Pavarësisht kompleksitetit të temës, profesori i Universitetit të Princetonit, Stephen Gubser, ofron një hyrje të përmbledhur, të arritshme dhe argëtuese në një nga fushat më të debatuara të fizikës sot. Vrimat e zeza janë objekte reale, jo thjesht një eksperiment mendimi! Vrimat e zeza janë jashtëzakonisht të përshtatshme nga pikëpamja teorike, pasi ato janë matematikisht shumë më të thjeshta se shumica e objekteve astrofizike, siç janë yjet. Gjërat bëhen të çuditshme kur rezulton se vrimat e zeza në fund të fundit nuk janë aq të zeza.
Çfarë është në të vërtetë brenda tyre? Si mund ta imagjinoni të bini në një vrimë të zezë? Apo ndoshta ne tashmë po biem në të dhe thjesht nuk e dimë akoma?
Në gjeometrinë Kerr, ka orbita gjeodezike, të mbyllura plotësisht në ergosferë, me vetinë e mëposhtme: grimcat që lëvizin përgjatë tyre kanë energji potenciale negative që peshojnë në vlerë absolute më shumë se masat e mbetura dhe energjitë kinetike të këtyre grimcave të marra së bashku. Kjo do të thotë se energjia totale e këtyre grimcave është negative. Është kjo rrethanë që përdoret në procesin Penrose. Ndërsa brenda ergosferës, anija që nxjerr energji lëshon një predhë në atë mënyrë që lëviz përgjatë njërës prej këtyre orbitave me energji negative. Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë, anija fiton energji të mjaftueshme kinetike për të kompensuar masën e humbur të pushimit ekuivalent me energjinë e predhës, dhe përveç kësaj për të fituar ekuivalentin pozitiv të energjisë neto negative të predhës. Duke qenë se predha duhet të zhduket në një vrimë të zezë pas shkrepjes, do të ishte mirë ta bënim atë nga një lloj mbetjeje. Nga njëra anë, një vrimë e zezë do të hajë gjithçka, por nga ana tjetër, do të na kthejë më shumë energji sesa kemi investuar. Pra, përveç kësaj, energjia që blejmë do të jetë "e gjelbër"!
Sasia maksimale e energjisë që mund të nxirret nga një vrimë e zezë Kerr varet nga shpejtësia e rrotullimit të vrimës. Në rastin më ekstrem (me shpejtësinë maksimale të mundshme të rrotullimit), energjia rrotulluese e hapësirë-kohës përbën afërsisht 29% të energjisë totale të vrimës së zezë. Kjo mund të mos duket shumë, por mbani mend se është një pjesë e masës totale të pushimit! Për krahasim, mbani mend se reaktorët bërthamorë të fuqizuar nga energjia e kalbjes radioaktive përdorin më pak se një të dhjetën e një për qind të energjisë ekuivalente me masën e pushimit.
Gjeometria e hapësirë-kohës brenda horizontit të një vrime të zezë rrotulluese është në mënyrë dramatike e ndryshme nga hapësirë-koha e Schwarzschild. Le të ndjekim hetimin tonë dhe të shohim se çfarë ndodh. Në fillim, gjithçka duket e ngjashme me rastin Schwarzschild. Si më parë, hapësirë-koha fillon të shembet, duke tërhequr gjithçka së bashku me të drejt qendrës së vrimës së zezë dhe forcat e baticës fillojnë të rriten. Por në rastin Kerr, përpara se rrezja të shkojë në zero, kolapsi ngadalësohet dhe fillon të kthehet. Në një vrimë të zezë që rrotullohet me shpejtësi, kjo do të ndodhë shumë kohë përpara se forcat e baticës të bëhen mjaft të forta për të kërcënuar integritetin e sondës. Për të kuptuar në mënyrë intuitive pse ndodh kjo, le të kujtojmë se në mekanikën e Njutonit, gjatë rrotullimit, lind një e ashtuquajtur forcë centrifugale. Kjo forcë nuk është një nga forcat themelore fizike: ajo lind si rezultat i veprimit të kombinuar të forcave themelore, i cili është i nevojshëm për të siguruar një gjendje rrotullimi. Rezultati mund të mendohet si një forcë efektive e drejtuar nga jashtë - forcë centrifugale. Ju e ndjeni atë në një kthesë të mprehtë në një makinë që lëviz me shpejtësi. Dhe nëse keni qenë ndonjëherë në një karusel, ju e dini se sa më shpejt të rrotullohet, aq më fort duhet t'i kapni shinat sepse nëse e lëshoni, do të hidheni jashtë. Kjo analogji për hapësirë-kohën nuk është ideale, por e kupton saktë çështjen. Momenti këndor në hapësirën kohë të një vrime të zezë Kerr siguron një forcë centrifugale efektive që kundërshton tërheqjen gravitacionale. Ndërsa kolapsi brenda horizontit e tërheq hapësirë-kohën në rreze më të vogla, forca centrifugale rritet dhe përfundimisht bëhet në gjendje të kundërshtojë fillimisht kolapsin dhe më pas ta kthejë atë.
