Sa kabila ng pagiging kumplikado ng paksa, ang propesor ng Princeton University na si Stephen Gubser ay nag-aalok ng isang maikli, naa-access, at nakakaaliw na pagpapakilala sa isa sa mga pinaka pinagtatalunang lugar ng physics ngayon. Ang mga itim na butas ay mga tunay na bagay, hindi lamang isang eksperimento sa pag-iisip! Ang mga black hole ay lubos na maginhawa mula sa isang teoretikal na pananaw, dahil ang mga ito ay mas simple sa matematika kaysa sa karamihan ng mga astrophysical na bagay, tulad ng mga bituin. Nagiging kakaiba ang mga bagay kapag lumalabas na ang mga black hole ay hindi naman ganoon kaitim.
Ano ba talaga ang nasa loob nila? Paano mo maiisip na nahulog ka sa isang black hole? O baka nahuhulog na tayo dito at hindi pa natin alam?
Sa geometry ng Kerr, mayroong mga geodesic na orbit, na ganap na nakapaloob sa ergosphere, na may sumusunod na katangian: ang mga particle na gumagalaw sa kahabaan ng mga ito ay may negatibong potensyal na enerhiya na higit sa ganap na halaga sa natitirang masa at kinetic energies ng mga particle na ito na pinagsama-sama. Nangangahulugan ito na ang kabuuang enerhiya ng mga particle na ito ay negatibo. Ito ang sitwasyong ito na ginagamit sa proseso ng Penrose. Habang nasa loob ng ergosphere, ang barkong kumukuha ng enerhiya ay nagpapaputok ng projectile sa paraang gumagalaw ito sa isa sa mga orbit na ito na may negatibong enerhiya. Ayon sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, ang barko ay nakakakuha ng sapat na kinetic energy upang mabayaran ang nawala na mass ng pahinga na katumbas ng enerhiya ng projectile, at bilang karagdagan upang makakuha ng positibong katumbas ng net negatibong enerhiya ng projectile. Dahil ang projectile ay dapat mawala sa isang itim na butas pagkatapos ng pagpapaputok, makabubuting gawin ito mula sa ilang uri ng basura. Sa isang banda, ang black hole ay kakain pa rin ng kahit ano, ngunit sa kabilang banda, ito ay magbabalik sa atin ng mas maraming enerhiya kaysa sa ating namuhunan. Kaya, bilang karagdagan, ang enerhiya na binibili natin ay magiging "berde"!
Ang maximum na dami ng enerhiya na maaaring makuha mula sa isang Kerr black hole ay depende sa kung gaano kabilis ang pag-ikot ng butas. Sa pinaka matinding kaso (sa pinakamataas na posibleng bilis ng pag-ikot), ang rotational energy ng spacetime ay humigit-kumulang 29% ng kabuuang enerhiya ng black hole. Maaaring hindi ito gaanong, ngunit tandaan na ito ay isang maliit na bahagi ng kabuuang mass ng pahinga! Para sa paghahambing, tandaan na ang mga nuclear reactor na pinapagana ng radioactive decay energy ay gumagamit ng mas mababa sa ikasampu ng isang porsyento ng enerhiya na katumbas ng rest mass.
