafna, u hemm singolarità bħal loop tiżviluppa. Mhuwiex distruttiv daqs il-forza tal-marea infinita tas-singularità fis-soluzzjoni Schwarzschild, iżda fi kwalunkwe każ il-preżenza tagħha titfa 'dubju fuq il-konsegwenzi li jirriżultaw mill-idea ta' funzjonijiet analitiċi bla xkiel. Forsi din hija ħaġa tajba - is-suppożizzjoni ta 'espansjoni analitika tinvolvi affarijiet strambi ħafna.
Essenzjalment, magna tal-ħin topera fir-reġjun ta 'kurvi magħluqa li jixbħu l-ħin. Bogħod mis-singularità, m'hemm l-ebda kurvi magħluqa li jixbhu l-ħin, u apparti l-forzi repulsivi fir-reġjun tas-singularità, l-ispazju-ħin jidher kompletament normali. Madankollu, hemm trajettorji (mhumiex ġeodeżiċi, għalhekk għandek bżonn ta 'magna rokit) li se tieħdok fir-reġjun ta' kurvi magħluqa li jixbhu l-ħin. Ladarba tkun hemm, tista 'timxi fi kwalunkwe direzzjoni tul il-koordinat t, li huwa l-ħin tal-osservatur imbiegħed, iżda fil-ħin tiegħek xorta dejjem timxi 'l quddiem. Dan ifisser li tista’ tmur f’kull ħin li trid, u mbagħad terġa’ lura għal parti mbiegħda tal-ispazju-ħin – u anke tasal hemm qabel ma tmur. Naturalment, issa l-paradossi kollha assoċjati mal-idea ta 'vjaġġar fil-ħin jieħdu l-ħajja: pereżempju, x'jiġri jekk, billi tieħu mixja fil-ħin, inti kkonvinċejt lilek innifsek tal-passat tiegħek biex iċediha? Iżda jekk tali tipi ta 'spazju-ħin jistgħux jeżistu u kif il-paradossi assoċjati miegħu jistgħu jiġu solvuti huma mistoqsijiet lil hinn mill-ambitu ta' dan il-ktieb. Madankollu, bħal fil-problema tas-"singularità blu" fuq l-orizzont ta 'ġewwa, ir-relattività ġenerali fiha indikazzjonijiet li reġjuni ta' spazju-ħin b'kurvi magħluqa li jixbhu l-ħin huma instabbli: hekk kif tipprova tgħaqqad xi tip ta 'ammont ta' massa jew enerġija. , dawn ir-reġjuni jistgħu jsiru singulari. Barra minn hekk, fit-toqob suwed li jduru li jiffurmaw fl-Univers tagħna, hija s-"singularità blu" nnifisha li tista 'tipprevjeni l-formazzjoni ta' reġjun ta 'mases negattivi (u l-universi l-oħra kollha ta' Kerr li fihom iwasslu toqob bojod). Madankollu, il-fatt li r-relattività ġenerali tippermetti soluzzjonijiet strambi bħal dawn huwa intriganti. Naturalment, huwa faċli li tiddikjarahom patoloġija, imma ma ninsewx li Einstein innifsu u ħafna mill-kontemporanji tiegħu qalu l-istess ħaġa dwar it-toqob suwed.
» Għal aktar informazzjoni dwar il-ktieb, jekk jogħġbok żur
Għal Khabrozhiteli 25% skont fuq il-kupun - Toqob suwed
Mal-ħlas għall-verżjoni stampata tal-ktieb, tintbagħat verżjoni elettronika tal-ktieb bl-e-mail.
Sors: www.habr.com