Jak se časoprostor chová vedle hvězdy
Abyste pochopili, co je černá díra, potřebujete
Příkladem homogenního prostoru je vakuum: prázdnota, ve které nejsou žádné částice.Světlo v něm se podle Fermatova principu musí pohybovatpo nejkratší cestě. Pokud se světlo pohybuje v plochém prostoru, tedy ve dvourozměrném a nezakřiveném prostoru, bude nejkratší cestou přímka. Ukazuje se ale, že v přítomnosti gravitujících objektů se světlo nepohybuje přímočaře: paprsky světla jsou ohnuté. Je to dáno tím, že gravitující tělesa ohýbají časoprostor.
V newtonovské mechanice se vzdálenost v prostoru měří samostatně a čas se měří samostatně.Proč to potřebujeme?Například určit dráhu letu částice, jádra, rakety nebo letadla. Speciální teorie relativity tvrdí, že neexistuje samostatný způsob měření vzdálenosti a času, ale existuje jediný způsob měření vzdáleností v časoprostoru. Když mluvíme o časoprostorovém kontinuu, mluvíme o čtyřrozměrném prostoru: tři souřadnice plus časová souřadnice. Ale není příliš jasné, jak nakreslit čtyřrozměrný časoprostor na dvourozměrném povrchu. Víme, že polohu v prostoru lze určit třemi souřadnicemi: x, y, z jsou kartézské souřadnice. Na druhou stranu můžeme přesně určit polohu bodu v prostoru pomocí sférických souřadnic. Lze tedy použít pouze souřadnice r a časovou souřadnici. Výsledkem je polorovina, protože r je vždy větší než 0 a čas může být od mínus do plus nekonečna. Bod v tomto prostoru je tato koule. Například v čase t0, pokud uvažuji bod r0 na této polorovině, pak je to prostě nějaká koule o poloměru r0, zaujatá v čase t0.
Existuje koule o poloměru r0,a z jakéhokoli bodu této koule jsou vyzařovány paprsky světla, které procházejí dovnitř a ven.To znamená, že se získá vlnová fronta světla, která jde dovnitř - smršťující se koule a ven - rozšiřující se sféru. Představte si ale, že v daném okamžiku je prostor rozvrstvený
jako cibule.V čase t0 je odebrána koule o poloměru r0, z jejíhož povrchu vycházejí paprsky. Ty, které jdou dovnitř, tvoří přední část s poloměrem r0 - Δr, a ty, které jdou ven, tvoří frontu s poloměrem r0 + Δr. Sklon těchto čar vůči svislé ose je 45 stupňů, protože rychlost šíření se rovná rychlosti světla.
Pokud máme co do činění s částicemi, takse nerozšíří rychlostí světla, potom se nemůže pohybovat rychlostí větší než je rychlost světla, a podle toho se může v tomto úhlu pohybovat jakýmkoli směrem.
.Pokud nakreslíme imaginární paprsky světla pomocí našeho diagramu, získáme imaginární mřížku.Tento obrázek jasně ukazuje, proč jsem zvolil paprskySveta. Představte si, že bych místo světla vybral nějaké jiné částice, které mají hmotnost, pak by se v souřadnicové síti objevila nejednoznačnost: částice se mohou pohybovat libovolnou rychlostí. Jaké jsou výhody světla? Protože existuje nejednoznačná volba ve směru: buď ven nebo dovnitř, a poté je mřížka jednoznačně pevná.
Jak mění přítomnost hvězdy záření?Představme si, že existuje hvězda spoloměr těla rbody. To znamená, že vyplňuje všechny poloměry až po tělo, protože uvnitř je nějaká látka. V daném časovém okamžiku – například t = 0 – vypadá hvězda jednoduše jako segment. Pokud zvážíte všechny body v čase, dostanete proužek. Nyní si představme, co se stane s paprsky světla v přítomnosti gravitujícího tělesa. Paprsky světla jsou vykresleny červeně, jak by vypadaly bez hvězdy. A fialové - paprsky světla v přítomnosti gravitujícího těla. Z obecných úvah lze vyvodit několik závěrů: gravitující těleso zkresluje světelné paprsky a ty paprsky, které jsou blíže hvězdě, jsou zkresleny silněji než ty, které jsou dále. Proto, daleko od hvězdy, se fialové paprsky prakticky neliší od červených.