Ang geometry ng spacetime sa loob ng horizon ng umiikot na black hole ay kapansin-pansing naiiba sa Schwarzschild spacetime. Subaybayan natin ang ating pagsisiyasat at tingnan kung ano ang mangyayari. Sa una, ang lahat ay mukhang katulad ng kaso ng Schwarzschild. Tulad ng dati, ang spacetime ay nagsisimulang bumagsak, na kinakaladkad ang lahat kasama nito patungo sa gitna ng black hole, at ang mga puwersa ng tidal ay nagsimulang lumaki. Ngunit sa kaso ng Kerr, bago mapunta sa zero ang radius, bumagal ang pagbagsak at nagsisimulang bumaliktad. Sa isang mabilis na umiikot na black hole, ito ay mangyayari bago pa lumakas ang tidal forces upang banta ang integridad ng probe. Upang madaling maunawaan kung bakit ito nangyayari, tandaan natin na sa Newtonian mechanics, sa panahon ng pag-ikot, isang tinatawag na centrifugal force ang lumitaw. Ang puwersang ito ay hindi isa sa mga pangunahing pisikal na puwersa: ito ay lumitaw bilang isang resulta ng pinagsamang pagkilos ng mga pangunahing pwersa, na kinakailangan upang matiyak ang isang estado ng pag-ikot. Ang resulta ay maaaring isipin bilang isang mabisang puwersa na nakadirekta palabasβcentrifugal force. Ramdam mo ito sa isang mabilis na pagliko sa isang mabilis na umaandar na kotse. At kung nakasakay ka na sa carousel, alam mo na ang bilis ng pag-ikot nito, mas mahigpit ang pagkakahawak mo sa riles dahil kapag binitawan mo, itatapon ka. Ang pagkakatulad na ito para sa space-time ay hindi perpekto, ngunit nakukuha nito ang punto nang tama. Ang angular momentum sa spacetime ng isang Kerr black hole ay nagbibigay ng epektibong centrifugal force na sumasalungat sa gravitational pull. Habang ang pagbagsak sa loob ng abot-tanaw ay humihila ng spacetime sa mas maliit na radii, ang sentripugal na puwersa ay tumataas at kalaunan ay nagagawang unang humadlang sa pagbagsak at pagkatapos ay baligtarin ito.
Sa sandaling huminto ang pagbagsak, ang probe ay umabot sa isang antas na tinatawag na inner horizon ng black hole. Sa puntong ito, maliit ang tidal forces, at ang probe, sa sandaling tumawid na ito sa horizon ng kaganapan, ay tumatagal lamang ng isang tiyak na tagal ng oras upang maabot ito. Gayunpaman, hindi nangangahulugan na ang spacetime ay huminto sa pagbagsak ay tapos na ang ating mga problema at ang pag-ikot ay kahit papaano ay inalis ang singularity sa loob ng Schwarzschild black hole. Malayo pa ito! Pagkatapos ng lahat, noong kalagitnaan ng 1960s, pinatunayan nina Roger Penrose at Stephen Hawking ang isang sistema ng singularity theorems, kung saan sinundan nito na kung mayroong gravitational collapse, kahit na isang maikli, kung gayon ang ilang anyo ng singularity ay dapat mabuo bilang isang resulta. Sa kaso ng Schwarzschild, ito ay isang sumasaklaw sa lahat at nakakasira ng singularidad na sumasakop sa lahat ng espasyo sa loob ng abot-tanaw. Sa solusyon ni Kerr, ang singularity ay kumikilos nang iba at, dapat kong sabihin, medyo hindi inaasahan. Kapag ang probe ay umabot sa panloob na abot-tanaw, ang Kerr singularity ay nagpapakita ng presensya nito-ngunit ito ay lumabas na nasa sanhi ng nakaraan ng probe ng worldline. Parang laging nandoon ang singularidad, ngunit ngayon lang naramdaman ng probe ang impluwensya nito na umaabot dito. Sasabihin mo na ito ay hindi kapani-paniwala, at ito ay totoo. At mayroong ilang mga hindi pagkakapare-pareho sa larawan ng space-time, kung saan malinaw din na ang sagot na ito ay hindi maituturing na pangwakas.
