Mavzuning murakkabligiga qaramay, Prinston universiteti professori Stiven Gubser bugungi kunda fizikaning eng ko'p muhokama qilinadigan sohalaridan biriga qisqa, tushunarli va qiziqarli kirishni taklif qiladi. Qora tuynuklar shunchaki fikrlash tajribasi emas, balki haqiqiy ob'ektlardir! Qora tuynuklar nazariy nuqtai nazardan juda qulaydir, chunki ular yulduzlar kabi ko'plab astrofizik ob'ektlarga qaraganda matematik jihatdan ancha soddadir. Qora tuynuklar aslida u qadar qora emasligi ma’lum bo‘lganda g‘alati bo‘ladi.
Ularning ichida aslida nima bor? Qora tuynukga tushishni qanday tasavvur qila olasiz? Yoki biz allaqachon unga tushib qolganmiz va bu haqda hali bilmayapmizmi?
Kerr geometriyasida ergosferaga toʻliq yopilgan, quyidagi xususiyatga ega boʻlgan geodezik orbitalar mavjud: ular boʻylab harakatlanuvchi zarralar mutlaq qiymatlari boʻyicha bu zarralarning birgalikda olingan qolgan massalari va kinetik energiyalaridan ustun boʻlgan salbiy potentsial energiyaga ega. Bu shuni anglatadiki, bu zarralarning umumiy energiyasi manfiy. Aynan shu holat Penrose jarayonida qo'llaniladi. Ergosfera ichida energiya oluvchi kema snaryadni shu orbitalardan biri bo'ylab salbiy energiya bilan harakatlanadigan tarzda otadi. Energiyani saqlash qonuniga ko'ra, kema o'qning energiyasiga ekvivalent yo'qolgan dam olish massasini qoplash uchun etarli kinetik energiya oladi va qo'shimcha ravishda o'qning sof salbiy energiyasining ijobiy ekvivalentini oladi. Snaryad otilgandan keyin qora tuynuk ichiga g'oyib bo'lishi kerakligi sababli, uni qandaydir chiqindilardan yasash yaxshi bo'lardi. Bir tomondan, qora tuynuk baribir hamma narsani yeydi, lekin boshqa tomondan, u bizga sarmoya kiritganimizdan ko'ra ko'proq energiya qaytaradi. Shunday qilib, qo'shimcha ravishda, biz sotib olgan energiya "yashil" bo'ladi!
Kerr qora tuynugidan olinishi mumkin bo'lgan maksimal energiya miqdori tuynuk qanchalik tez aylanayotganiga bog'liq. Eng ekstremal holatda (mumkin bo'lgan maksimal aylanish tezligida) fazoviy vaqtning aylanish energiyasi qora tuynukning umumiy energiyasining taxminan 29% ni tashkil qiladi. Bu unchalik ko'p tuyulmasligi mumkin, lekin esda tutingki, bu umumiy dam olish massasining bir qismidir! Taqqoslash uchun shuni esda tutingki, radioaktiv parchalanish energiyasi bilan ishlaydigan yadro reaktorlari dam olish massasiga ekvivalent energiyaning o'ndan bir foizidan kamrog'ini ishlatadi.
