În ciuda complexității subiectului, profesorul de la Universitatea Princeton Stephen Gubser oferă o introducere succintă, accesibilă și distractivă a uneia dintre cele mai dezbătute domenii ale fizicii de astăzi. Găurile negre sunt obiecte reale, nu doar un experiment de gândire! Găurile negre sunt extrem de convenabile din punct de vedere teoretic, deoarece sunt mult mai simple din punct de vedere matematic decât majoritatea obiectelor astrofizice, cum ar fi stelele. Lucrurile devin ciudate când se dovedește că găurile negre nu sunt chiar atât de negre, până la urmă.
Ce este cu adevărat în interiorul lor? Cum îți poți imagina că cade într-o gaură neagră? Sau poate că cădem deja în ea și pur și simplu nu știm încă despre asta?
În geometria Kerr, există orbite geodezice, complet închise în ergosferă, cu următoarea proprietate: particulele care se deplasează de-a lungul lor au energii potențiale negative care depășesc în valoare absolută masele de repaus și energiile cinetice ale acestor particule luate împreună. Aceasta înseamnă că energia totală a acestor particule este negativă. Această circumstanță este folosită în procesul Penrose. În timp ce se află în ergosferă, nava care extrage energie trage un proiectil în așa fel încât se deplasează de-a lungul uneia dintre aceste orbite cu energie negativă. Conform legii conservării energiei, nava câștigă suficientă energie cinetică pentru a compensa masa de repaus pierdută echivalentă cu energia proiectilului și, în plus, pentru a câștiga echivalentul pozitiv al energiei negative nete a proiectilului. Deoarece proiectilul ar trebui să dispară într-o gaură neagră după ce a fost tras, ar fi bine să-l faci dintr-un fel de deșeuri. Pe de o parte, o gaură neagră va mânca în continuare orice, dar pe de altă parte, ne va returna mai multă energie decât am investit. Deci, în plus, energia pe care o achiziționăm va fi „verde”!
Cantitatea maximă de energie care poate fi extrasă dintr-o gaură neagră Kerr depinde de cât de repede se învârte gaura. În cel mai extrem caz (la viteza maximă de rotație posibilă), energia de rotație a spațiu-timpului reprezintă aproximativ 29% din energia totală a găurii negre. Poate că nu pare mult, dar amintiți-vă că este o fracțiune din masa totală de odihnă! Pentru comparație, amintiți-vă că reactoarele nucleare alimentate cu energie de descompunere radioactivă folosesc mai puțin de o zecime de unu la sută din energia echivalentă cu masa de repaus.
Geometria spațiu-timpului în interiorul orizontului unei găuri negre care se rotește este dramatic diferită de spațiu-timpul Schwarzschild. Să urmărim sonda noastră și să vedem ce se întâmplă. La început, totul seamănă cu cazul Schwarzschild. Ca și înainte, spațiu-timpul începe să se prăbușească, trăgând totul împreună cu el spre centrul găurii negre, iar forțele mareelor încep să crească. Dar în cazul Kerr, înainte ca raza să ajungă la zero, prăbușirea încetinește și începe să se inverseze. Într-o gaură neagră care se rotește rapid, acest lucru se va întâmpla cu mult înainte ca forțele de maree să devină suficient de puternice pentru a amenința integritatea sondei. Pentru a înțelege intuitiv de ce se întâmplă acest lucru, să ne amintim că în mecanica newtoniană, în timpul rotației, ia naștere așa-numita forță centrifugă. Această forță nu este una dintre forțele fizice fundamentale: ea apare ca urmare a acțiunii combinate a forțelor fundamentale, care este necesară pentru a asigura o stare de rotație. Rezultatul poate fi considerat ca o forță eficientă îndreptată spre exterior - forță centrifugă. Îl simți într-o viraj bruscă într-o mașină care se mișcă rapid. Și dacă ai fost vreodată pe un carusel, știi că, cu cât se învârte mai repede, cu atât mai strâns trebuie să te apuci de șine pentru că, dacă dai drumul, vei fi aruncat afară. Această analogie pentru spațiu-timp nu este ideală, dar înțelege corect ideea. Momentul unghiular din spațiu-timp al unei găuri negre Kerr oferă o forță centrifugă eficientă care contracarează atracția gravitațională. Pe măsură ce colapsul din orizont trage spațiu-timp la raze mai mici, forța centrifugă crește și în cele din urmă devine capabilă să contracareze prăbușirea și apoi să-l inverseze.
