Konunun karmaşıklığına rağmen Princeton Üniversitesi profesörü Stephen Gubser, günümüzde fiziğin en çok tartışılan alanlarından birine kısa, anlaşılır ve eğlenceli bir giriş sunuyor. Kara delikler yalnızca bir düşünce deneyi değil, gerçek nesnelerdir! Kara delikler teorik açıdan son derece uygundur çünkü yıldızlar gibi astrofiziksel nesnelerin çoğundan matematiksel olarak çok daha basittirler. Kara deliklerin aslında o kadar da kara olmadığı ortaya çıkınca işler tuhaflaşıyor.
Gerçekten içlerinde ne var? Bir kara deliğe düşmeyi nasıl hayal edersiniz? Ya da belki de zaten bu işin içine düşüyoruz ve henüz bunu bilmiyoruz?
Kerr geometrisinde, tamamen ergosferle çevrelenmiş, aşağıdaki özelliğe sahip jeodezik yörüngeler vardır: bunlar boyunca hareket eden parçacıklar, bu parçacıkların geri kalan kütleleri ve kinetik enerjilerinin toplamından mutlak değer olarak daha ağır basan negatif potansiyel enerjilere sahiptir. Bu, bu parçacıkların toplam enerjisinin negatif olduğu anlamına gelir. Penrose sürecinde kullanılan da bu durumdur. Enerji çeken gemi, ergosferin içindeyken, bu yörüngelerden biri boyunca negatif enerjiyle hareket edecek şekilde bir mermi ateşler. Enerjinin korunumu yasasına göre gemi, merminin enerjisine eşdeğer kayıp dinlenme kütlesini telafi etmek için yeterli kinetik enerji kazanır ve buna ek olarak merminin net negatif enerjisinin pozitif eşdeğerini de kazanır. Merminin ateşlendikten sonra bir kara deliğin içinde kaybolması gerektiğinden, bunu bir tür atıktan yapmak iyi olur. Bir yandan kara delik yine de her şeyi yiyecektir, ancak diğer yandan bize yatırdığımızdan daha fazla enerji döndürecektir. Yani ayrıca satın aldığımız enerji de “yeşil” olacak!
Bir Kerr kara deliğinden elde edilebilecek maksimum enerji miktarı, deliğin ne kadar hızlı döndüğüne bağlıdır. En uç durumda (mümkün olan maksimum dönüş hızında), uzay-zamanın dönme enerjisi, kara deliğin toplam enerjisinin yaklaşık %29'unu oluşturur. Bu çok fazla görünmeyebilir, ancak bunun toplam dinlenme kütlesinin bir kısmı olduğunu unutmayın! Karşılaştırma için, radyoaktif bozunma enerjisiyle çalışan nükleer reaktörlerin, kalan kütleye eşdeğer enerjinin yüzde birinin onda birinden daha azını kullandığını unutmayın.
Dönen bir kara deliğin ufku içindeki uzay-zamanın geometrisi, Schwarzschild uzay-zamanından önemli ölçüde farklıdır. Sondamızı takip edelim ve ne olacağını görelim. İlk bakışta her şey Schwarzschild vakasına benziyor. Daha önce olduğu gibi, uzay-zaman çökmeye başlar, her şeyi kendisiyle birlikte kara deliğin merkezine doğru sürükler ve gelgit kuvvetleri artmaya başlar. Ancak Kerr durumunda yarıçap sıfıra ulaşmadan önce çöküş yavaşlar ve tersine dönmeye başlar. Hızla dönen bir kara delikte bu, gelgit kuvvetlerinin sondanın bütünlüğünü tehdit edecek kadar güçlü hale gelmesinden çok önce gerçekleşecektir. Bunun neden olduğunu sezgisel olarak anlamak için, Newton mekaniğinde dönme sırasında merkezkaç kuvveti denilen bir kuvvetin ortaya çıktığını hatırlayalım. Bu kuvvet, temel fiziksel kuvvetlerden biri değildir: dönme durumunu sağlamak için gerekli olan temel kuvvetlerin birleşik eyleminin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Sonuç, dışarıya doğru yönlendirilen etkili bir kuvvet, yani merkezkaç kuvveti olarak düşünülebilir. Hızlı giden bir arabada keskin bir dönüş yaptığınızda bunu hissedersiniz. Ve eğer bir atlıkarıncaya bindiyseniz, bilirsiniz ki atlıkarınca ne kadar hızlı dönerse, rayları o kadar sıkı tutmanız gerekir çünkü bırakırsanız dışarı atılırsınız. Uzay-zamana ilişkin bu benzetme ideal değildir ancak konuyu doğru bir şekilde ifade etmektedir. Bir Kerr kara deliğinin uzay-zamanındaki açısal momentum, yerçekimi kuvvetine karşı koyan etkili bir merkezkaç kuvveti sağlar. Ufuktaki çöküş uzay-zamanı daha küçük yarıçaplara çektikçe, merkezkaç kuvveti artar ve sonunda önce çöküşe karşı koyabilir, sonra onu tersine çevirebilir hale gelir.