Ang unang problema sa isang singularity na lumilitaw sa nakaraan ng isang tagamasid na umabot sa panloob na abot-tanaw ay na sa sandaling iyon ang mga equation ni Einstein ay hindi natatanging mahulaan kung ano ang mangyayari sa spacetime sa labas ng abot-tanaw na iyon. Iyon ay, sa isang kahulugan, ang pagkakaroon ng isang singularity ay maaaring humantong sa anumang bagay. Marahil kung ano ang aktwal na mangyayari ay maipaliwanag sa atin ng teorya ng quantum gravity, ngunit ang mga equation ni Einstein ay hindi nagbibigay sa atin ng pagkakataong malaman. Dahil lang sa interes, inilalarawan namin sa ibaba kung ano ang mangyayari kung hinihiling namin na ang intersection ng spacetime horizon ay maging kasing ayos ng mathematically possible (kung ang metric function ay, gaya ng sinasabi ng mga mathematician, "analytic"), ngunit walang malinaw na pisikal na batayan para sa naturang pagpapalagay No. Sa esensya, ang pangalawang problema sa panloob na abot-tanaw ay nagmumungkahi ng eksaktong kabaligtaran: sa tunay na Uniberso, kung saan ang bagay at enerhiya ay umiiral sa labas ng mga itim na butas, ang spacetime sa panloob na abot-tanaw ay nagiging napaka-magaspang, at isang loop-like singularity ay bubuo doon. Ito ay hindi kasingsira ng walang katapusang tidal force ng singularity sa Schwarzschild solution, ngunit sa anumang kaso ang presensya nito ay nagdududa sa mga kahihinatnan na sumusunod mula sa ideya ng makinis na analytic function. Marahil ito ay isang magandang bagay - ang pagpapalagay ng analytical expansion ay nangangailangan ng mga kakaibang bagay.
Sa esensya, gumagana ang isang time machine sa rehiyon ng mga saradong timelike curve. Malayo sa singularity, walang mga saradong timelike curve, at bukod sa mga salungat na pwersa sa rehiyon ng singularity, ang spacetime ay mukhang ganap na normal. Gayunpaman, may mga trajectory (hindi geodesic ang mga ito, kaya kailangan mo ng rocket engine) na magdadala sa iyo sa rehiyon ng saradong timelike curves. Kapag nandoon ka na, maaari kang lumipat sa anumang direksyon sa kahabaan ng t coordinate, na ang oras ng malayong tagamasid, ngunit sa iyong sariling oras ay palagi ka pa ring uusad. Nangangahulugan ito na maaari kang pumunta sa anumang oras na gusto mo, at pagkatapos ay bumalik sa isang malayong bahagi ng space-time - at kahit na makarating doon bago ka pumunta. Siyempre, ngayon ang lahat ng mga kabalintunaan na nauugnay sa ideya ng paglalakbay sa oras ay nabubuhay: halimbawa, paano kung, sa pamamagitan ng paglalakad ng oras, nakumbinsi mo ang iyong nakaraang sarili na isuko ito? Ngunit kung ang mga ganitong uri ng espasyo-oras ay maaaring umiral at kung paano malulutas ang mga kabalintunaan na nauugnay dito ay mga tanong na lampas sa saklaw ng aklat na ito. Gayunpaman, tulad ng problema ng "asul na singularidad" sa panloob na abot-tanaw, ang pangkalahatang relativity ay naglalaman ng mga indikasyon na ang mga rehiyon ng espasyo-oras na may saradong timelike curve ay hindi matatag: sa sandaling subukan mong pagsamahin ang ilang uri ng dami ng masa o enerhiya , ang mga rehiyong ito ay maaaring maging isahan. Bukod dito, sa umiikot na mga itim na butas na nabubuo sa ating Uniberso, ang mismong "asul na singularidad" ang maaaring pigilan ang pagbuo ng isang rehiyon ng mga negatibong masa (at lahat ng iba pang uniberso ni Kerr kung saan nangunguna ang mga puting butas). Gayunpaman, ang katotohanan na ang pangkalahatang relativity ay nagbibigay-daan para sa mga kakaibang solusyon ay nakakaintriga. Siyempre, madaling ideklara silang isang patolohiya, ngunit huwag nating kalimutan na si Einstein mismo at marami sa kanyang mga kapanahon ay nagsabi ng parehong bagay tungkol sa mga black hole.
Β» Higit pang mga detalye tungkol sa aklat ay matatagpuan sa
Para sa Khabrozhiteley 25% na diskwento gamit ang kupon - Itim na butas
Sa pagbabayad para sa papel na bersyon ng aklat, isang elektronikong bersyon ng aklat ang ipapadala sa pamamagitan ng e-mail.
Pinagmulan: www.habr.com