Představte si, že se hmota těla začne měnit a poloměr bude pevný.Hmota poroste a čím je větší, tím silnějšítělo ovlivní paprsky. V určitém okamžiku se hmotnost zvýší natolik, že dojde k následujícímu jevu. V určitém okamžiku bude nějaký roh na jeho zadku, to znamená jednoduše svislý. Bod vyzařování fialových paprsků jsem vzal ne na poloměru horizontu, ale mírně uvnitř, takže paprsek nejde svisle, ale je zkreslený.
V současné době neexistují žádné limity pro nárůst hmotnosti černé díry. Alespoň to nevíme.Možná jde o to, že jakýkolipřírodovědná teorie má limity použitelnosti, což znamená, že zejména teorie relativity někde uvnitř černé díry ztrácí svou použitelnost. Obecná teorie relativity ztrácí svou použitelnost velmi blízko oblasti, kde je soustředěna téměř veškerá hmota černé díry. Ale v jakém poloměru se to děje a co nahrazuje obecnou teorii relativity, není známo. Nelze také vyloučit, že pokud se hmotnost černé díry velmi zvýší, něco se změní.
První otázka, která by měla vyvstat: kam se hvězda dostala?Vzhledem k tomu, trajektorie jakékoli částice s hmotností můžebýt pouze uvnitř tohoto rohu, pohybuje se takto (červená barva - “High-Tech”) a zasáhne střed. Pokud částice o hmotnosti nevyhnutelně zasáhne střed z jakéhokoli bodu, pak bude celá hmota, celé tělo hvězdy, stlačeno do středu.
Problém je v tom, že souřadnice r a ct jsou použitelné pouze v určité oblasti a mimo ni již nejsou použitelné.Představte si, co máte na povrchu Zeměexistují meridiány a paralely a s jejich pomocí můžete najít polohu libovolného objektu. Ale na povrchu je jeskyně, která jde hlouběji a úkolem je určit polohu mouchy v této jeskyni. Zeměpisná délka a šířka již k tomu nejsou vhodné, nyní musíte zadat novou souřadnicovou mřížku. Existuje nějaká substituce: nakreslil jsem obrázek pomocí r a t, abych ukázal tento jev, ale je důležité, že již neexistují souřadnice r at, ale existují i další souřadnice, které popisují chování uvnitř černé díry. To znamená, že čas není směrován svisle, nýbrž plyne směrem k ose, což ukazují tyto rohy.
Chcete-li získat souřadnicovou mřížku pro časoprostor černé díry, můžete pořídit statický obrázek a opakovat jeden po druhém a „lepit“ jeden na druhého.Vycházející paprsky jsou vykresleny fialově ačervená - ti, kteří vstupují dovnitř. Vertikální paprsek je také paprsek světla, horizont. Tyto fialové čáry jsou rozděleny do dvou skupin. Ty, které jsou nasměrovány ven, jdou do nekonečna a ty, které jsou nasměrovány dovnitř a jdou do r rovné 0. Tento jev je černá díra.
Co se stane s objektem, když spadne do černé díry
Představte si, že objekt visí nad černou dírou a jeho hodiny tikají, nebo objekt letěl do černé díry a vrátil se, a jeho hodiny také tikaly.Podle hodin poznám, kolik času uplynulokaždý z těchto objektů. Jen spočítám délku čáry, kterou nakreslil na tomto diagramu, a vydělím rychlostí světla. Ten, co visel, se v jednu chvíli hýbe, jindy zase běží létající. Například pro jednoho to může trvat několik hodin, zatímco pro jiného to může trvat roky. Jako ve filmu Interstellar. Podobný jev vidíme na Zemi, ale časoprostor tolik neohýbá. To je patrné u globálních polohovacích systémů: hodiny na satelitech, které se účastní globálního polohového systému, ukazují jiný čas. Pokud přiletím na satelit a vrátím se, hodinky zobrazí jiný čas než satelit. Tento jev je zohledněn, aby GPS fungovala.
