Bất chấp sự phức tạp của chủ đề, giáo sư Stephen Gubser của Đại học Princeton vẫn đưa ra phần giới thiệu ngắn gọn, dễ tiếp cận và thú vị về một trong những lĩnh vực vật lý gây tranh cãi nhất hiện nay. Lỗ đen là vật thể có thật, không chỉ là một thí nghiệm tưởng tượng! Các lỗ đen cực kỳ thuận tiện xét theo quan điểm lý thuyết, vì về mặt toán học, chúng đơn giản hơn nhiều so với hầu hết các vật thể thiên văn, chẳng hạn như các ngôi sao. Mọi thứ trở nên kỳ lạ khi hóa ra lỗ đen thực sự không đen đến thế.
Điều gì thực sự bên trong họ? Làm thế nào bạn có thể tưởng tượng mình rơi vào một lỗ đen? Hoặc có thể chúng ta đã rơi vào đó và chưa biết về nó?
Trong hình học Kerr, có các quỹ đạo trắc địa, được bao bọc hoàn toàn trong quyển công thái học, với đặc tính sau: các hạt chuyển động dọc theo chúng có thế năng âm lớn hơn về giá trị tuyệt đối khối lượng còn lại và động năng của các hạt này gộp lại. Điều này có nghĩa là tổng năng lượng của các hạt này là âm. Chính tình huống này đã được sử dụng trong quy trình Penrose. Khi ở bên trong tầng công thái học, con tàu khai thác năng lượng sẽ bắn một viên đạn theo cách nó di chuyển dọc theo một trong những quỹ đạo này với năng lượng âm. Theo định luật bảo toàn năng lượng, con tàu nhận đủ động năng để bù cho phần khối lượng nghỉ bị mất tương đương với năng lượng của đạn, ngoài ra còn thu được phần dương tương đương với năng lượng âm ròng của đạn. Vì đạn sẽ biến mất vào lỗ đen sau khi được bắn ra, nên sẽ rất tốt nếu chế tạo nó từ một loại rác thải nào đó. Một mặt, lỗ đen vẫn sẽ ăn bất cứ thứ gì nhưng mặt khác, nó sẽ trả lại cho chúng ta nhiều năng lượng hơn mức chúng ta đã đầu tư. Vì vậy, ngoài ra, năng lượng chúng ta mua sẽ “xanh”!
Lượng năng lượng tối đa có thể lấy được từ lỗ đen Kerr phụ thuộc vào tốc độ quay của lỗ đen. Trong trường hợp cực đoan nhất (ở tốc độ quay tối đa có thể), năng lượng quay của không thời gian chiếm khoảng 29% tổng năng lượng của lỗ đen. Con số này có vẻ không nhiều, nhưng hãy nhớ rằng nó chỉ là một phần nhỏ của tổng khối lượng nghỉ! Để so sánh, hãy nhớ rằng các lò phản ứng hạt nhân chạy bằng năng lượng phân rã phóng xạ sử dụng ít hơn XNUMX/XNUMX của XNUMX% năng lượng tương đương với khối lượng nghỉ.