Aylanayotgan qora tuynuk gorizontidagi fazo-vaqt geometriyasi Shvartsshild fazo vaqtidan keskin farq qiladi. Keling, tekshiruvimizni kuzatib boramiz va nima bo'lishini ko'ramiz. Avvaliga hamma narsa Shvartsshild ishiga o'xshaydi. Avvalgidek, fazoviy vaqt qulab tusha boshlaydi, u bilan birga hamma narsani qora tuynuk markaziga tortadi va to'lqin kuchlari o'sishni boshlaydi. Ammo Kerr holatida, radius nolga tushishidan oldin, qulash sekinlashadi va orqaga qaytishni boshlaydi. Tez aylanadigan qora tuynukda bu to'lqin kuchlari zondning yaxlitligiga tahdid soladigan darajada kuchli bo'lishidan ancha oldin sodir bo'ladi. Nima uchun bu sodir bo'lishini intuitiv ravishda tushunish uchun, Nyuton mexanikasida aylanish jarayonida markazdan qochma kuch deb ataladigan kuch paydo bo'lishini eslaylik. Bu kuch asosiy jismoniy kuchlardan biri emas: u aylanish holatini ta'minlash uchun zarur bo'lgan asosiy kuchlarning qo'shma harakati natijasida paydo bo'ladi. Natijada tashqariga yo'naltirilgan samarali kuch - markazdan qochma kuch sifatida qarash mumkin. Siz buni tez harakatlanayotgan mashinada keskin burilishda his qilasiz. Agar siz karuselda bo‘lgan bo‘lsangiz, bilasizki, u qanchalik tez aylansa, relslarni shunchalik qattiqroq ushlashingiz kerak, chunki qo‘yib yuborsangiz, uloqtirib yuboriladi. Fazo-vaqt uchun bu o'xshashlik ideal emas, lekin u fikrni to'g'ri tushunadi. Kerr qora tuynugining fazodagi burchak momenti tortishish kuchiga qarshi samarali markazdan qochma kuchni ta'minlaydi. Ufq ichidagi qulash fazoviy vaqtni kichikroq radiuslarga tortganda, markazdan qochma kuch kuchayadi va oxir-oqibat qulashning oldini olishga, keyin esa uni teskarisiga qaytarishga qodir bo'ladi.
Yiqilish to'xtagan paytda, zond qora tuynukning ichki gorizonti deb ataladigan darajaga etadi. Hozirgi vaqtda suv oqimi kuchlari kichikdir va zond hodisa ufqini kesib o'tgandan so'ng, unga erishish uchun faqat cheklangan vaqt kerak bo'ladi. Biroq, fazoviy vaqtning qulashi to'xtagani, bizning muammolarimiz tugaydi va aylanish qandaydir tarzda Shvartsshild qora tuynugidagi o'ziga xoslikni yo'q qildi degani emas. Bu hali uzoq yo'l! Axir, 1960-yillarning o'rtalarida Rojer Penrouz va Stiven Xoking singulyarlik teoremalari tizimini isbotladilar, shundan kelib chiqadiki, agar tortishish qulashi bo'lsa, hatto qisqa bo'lsa ham, natijada singulyarlikning qandaydir shakli paydo bo'lishi kerak. Shvartsshild misolida bu ufqdagi barcha makonni o'ziga bo'ysundiruvchi hamma narsani qamrab oluvchi va ezuvchi o'ziga xoslikdir. Kerrning yechimida yakkalik o'zini boshqacha tutadi va aytishim kerakki, juda kutilmagan. Zond ichki ufqqa yetganda, Kerrning yagonaligi uning mavjudligini ochib beradi, ammo u zond dunyo chizig'ining sababiy o'tmishida bo'lib chiqadi. Go'yo o'ziga xoslik doimo mavjud bo'lgandek edi, lekin zond o'z ta'sirini endigina his qildi. Siz bu hayoliy tuyuladi, deb ayta olasiz va bu haqiqat. Va fazo-vaqt rasmida bir nechta nomuvofiqliklar mavjud bo'lib, ulardan bu javobni yakuniy deb hisoblash mumkin emasligi ham aniq.