Podle hodinek pozorovatele, který visí nad černou dírou, uplyne nekonečně dlouhá doba, zatímco pozoruje předmět padající do černé díry.Objekt, který spadne do černé díry nikdypřekračuje horizont událostí. Je stále blíž a blíž, jako Achilles za želvou, ale může na ni dosáhnout. Podle hodin objektu uplyne omezené množství času. Jak to určit? Změřte délku světové čáry mezi stejnými rovnoběžkami a poledníky. Čím delší je tento segment, tím je zakřivenější. Objekt letí, na jeho hodinách tikají časové intervaly - na grafu jsou to rovnoběžky, které jsou podél světové čáry rozmístěny ve stejných časových intervalech Δt. Ale tam, kde je pozorovatel, časový interval roste, a jak se člověk blíží k horizontu událostí, časový interval roste bez omezení. V okamžiku, kdy objekt překročí horizont událostí černé díry, pomyslný paprsek světla putuje vertikálně podél horizontu a nikdy tuto linii nepřekročí. Pozorovatel tedy nikdy neuvidí okamžik protnutí a z pohledu padajícího předmětu uplyne konečný počet časových intervalů. Tento fenomén vypadá mysticky, ale když říkají, že čas plyne různými způsoby. To není úplně správné. Čas se nezpomaluje, objekt se nezačne pohybovat pomaleji. Čas tikal a tikal, prostě podle mých hodinek tiká jedna věc a podle hodinek jiných tiká něco jiného.
V Interstellar nastal okamžik, kdy hlavní postava spadla do černé díry.Jak jsem pochopil, letěl do centra a nebylroztrhl se. Zatímco padal, letěl blízko této akreční hmoty, akrečního disku, který vidíme, a jak jsem pochopil, vyzařuje v oblasti tvrdého rentgenového záření. Hrdina filmu přesto toto záření přijal, a pravděpodobně dost silné. Za prvé byl ozářen a za druhé z pohledu spolubojovníků, kteří byli venku, létal nekonečně dlouho. Ale ve skutečnosti to spadá do konečného času. A pak to zasáhlo střed, aniž by se to roztrhlo. Konzultant filmu, fyzik Kip Thorne, vychází z faktu, že nevíme, co se děje pod horizontem událostí, což znamená, že tam může být cokoli, například pětirozměrný svět.
Mohl by urychlovač vytvořit černou díru? Opak nebyl prokázán!
V roce 2008 mnozí slyšeli o fyzikovi Rosslerovi, který se aktivně pokoušel vypnout Large Hadron Collider.Dokonce se pokusil žalovat německou vládu.To bylo opravdu vážné riziko, protože mohl u soudu vyhrát, což znamená, že 10 % rozpočtu CERNu může jednoduše zmizet. CERN se ale také od Roslera odvrátil a ředitel Institutu Maxe Plancka jednou řekl, že by se to nemělo nechávat náhodě a že je nutné s Roslerem mluvit. Navíc je tento vědec kvalifikovaný, matematický fyzik. Má dokonce nelineární atraktor, který nese jeho jméno. Jako protiargument proti LHC uvedl vtipný fakt. Že kosmické záření má vyšší energie než v CERNu. Proto se přes Zemi něco zřítí, nebo se možná vytvoří černá díra, ale vyletí z planety velkou rychlostí a odletí někam pryč, takže ji nevidíme. Ne všechno se ale odehrává v centru hmoty, takže v případě srážky tam na Zemi může zůstat černá díra, bude tam sedět a kousek po kousku nás pohltí. Ředitel Institutu Alberta Einsteina shromáždil několik lidí, včetně mě, a museli jsme tohoto Rosslera „uškrtit“ a přesvědčit ho, že se mýlil. K soudu se však nedostal.
Teorie předpovídá, že tato černá díra, která by mohla vzniknout v důsledku srážky v urychlovači, se okamžitě rozpadne.Protože je velmi mikroskopický, budevyzařují velmi intenzivně podle Hawkinga a rychle se rozpadají. Rossler řekl, že Hawking byl hlupák a mýlil se. Ta dírka si tam sedne a sežere, další věc je, že byla malá, takže může jíst jen to, co je menší než ona, ale to taky nějakou dobu trvá. Nejprve by mělo sníst něco malého, pak pomalu růst, pak větší a tak dále. A zdálo se, že tato strategie konverzace skutečně vítězí, zvláště u soudu. Nevylučujeme, že se stále tvoří černá díra, že se Hawking mýlí a že se nerozpadá. Experimentálně jsme vlastně nic nezkoušeli. Všechno jsou to jen teoretické diskuse.
Viz také:
Byla vytvořena první přesná mapa světa. Co se děje s ostatními?
Elon Musk: první turisté na Mars zemřou
Na Zemi létají velké trosky čínské vesmírné stanice „Skylab“