Til tross for kompleksiteten til emnet, tilbyr Princeton University-professor Stephen Gubser en kortfattet, tilgjengelig og underholdende introduksjon til et av de mest omdiskuterte områdene innen fysikk i dag. Svarte hull er virkelige objekter, ikke bare et tankeeksperiment! Svarte hull er ekstremt praktiske fra et teoretisk synspunkt, siden de er matematisk mye enklere enn de fleste astrofysiske objekter, for eksempel stjerner. Ting blir rart når det viser seg at sorte hull egentlig ikke er så svarte likevel.
Hva er det egentlig inni dem? Hvordan kan du forestille deg å falle ned i et svart hull? Eller kanskje vi allerede faller inn i det og bare ikke vet om det ennå?
I Kerr-geometrien er det geodesiske baner, fullstendig innelukket i ergosfæren, med følgende egenskap: partikler som beveger seg langs dem har negative potensielle energier som i absolutt verdi oppveier hvilemassene og kinetiske energiene til disse partiklene tatt sammen. Dette betyr at den totale energien til disse partiklene er negativ. Det er denne omstendigheten som brukes i Penrose-prosessen. Mens det er inne i ergosfæren, skyter skipet som henter ut energi et prosjektil på en slik måte at det beveger seg langs en av disse banene med negativ energi. I henhold til loven om bevaring av energi får skipet tilstrekkelig kinetisk energi til å kompensere for den tapte hvilemassen tilsvarende energien til prosjektilet, og i tillegg til å få den positive ekvivalenten til prosjektilets netto negative energi. Siden prosjektilet skulle forsvinne inn i et sort hull etter å ha blitt avfyrt, ville det være greit å lage det av en slags avfall. På den ene siden vil et sort hull fortsatt spise hva som helst, men på den andre siden vil det gi oss mer energi enn vi investerte. Så i tillegg vil energien vi kjøper være "grønn"!
Den maksimale mengden energi som kan trekkes ut fra et Kerr-svart hull avhenger av hvor raskt hullet spinner. I det mest ekstreme tilfellet (ved maksimal mulig rotasjonshastighet), utgjør rotasjonsenergien til romtiden omtrent 29 % av den totale energien til det sorte hullet. Dette virker kanskje ikke så mye, men husk at det er en brøkdel av den totale hvilemassen! Til sammenligning, husk at atomreaktorer drevet av radioaktiv nedbrytningsenergi bruker mindre enn en tiendedel av én prosent av energien som tilsvarer hvilemasse.
Geometrien til romtid inne i horisonten til et spinnende sort hull er dramatisk forskjellig fra Schwarzschild romtid. La oss følge vår sonde og se hva som skjer. Til å begynne med ligner alt på Schwarzschild-saken. Som før begynner romtiden å kollapse, og drar alt med seg mot midten av det sorte hullet, og tidevannskreftene begynner å vokse. Men i Kerr-saken, før radiusen går til null, bremses sammenbruddet og begynner å reversere. I et raskt roterende sort hull vil dette skje lenge før tidevannskreftene blir sterke nok til å true sondens integritet. For intuitivt å forstå hvorfor dette skjer, la oss huske at i newtonsk mekanikk, under rotasjon, oppstår en såkalt sentrifugalkraft. Denne kraften er ikke en av de grunnleggende fysiske kreftene: den oppstår som et resultat av den kombinerte virkningen av grunnleggende krefter, som er nødvendig for å sikre en rotasjonstilstand. Resultatet kan betraktes som en effektiv kraft rettet utover - sentrifugalkraft. Du kjenner det i en skarp sving i en bil i rask bevegelse. Og hvis du noen gang har vært på en karusell, vet du at jo fortere den snurrer, jo strammere må du gripe skinnene, for hvis du slipper taket, blir du kastet ut. Denne analogien for rom-tid er ikke ideell, men den formidler poenget riktig. Vinkelmomentet i romtiden til et Kerr sort hull gir en effektiv sentrifugalkraft som motvirker gravitasjonskraften. Ettersom kollapsen innenfor horisonten trekker romtiden til mindre radier, øker sentrifugalkraften og blir til slutt i stand til først å motvirke kollapsen og deretter reversere den.