Në momentin kur kolapsi ndalon, sonda arrin një nivel të quajtur horizonti i brendshëm i vrimës së zezë. Në këtë pikë, forcat e baticës janë të vogla dhe sondës, pasi të ketë kaluar horizontin e ngjarjeve, i duhet vetëm një kohë e kufizuar për ta arritur atë. Megjithatë, vetëm për shkak se hapësira koha ka ndaluar së shembur, nuk do të thotë se problemet tona kanë mbaruar dhe se rrotullimi ka eliminuar disi singularitetin brenda vrimës së zezë Schwarzschild. Kjo është ende shumë larg! Në fund të fundit, në mesin e viteve 1960, Roger Penrose dhe Stephen Hawking vërtetuan një sistem të teoremave të singularitetit, nga i cili rezultoi se nëse do të kishte një kolaps gravitacional, qoftë edhe të shkurtër, atëherë si rezultat duhet të formohej një formë e singularitetit. Në rastin Schwarzschild, ky është një singularitet gjithëpërfshirës dhe dërrmues që nënshtron të gjithë hapësirën brenda horizontit. Në zgjidhjen e Kerrit, singulariteti sillet ndryshe dhe, më duhet të them, krejt papritur. Kur sonda arrin horizontin e brendshëm, singulariteti Kerr zbulon praninë e tij - por rezulton të jetë në të kaluarën shkakësore të linjës botërore të sondës. Dukej sikur singulariteti të kishte qenë gjithmonë aty, por vetëm tani sonda ndjeu ndikimin e saj duke arritur tek ajo. Ju do të thoni se kjo tingëllon fantastike, dhe është e vërtetë. Dhe ka disa mospërputhje në tablonë e hapësirë-kohës, nga të cilat është gjithashtu e qartë se kjo përgjigje nuk mund të konsiderohet përfundimtare.
Problemi i parë me një singularitet që shfaqet në të kaluarën e një vëzhguesi që arrin horizontin e brendshëm është se në atë moment ekuacionet e Ajnshtajnit nuk mund të parashikojnë në mënyrë unike se çfarë do të ndodhë me hapësirën kohë jashtë atij horizonti. Kjo do të thotë, në një farë kuptimi, prania e një singulariteti mund të çojë në çdo gjë. Ndoshta ajo që do të ndodhë në të vërtetë mund të na shpjegohet me teorinë e gravitetit kuantik, por ekuacionet e Ajnshtajnit nuk na japin asnjë shans për të ditur. Vetëm për interes, ne përshkruajmë më poshtë se çfarë do të ndodhte nëse do të kërkonim që kryqëzimi i horizontit hapësinor të jetë sa më i qetë matematikisht (nëse funksionet metrikë do të ishin, siç thonë matematikanët, "analitike"), por nuk ka asnjë bazë të qartë fizike për një supozim të tillë Nr. Në thelb, problemi i dytë me horizontin e brendshëm sugjeron pikërisht të kundërtën: në Universin e vërtetë, në të cilin materia dhe energjia ekzistojnë jashtë vrimave të zeza, hapësirë-koha në horizontin e brendshëm bëhet shumë e përafërt dhe një singularitet i ngjashëm me lakun zhvillohet atje. Nuk është aq shkatërruese sa forca e pafundme e baticës së singularitetit në zgjidhjen Schwarzschild, por gjithsesi prania e saj vë në dyshim pasojat që rrjedhin nga ideja e funksioneve të lëmuara analitike. Ndoshta kjo është një gjë e mirë - supozimi i zgjerimit analitik përfshin gjëra shumë të çuditshme.
Në thelb, një makinë kohe operon në rajonin e kurbave të mbyllura të ngjashme me kohën. Larg singularitetit, nuk ka kurba të mbyllura në formë kohore, dhe përveç forcave repulsive në rajonin e singularitetit, hapësirë-koha duket krejtësisht normale. Megjithatë, ka trajektore (ato nuk janë gjeodezike, kështu që ju duhet një motor rakete) që do t'ju çojnë në rajonin e kthesave të mbyllura si kohë. Pasi të jeni atje, mund të lëvizni në çdo drejtim përgjatë koordinatës t, që është koha e vëzhguesit të largët, por në kohën tuaj do të ecni gjithmonë përpara. Kjo do të thotë që ju mund të shkoni në çdo kohë që dëshironi, dhe më pas të ktheheni në një pjesë të largët të hapësirë-kohës - dhe madje të arrini atje përpara se të shkoni. Natyrisht, tani vijnë në jetë të gjitha paradokset që lidhen me idenë e udhëtimit në kohë: për shembull, po sikur, duke bërë një shëtitje në kohë, të bindeni veten tuaj të kaluar që të hiqte dorë prej saj? Por nëse lloje të tilla hapësirë-kohë mund të ekzistojnë dhe si mund të zgjidhen paradokset që lidhen me të, janë pyetje përtej qëllimit të këtij libri. Megjithatë, ashtu si me problemin e "singularitetit blu" në horizontin e brendshëm, relativiteti i përgjithshëm përmban indikacione se rajonet e hapësirë-kohës me kthesa të mbyllura kohore janë të paqëndrueshme: sapo përpiqeni të kombinoni një lloj mase ose energjie. , këto rajone mund të bëhen njëjës. Për më tepër, në vrimat e zeza rrotulluese që formohen në Universin tonë, është vetë "singulariteti blu" që mund të parandalojë formimin e një rajoni me masa negative (dhe të gjithë universet e tjerë të Kerrit në të cilat çojnë vrimat e bardha). Megjithatë, fakti që relativiteti i përgjithshëm lejon zgjidhje të tilla të çuditshme është intrigues. Sigurisht, është e lehtë t'i shpallësh ato një patologji, por të mos harrojmë se vetë Ajnshtajni dhe shumë nga bashkëkohësit e tij thanë të njëjtën gjë për vrimat e zeza.
» Më shumë detaje rreth librit mund të gjenden në
Për Khabrozhiteley 25% zbritje duke përdorur kupon - Vrimat e zeza
Pas pagesës për versionin në letër të librit, një version elektronik i librit do të dërgohet me e-mail.
Burimi: www.habr.com