Ichki ufqqa etib borgan kuzatuvchining o'tmishida paydo bo'ladigan yagonalik bilan bog'liq birinchi muammo shundaki, o'sha paytda Eynshteyn tenglamalari bu ufqdan tashqarida fazo-vaqt bilan nima sodir bo'lishini yagona bashorat qila olmaydi. Ya'ni, ma'lum ma'noda, o'ziga xoslikning mavjudligi har qanday narsaga olib kelishi mumkin. Ehtimol, aslida nima sodir bo'lishini kvant tortishish nazariyasi bizga tushuntirishi mumkin, ammo Eynshteyn tenglamalari bizga bilish imkoniyatini bermaydi. Qiziq, biz quyida fazo-vaqt gorizontining kesishishi matematik jihatdan iloji boricha silliq bo'lishini talab qilsak nima sodir bo'lishini tasvirlab beramiz (agar metrik funktsiyalar, matematiklar aytganidek, "analitik" bo'lsa), lekin aniq jismoniy asos yo'q. bunday taxmin uchun №. Mohiyatan, ichki ufq bilan bog'liq ikkinchi muammo buning aksini ko'rsatadi: materiya va energiya qora tuynuklardan tashqarida mavjud bo'lgan haqiqiy Koinotda ichki ufqdagi fazo vaqti juda qo'pol bo'lib, u erda halqaga o'xshash yagonalik paydo bo'ladi. Bu Shvartsshild yechimidagi singularlikning cheksiz to'lqin kuchi kabi halokatli emas, lekin har qanday holatda ham uning mavjudligi silliq analitik funktsiyalar g'oyasidan kelib chiqadigan oqibatlarga shubha tug'diradi. Ehtimol, bu yaxshi narsa - analitik kengayish haqidagi taxmin juda g'alati narsalarni o'z ichiga oladi.
Aslini olganda, vaqt mashinasi yopiq vaqt egri chizig'i hududida ishlaydi. Yagonalikdan uzoqda, yopiq vaqt egri chiziqlari yo'q va yagonalik hududidagi itaruvchi kuchlardan tashqari, fazo-vaqt mutlaqo normal ko'rinadi. Biroq, sizni yopiq vaqt egri chizig'iga olib boradigan traektoriyalar mavjud (ular geodezik emas, shuning uchun sizga raketa dvigateli kerak). U erda bo'lganingizdan so'ng, siz t koordinatasi bo'ylab istalgan yo'nalishda harakat qilishingiz mumkin, bu uzoq kuzatuvchining vaqtidir, lekin o'z vaqtingizda siz doimo oldinga siljiysiz. Bu shuni anglatadiki, siz xohlagan vaqtga borishingiz va keyin fazo-vaqtning uzoq qismiga qaytishingiz va hatto u erga borishdan oldin ham kelishingiz mumkin. Albatta, endi vaqt sayohati g'oyasi bilan bog'liq barcha paradokslar hayotga kirmoqda: masalan, vaqtni sayr qilib, o'zingizning o'tmishingizni undan voz kechishga ishontirsangiz nima bo'ladi? Ammo fazo-vaqtning bunday turlari mavjud bo'lishi mumkinmi va u bilan bog'liq paradokslarni qanday hal qilish mumkinligi - bu kitobning doirasidan tashqaridagi savollar. Biroq, xuddi ichki ufqdagi "ko'k yagonalik" muammosida bo'lgani kabi, umumiy nisbiylik fazo-vaqtning yopiq vaqt egri chiziqlari bilan beqaror ekanligini ko'rsatadi: siz qandaydir massa yoki energiya miqdorini birlashtirishga harakat qilsangiz, darhol. , bu hududlar yagona bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, bizning koinotimizda hosil bo'ladigan aylanadigan qora tuynuklarda, salbiy massalar mintaqasining (va oq tuynuklar olib boradigan Kerrning boshqa barcha koinotlari) shakllanishiga to'sqinlik qiladigan "ko'k yagonalik" ning o'zi. Shunga qaramay, umumiy nisbiylik nazariyasi bunday g'alati echimlarga imkon berishi qiziq. Albatta, ularni patologiya deb e'lon qilish oson, lekin Eynshteynning o'zi va uning ko'plab zamondoshlari qora tuynuklar haqida bir xil narsani aytishganini unutmaylik.
» Kitob haqida batafsil ma’lumotni quyidagi manzildan olishingiz mumkin
Xabrozhiteley uchun kupondan foydalangan holda 25% chegirma - Qora tuynuklar
Kitobning qog'oz versiyasi uchun to'lov amalga oshirilgandan so'ng, kitobning elektron versiyasi elektron pochta orqali yuboriladi.
Manba: www.habr.com