I det øyeblikket kollapsen stopper, når sonden et nivå som kalles den indre horisonten til det sorte hullet. På dette tidspunktet er tidevannskreftene små, og sonden, når den har krysset hendelseshorisonten, bruker bare en begrenset tid på å nå den. Men bare fordi romtiden har sluttet å kollapse, betyr det ikke at problemene våre er over og at rotasjonen på en eller annen måte har eliminert singulariteten inne i det sorte hullet i Schwarzschild. Dette er fortsatt et stykke unna! Tross alt, tilbake på midten av 1960-tallet, beviste Roger Penrose og Stephen Hawking et system av singularitetsteoremer, hvorfra det fulgte at hvis det var en gravitasjonskollaps, til og med en kort, så skulle en form for singularitet dannes som et resultat. I Schwarzschild-saken er dette en altomfattende og alt-knusende singularitet som underlegger alt rom innenfor horisonten. I Kerrs løsning oppfører singulariteten seg annerledes og, må jeg si, ganske uventet. Når sonden når den indre horisonten, avslører Kerr-singulariteten sin tilstedeværelse - men den viser seg å være i kausalfortiden til sondens verdenslinje. Det var som om singulariteten alltid hadde vært der, men først nå kjente sonden sin innflytelse nå den. Du vil si at dette høres fantastisk ut, og det er sant. Og det er flere inkonsekvenser i bildet av rom-tid, hvorfra det også er klart at dette svaret ikke kan betraktes som endelig.
Det første problemet med en singularitet som dukker opp i fortiden til en observatør som når den indre horisonten, er at i det øyeblikket kan Einsteins ligninger ikke entydig forutsi hva som vil skje med romtiden utenfor den horisonten. Det vil si at på en måte kan tilstedeværelsen av en singularitet føre til hva som helst. Kanskje hva som faktisk vil skje kan forklares for oss av teorien om kvantetyngdekraft, men Einsteins ligninger gir oss ingen sjanse til å vite det. Bare av interesse beskriver vi nedenfor hva som ville skje hvis vi krevde at skjæringen av romtidshorisonten skulle være så jevn som matematisk mulig (hvis de metriske funksjonene var, som matematikere sier, "analytiske"), men det er ingen klar fysisk basis for en slik antagelse nr. I hovedsak antyder det andre problemet med den indre horisonten nøyaktig det motsatte: i det virkelige universet, der materie og energi eksisterer utenfor sorte hull, blir romtiden ved den indre horisonten veldig grov, og en sløyfelignende singularitet utvikler seg der. Den er ikke så ødeleggende som den uendelige tidevannskraften til singulariteten i Schwarzschild-løsningen, men i alle fall sår dens tilstedeværelse tvil om konsekvensene som følger av ideen om jevne analytiske funksjoner. Kanskje er dette en god ting - antagelsen om analytisk ekspansjon innebærer veldig merkelige ting.
I hovedsak opererer en tidsmaskin i området med lukkede tidslignende kurver. Langt fra singulariteten er det ingen lukkede tidslignende kurver, og bortsett fra de frastøtende kreftene i singularitetens region ser romtiden helt normal ut. Imidlertid er det baner (de er ikke geodesiske, så du trenger en rakettmotor) som tar deg til regionen med lukkede tidslignende kurver. Når du først er der, kan du bevege deg i alle retninger langs t-koordinaten, som er tiden for den fjerne observatøren, men i din egen tid vil du fortsatt alltid bevege deg fremover. Dette betyr at du kan gå til et hvilket som helst tidspunkt du vil, og deretter gå tilbake til en fjern del av rom-tid - og til og med ankomme dit før du drar. Selvfølgelig, nå kommer alle paradoksene knyttet til ideen om tidsreise til liv: for eksempel, hva om du, ved å ta en tidsvandring, overbeviste ditt tidligere selv om å gi det opp? Men hvorvidt slike typer rom-tid kan eksistere og hvordan paradoksene knyttet til den kan løses er spørsmål utenfor denne bokens omfang. Imidlertid, akkurat som med problemet med den "blå singulariteten" i den indre horisonten, inneholder generell relativitetsteori indikasjoner på at områder av rom-tid med lukkede tidslignende kurver er ustabile: så snart du prøver å kombinere en slags mengde masse eller energi , kan disse områdene bli entall. Dessuten, i de roterende sorte hullene som dannes i universet vårt, er det den "blå singulariteten" i seg selv som kan forhindre dannelsen av et område med negative masser (og alle Kerrs andre universer som hvite hull fører inn i). Det faktum at generell relativitetsteori åpner for slike merkelige løsninger er likevel spennende. Selvfølgelig er det lett å erklære dem som en patologi, men la oss ikke glemme at Einstein selv og mange av hans samtidige sa det samme om sorte hull.
» For mer informasjon om boken, vennligst besøk
For Khabrozhiteli 25% rabatt på kupongen - Svarte hull
Ved betaling for papirutgaven av boken sendes en elektronisk versjon av boken på e-post.
Kilde: www.habr.com