Çökmenin durduğu anda sonda, kara deliğin iç ufku adı verilen bir seviyeye ulaşır. Bu noktada gelgit kuvvetleri küçüktür ve olay ufkunu geçtikten sonra sondanın ona ulaşması yalnızca sınırlı bir zaman alır. Ancak uzay-zamanın çökmesinin durması sorunlarımızın bittiği ve rotasyonun Schwarzschild kara deliği içindeki tekilliği bir şekilde ortadan kaldırdığı anlamına gelmiyor. Bu henüz çok uzakta! Ne de olsa, 1960'ların ortalarında, Roger Penrose ve Stephen Hawking bir tekillik teoremleri sistemi kanıtladılar; buradan yola çıkarak, eğer kısa da olsa bir kütleçekimsel çöküş varsa, bunun sonucunda bir tür tekillik oluşmalıdır. Schwarzschild vakasında bu, ufuktaki tüm uzaya boyun eğdiren, her şeyi kapsayan ve her şeyi ezen bir tekilliktir. Kerr'in çözümünde tekillik farklı davranıyor ve söylemeliyim ki, oldukça beklenmedik bir şekilde. Sonda iç ufka ulaştığında Kerr tekilliği varlığını açığa çıkarır; ancak sondanın dünya çizgisinin nedensel geçmişinde olduğu ortaya çıkar. Sanki tekillik her zaman oradaydı ama sonda onun etkisinin kendisine ulaştığını ancak şimdi hissediyordu. Bunun kulağa harika geldiğini ve doğru olduğunu söyleyeceksiniz. Ve uzay-zaman tablosunda, bu cevabın nihai olarak kabul edilemeyeceği de açık olan birçok tutarsızlık var.
İç ufka ulaşan bir gözlemcinin geçmişinde ortaya çıkan tekillikle ilgili ilk sorun, o anda Einstein'ın denklemlerinin o ufkun dışındaki uzay-zamana ne olacağını benzersiz bir şekilde tahmin edememesidir. Yani bir anlamda tekilliğin varlığı her şeye yol açabilir. Belki gerçekte ne olacağı bize kuantum yerçekimi teorisiyle açıklanabilir, ancak Einstein'ın denklemleri bize bunu bilme şansı vermiyor. İlgi çekici olması açısından, uzay-zaman ufkunun kesişiminin matematiksel olarak mümkün olduğu kadar düzgün olmasını istersek (matematikçilerin dediği gibi metrik fonksiyonlar "analitik" olsaydı) ne olacağını aşağıda açıklayacağız, ancak bunun açık bir fiziksel temeli yoktur. böyle bir varsayım için Hayır. Esasen, iç ufukla ilgili ikinci sorun tam tersini öne sürüyor: Madde ve enerjinin kara deliklerin dışında var olduğu gerçek Evrende, iç ufuktaki uzay-zaman çok pürüzlü hale geliyor ve orada döngü benzeri bir tekillik gelişiyor. Schwarzschild çözümündeki tekilliğin sonsuz gelgit kuvveti kadar yıkıcı değildir, ancak her halükarda varlığı, düzgün analitik fonksiyonlar fikrinden kaynaklanan sonuçlar konusunda şüphe uyandırır. Belki de bu iyidir; analitik genişleme varsayımı çok tuhaf şeyler gerektirir.
Aslında bir zaman makinesi kapalı zamana benzer eğrilerin bulunduğu bölgede çalışır. Tekillikten uzak, kapalı zamansal eğriler yoktur ve tekillik bölgesindeki itici kuvvetler dışında uzay-zaman tamamen normal görünür. Ancak sizi kapalı zamansal eğrilerin olduğu bölgeye götürecek yörüngeler vardır (bunlar jeodezik değildir, dolayısıyla bir roket motoruna ihtiyacınız vardır). Oraya vardığınızda, uzaktaki gözlemcinin zamanı olan t koordinatı boyunca herhangi bir yöne hareket edebilirsiniz, ancak kendi zamanınızda yine de daima ileriye doğru hareket edeceksiniz. Bu, istediğiniz herhangi bir zamana gidebileceğiniz, ardından uzay-zamanın uzak bir kısmına dönebileceğiniz ve hatta oraya gitmeden önce varabileceğiniz anlamına gelir. Elbette, zaman yolculuğu fikriyle ilgili tüm paradokslar şimdi hayata geçiyor: örneğin, zamanda yürüyüş yaparak geçmiş benliğinizi bundan vazgeçmeye ikna etseniz ne olur? Ancak bu tür uzay-zamanın var olup olamayacağı ve bununla ilgili paradoksların nasıl çözülebileceği bu kitabın kapsamı dışında kalan sorulardır. Bununla birlikte, tıpkı iç ufuktaki "mavi tekillik" probleminde olduğu gibi, genel görelilik, kapalı zaman benzeri eğrilere sahip uzay-zaman bölgelerinin kararsız olduğuna dair belirtiler içerir: bir tür kütle veya enerji miktarını birleştirmeye çalıştığınız anda. , bu bölgeler tekil hale gelebilir. Üstelik Evrenimizde oluşan dönen kara deliklerde, negatif kütlelerden oluşan bir bölgenin (ve beyaz deliklerin yol açtığı tüm Kerr evrenlerinin) oluşumunu engelleyebilen şey "mavi tekilliğin" kendisidir. Yine de genel göreliliğin bu tür garip çözümlere izin vermesi merak uyandırıcıdır. Elbette bunları patoloji ilan etmek kolay ama unutmayalım ki bizzat Einstein ve birçok çağdaşı kara delikler hakkında aynı şeyi söylemişti.
» Kitapla ilgili daha detaylı bilgiye şu adresten ulaşabilirsiniz:
Khabrozhiteley için kupon kullanarak %25 indirim - Kara delikler
Kitabın basılı versiyonu için ödeme yapıldıktan sonra kitabın elektronik versiyonu e-posta ile gönderilecektir.
Kaynak: habr.com