Hình dạng của không thời gian bên trong chân trời của một lỗ đen đang quay khác biệt đáng kể so với không thời gian Schwarzschild. Hãy theo dõi cuộc thăm dò của chúng tôi và xem điều gì sẽ xảy ra. Lúc đầu, mọi thứ trông giống như trường hợp Schwarzschild. Như trước đây, không thời gian bắt đầu sụp đổ, kéo theo mọi thứ theo nó về phía trung tâm của lỗ đen, và lực thủy triều bắt đầu tăng lên. Nhưng trong trường hợp Kerr, trước khi bán kính về XNUMX, sự co lại chậm lại và bắt đầu đảo ngược. Trong một lỗ đen quay nhanh, điều này sẽ xảy ra rất lâu trước khi lực thủy triều trở nên đủ mạnh để đe dọa tính toàn vẹn của tàu thăm dò. Để hiểu bằng trực giác tại sao điều này xảy ra, chúng ta hãy nhớ rằng trong cơ học Newton, trong quá trình quay, một lực gọi là lực ly tâm sẽ xuất hiện. Lực này không phải là một trong những lực vật lý cơ bản: nó phát sinh do tác động tổng hợp của các lực cơ bản, cần thiết để đảm bảo trạng thái quay. Kết quả có thể được coi là một lực hữu hiệu hướng ra ngoài—lực ly tâm. Bạn cảm nhận được điều đó khi đang ở một khúc cua gấp trong một chiếc ô tô đang di chuyển nhanh. Và nếu bạn đã từng đi trên đu quay thì bạn cũng biết rằng nó quay càng nhanh thì bạn càng phải bám chặt vào ray vì nếu buông tay ra, bạn sẽ bị văng ra ngoài. Sự tương tự với không-thời gian này không phải là lý tưởng, nhưng nó diễn đạt một cách chính xác. Động lượng góc trong không thời gian của lỗ đen Kerr cung cấp một lực ly tâm hiệu quả để chống lại lực hấp dẫn. Khi sự sụp đổ bên trong đường chân trời kéo không thời gian về bán kính nhỏ hơn, lực ly tâm tăng lên và cuối cùng trước tiên có thể chống lại sự sụp đổ và sau đó đảo ngược nó.
Vào thời điểm quá trình co lại dừng lại, tàu thăm dò đạt đến một mức gọi là chân trời bên trong của lỗ đen. Tại thời điểm này, lực thủy triều rất nhỏ và tàu thăm dò, một khi đã vượt qua chân trời sự kiện, chỉ mất một khoảng thời gian hữu hạn để đến được nó. Tuy nhiên, chỉ vì không thời gian ngừng co lại không có nghĩa là các vấn đề của chúng ta đã kết thúc và sự quay bằng cách nào đó đã loại bỏ điểm kỳ dị bên trong lỗ đen Schwarzschild. Đây vẫn còn là một chặng đường dài! Rốt cuộc, vào giữa những năm 1960, Roger Penrose và Stephen Hawking đã chứng minh một hệ thống các định lý kỳ dị, từ đó suy ra rằng nếu có một sự suy sụp hấp dẫn, dù chỉ là một sự suy sụp ngắn, thì kết quả là một dạng kỳ dị nào đó sẽ hình thành. Trong trường hợp Schwarzschild, đây là một điểm kỳ dị bao trùm và nghiền nát tất cả, nó chinh phục mọi không gian bên trong đường chân trời. Trong lời giải của Kerr, điểm kỳ dị hành xử khác đi và tôi phải nói là khá bất ngờ. Khi tàu thăm dò chạm tới chân trời bên trong, điểm kỳ dị Kerr bộc lộ sự hiện diện của nó – nhưng hóa ra nó lại nằm trong quá khứ nhân quả của đường thế giới của tàu thăm dò. Cứ như thể điểm kỳ dị đã luôn ở đó, nhưng chỉ đến bây giờ tàu thăm dò mới cảm nhận được ảnh hưởng của nó chạm đến nó. Bạn sẽ nói rằng điều này nghe có vẻ tuyệt vời và đó là sự thật. Và có một số điểm mâu thuẫn trong bức tranh không-thời gian, từ đó cũng thấy rõ rằng câu trả lời này không thể được coi là cuối cùng.