În momentul în care prăbușirea se oprește, sonda atinge un nivel numit orizontul interior al găurii negre. În acest moment, forțele de maree sunt mici, iar sonda, odată ce a traversat orizontul evenimentelor, durează doar o perioadă finită pentru a ajunge la el. Cu toate acestea, doar pentru că spațiu-timpul a încetat să se prăbușească nu înseamnă că problemele noastre s-au încheiat și că rotația a eliminat cumva singularitatea din interiorul găurii negre Schwarzschild. Aceasta este încă departe! La urma urmei, la mijlocul anilor 1960, Roger Penrose și Stephen Hawking au demonstrat un sistem de teoreme de singularitate, din care a rezultat că, dacă a existat un colaps gravitațional, chiar și unul scurt, atunci ar trebui să se formeze o formă de singularitate ca urmare. În cazul Schwarzschild, aceasta este o singularitate atotcuprinzătoare și zdrobitoare care subjugă tot spațiul din orizont. În soluția lui Kerr, singularitatea se comportă diferit și, trebuie să spun, destul de neașteptat. Când sonda ajunge la orizontul interior, singularitatea Kerr își dezvăluie prezența — dar se dovedește a fi în trecutul cauzal al liniei mondiale a sondei. Era ca și cum singularitatea ar fi fost mereu acolo, dar abia acum sonda a simțit că influența îi ajungea la ea. Veți spune că asta sună fantastic și este adevărat. Și există mai multe inconsecvențe în tabloul spațiu-timp, din care reiese, de asemenea, că acest răspuns nu poate fi considerat final.
Prima problemă cu o singularitate care apare în trecut a unui observator care ajunge la orizontul interior este că în acel moment ecuațiile lui Einstein nu pot prezice în mod unic ce se va întâmpla cu spațiu-timp în afara acelui orizont. Adică, într-un sens, prezența unei singularități poate duce la orice. Poate că ceea ce se va întâmpla de fapt ne poate fi explicat prin teoria gravitației cuantice, dar ecuațiile lui Einstein nu ne oferă nicio șansă de a ști. Doar din interes, descriem mai jos ce s-ar întâmpla dacă am cere ca intersecția orizontului spațiu-timp să fie cât mai netedă posibil din punct de vedere matematic (dacă funcțiile metrice ar fi, așa cum spun matematicienii, „analitice”), dar nu există o bază fizică clară. pentru o astfel de presupunere nr. În esență, a doua problemă cu orizontul interior sugerează exact contrariul: în Universul real, în care materia și energia există în afara găurilor negre, spațiu-timp la orizontul interior devine foarte dur și acolo se dezvoltă o singularitate asemănătoare buclei. Nu este la fel de distructivă precum forța de maree infinită a singularității în soluția Schwarzschild, dar în orice caz prezența sa pune la îndoială consecințele care decurg din ideea de funcții analitice netede. Poate că acesta este un lucru bun - presupunerea expansiunii analitice implică lucruri foarte ciudate.
În esență, o mașină a timpului funcționează în regiunea curbelor închise asemănătoare timpului. Departe de singularitate, nu există curbe închise asemănătoare timpului și, în afară de forțele repulsive din regiunea singularității, spațiu-timpul arată complet normal. Cu toate acestea, există traiectorii (nu sunt geodezice, deci aveți nevoie de un motor de rachetă) care vă vor duce în regiunea curbelor închise asemănătoare timpului. Odată ce sunteți acolo, vă puteți deplasa în orice direcție de-a lungul coordonatei t, care este timpul observatorului îndepărtat, dar în timpul dvs. veți merge întotdeauna înainte. Aceasta înseamnă că poți merge oricând vrei și apoi să te întorci într-o parte îndepărtată a spațiu-timpului - și chiar să ajungi acolo înainte de a pleca. Desigur, acum toate paradoxurile asociate cu ideea călătoriei în timp prind viață: de exemplu, ce se întâmplă dacă, făcând o plimbare în timp, ți-ai convinge sinele din trecut să renunțe la asta? Dar dacă astfel de tipuri de spațiu-timp pot exista și cum pot fi rezolvate paradoxurile asociate cu acesta sunt întrebări care depășesc scopul acestei cărți. Cu toate acestea, la fel ca în problema „singularității albastre” pe orizontul interior, relativitatea generală conține indicii că regiunile spațiu-timp cu curbe închise asemănătoare timpului sunt instabile: de îndată ce încercați să combinați o anumită cantitate de masă sau energie. , aceste regiuni pot deveni singulare. Mai mult, în găurile negre rotative care se formează în Universul nostru, „singularitatea albastră” însăși poate preveni formarea unei regiuni de mase negative (și toate celelalte universuri ale lui Kerr în care duc găurile albe). Cu toate acestea, faptul că relativitatea generală permite astfel de soluții ciudate este intrigant. Desigur, este ușor să le declari o patologie, dar să nu uităm că Einstein însuși și mulți dintre contemporanii săi au spus același lucru despre găurile negre.
» Mai multe detalii despre carte gasiti la
Pentru Khabrozhiteley 25% reducere folosind cupon - Găuri negre
La plata versiunii pe hârtie a cărții, o versiune electronică a cărții va fi trimisă prin e-mail.
Sursa: www.habr.com