Vấn đề đầu tiên với một điểm kỳ dị xuất hiện trong quá khứ của một người quan sát đến chân trời bên trong là tại thời điểm đó các phương trình của Einstein không thể dự đoán duy nhất điều gì sẽ xảy ra với không thời gian bên ngoài chân trời đó. Nghĩa là, theo một nghĩa nào đó, sự hiện diện của một điểm kỳ dị có thể dẫn đến bất cứ điều gì. Có lẽ những gì thực sự sẽ xảy ra có thể được giải thích cho chúng ta bằng lý thuyết hấp dẫn lượng tử, nhưng các phương trình của Einstein không cho chúng ta cơ hội biết được. Vì hứng thú nên chúng tôi mô tả bên dưới điều gì sẽ xảy ra nếu chúng tôi yêu cầu giao điểm của chân trời không thời gian phải trơn tru nhất có thể về mặt toán học (nếu các hàm số liệu, như các nhà toán học nói, là "phân tích"), nhưng không có cơ sở vật lý rõ ràng cho một giả định như vậy Không. Về bản chất, vấn đề thứ hai với chân trời bên trong gợi ý hoàn toàn ngược lại: trong Vũ trụ thực, trong đó vật chất và năng lượng tồn tại bên ngoài lỗ đen, không thời gian ở chân trời bên trong trở nên rất gồ ghề, và một điểm kỳ dị dạng vòng lặp phát triển ở đó. Nó không có sức tàn phá như lực thủy triều vô hạn của điểm kỳ dị trong nghiệm Schwarzschild, nhưng trong mọi trường hợp, sự hiện diện của nó gây ra nghi ngờ về những hệ quả xuất phát từ ý tưởng về các hàm phân tích trơn tru. Có lẽ đây là một điều tốt - giả định về khai triển giải tích kéo theo những điều rất kỳ lạ.
Về bản chất, cỗ máy thời gian hoạt động trong vùng có các đường cong kiểu thời gian khép kín. Ở xa điểm kỳ dị, không có đường cong khép kín kiểu thời gian, và ngoài lực đẩy trong vùng của điểm kỳ dị, không thời gian trông hoàn toàn bình thường. Tuy nhiên, có những quỹ đạo (chúng không phải là quỹ đạo trắc địa nên bạn cần có động cơ tên lửa) sẽ đưa bạn đến vùng có các đường cong kiểu thời gian khép kín. Khi bạn ở đó, bạn có thể di chuyển theo bất kỳ hướng nào dọc theo tọa độ t, đó là thời gian của người quan sát ở xa, nhưng trong thời gian của chính bạn, bạn vẫn sẽ luôn tiến về phía trước. Điều này có nghĩa là bạn có thể đi đến bất kỳ thời điểm nào bạn muốn, rồi quay trở lại một phần không-thời gian xa xôi - và thậm chí đến đó trước khi bạn đi. Tất nhiên, bây giờ tất cả những nghịch lý liên quan đến ý tưởng du hành thời gian đều trở nên sống động: ví dụ, điều gì sẽ xảy ra nếu bằng cách đi dạo trong thời gian, bạn đã thuyết phục được quá khứ của mình từ bỏ nó? Nhưng liệu những loại không-thời gian như vậy có thể tồn tại hay không và làm thế nào những nghịch lý liên quan đến nó có thể được giải quyết hay không lại là những câu hỏi nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này. Tuy nhiên, cũng giống như vấn đề “điểm kỳ dị màu xanh” ở chân trời bên trong, thuyết tương đối rộng chứa đựng những dấu hiệu cho thấy các vùng không-thời gian với các đường cong khép kín giống như thời gian là không ổn định: ngay khi bạn cố gắng kết hợp một loại khối lượng hoặc năng lượng nào đó. , các vùng này có thể trở thành số ít. Hơn nữa, trong các lỗ đen quay hình thành trong Vũ trụ của chúng ta, chính “điểm kỳ dị màu xanh” có thể ngăn chặn sự hình thành của một vùng có khối lượng âm (và tất cả các vũ trụ khác của Kerr mà lỗ trắng dẫn vào). Tuy nhiên, thực tế là thuyết tương đối rộng cho phép những giải pháp kỳ lạ như vậy thật hấp dẫn. Tất nhiên, thật dễ dàng để tuyên bố chúng là một bệnh lý, nhưng đừng quên rằng chính Einstein và nhiều người cùng thời với ông cũng nói điều tương tự về lỗ đen.
» Thông tin chi tiết về cuốn sách có thể tìm thấy tại
Đối với Khabrozhiteley giảm giá 25% khi sử dụng phiếu giảm giá - Lỗ đen
Sau khi thanh toán cho phiên bản giấy của cuốn sách, phiên bản điện tử của cuốn sách sẽ được gửi qua e-mail.
Nguồn: www.habr.com