Wie sich Raumzeit neben einem Stern verhält
Um zu verstehen, was ein Schwarzes Loch ist, brauchen Sie
Ein Beispiel für einen homogenen Raum ist ein Vakuum: ein Hohlraum, in dem sich keine Partikel befinden.Das Licht darin muss sich nach Fermats Prinzip bewegenAuf dem kürzesten Weg. Wenn sich Licht im flachen Raum bewegt, also zweidimensional und ungekrümmt, ist der kürzeste Weg eine gerade Linie. Es stellt sich jedoch heraus, dass sich das Licht in Gegenwart gravitierender Objekte nicht geradlinig bewegt: Die Lichtstrahlen werden gebogen. Dies liegt daran, dass gravitierende Körper die Raumzeit krümmen.
In der Newtonschen Mechanik wird die Entfernung im Raum separat und die Zeit separat gemessen.Warum brauchen wir das?Um beispielsweise die Flugbahn eines Teilchens, Kerns, einer Rakete oder eines Flugzeugs zu bestimmen. Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass es keine getrennte Methode zur Messung von Entfernung und Zeit gibt, sondern eine einzige Möglichkeit, Entfernungen in der Raumzeit zu messen. Wenn wir vom Raum-Zeit-Kontinuum sprechen, sprechen wir vom vierdimensionalen Raum: drei Koordinaten plus eine Zeitkoordinate. Es ist jedoch nicht ganz klar, wie man die vierdimensionale Raumzeit auf einer zweidimensionalen Oberfläche zeichnen kann. Wir wissen, dass die Position im Raum durch drei Koordinaten bestimmt werden kann: x, y, z sind kartesische Koordinaten. Andererseits können wir mithilfe von Kugelkoordinaten die Position eines Punktes im Raum genau bestimmen. Daher können nur die r-Koordinate und die Zeitkoordinate verwendet werden. Das Ergebnis ist eine Halbebene, da r immer größer als 0 ist und die Zeit von minus bis plus unendlich reichen kann. Ein Punkt in diesem Raum ist diese Kugel. Wenn ich zum Beispiel zum Zeitpunkt t0 einen Punkt r0 auf dieser Halbebene betrachte, dann ist es einfach eine Art Kugel mit dem Radius r0, aufgenommen zum Zeitpunkt t0.
Es gibt eine Kugel mit dem Radius r0,und von jedem Punkt dieser Kugel gehen Lichtstrahlen aus, die ein- und ausgehen.Das heißt, es wird eine Wellenfront des Lichts erhalten, die nach innen geht - eine sich zusammenziehende Kugel und nach außen geht - eine sich ausdehnende Kugel. Aber stellen Sie sich vor, dass der Raum zu jedem Zeitpunkt geschichtet ist
wie eine Zwiebel.Zum Zeitpunkt t0 wird eine Kugel mit dem Radius r0 aufgenommen, von deren Oberfläche Strahlen ausgehen. Diejenigen, die nach innen gehen, bilden eine Front mit einem Radius r0 - Δr, und diejenigen, die nach außen gehen, bilden eine Front mit einem Radius r0 + Δr. Die Neigung dieser Linien relativ zur vertikalen Achse beträgt 45 Grad, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist.
Wenn es sich um ein Teilchen handelt, dasbreitet sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit aus, dann kann es sich nicht mit einer Geschwindigkeit bewegen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, und kann sich dementsprechend in jede Richtung innerhalb dieses Winkels bewegen.
.Wenn wir mit unserem Diagramm imaginäre Lichtstrahlen zeichnen, erhalten wir ein imaginäres Gitter.Dieses Bild macht deutlich, warum ich mich für Strahlen entschieden habeSweta. Stellen Sie sich vor, ich würde anstelle von Licht andere Teilchen mit Masse wählen, dann würde eine Mehrdeutigkeit im Koordinatengitter auftreten: Teilchen können sich mit jeder Geschwindigkeit bewegen. Welche Vorteile hat Licht? Denn es gibt eine mehrdeutige Richtungswahl: entweder nach außen oder nach innen, und danach ist das Raster eindeutig festgelegt.
Wie verändert das Vorhandensein eines Sterns die Strahlung?Stellen wir uns vor, es gibt einen Stern mitRadius des Körpers rbody. Das bedeutet, dass es alle Radien bis zum Körper ausfüllt, weil sich dort etwas Substanz befindet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt – zum Beispiel t = 0 – sieht der Stern einfach wie ein Segment aus. Wenn man alle Zeitpunkte berücksichtigt, erhält man einen Streifen. Stellen wir uns nun vor, was mit Lichtstrahlen in Gegenwart eines gravitierenden Körpers geschieht. Die Lichtstrahlen sind in Rot dargestellt, so wie sie ohne den Stern aussehen würden. Und violett – Lichtstrahlen in Gegenwart eines gravitierenden Körpers. Aus allgemeinen Überlegungen lassen sich mehrere Schlussfolgerungen ziehen: Ein gravitierender Körper verzerrt Lichtstrahlen, und die Strahlen, die näher am Stern sind, werden stärker verzerrt als diejenigen, die weiter entfernt sind. Daher unterscheiden sich violette Strahlen weit vom Stern entfernt praktisch nicht von roten.
Stellen Sie sich vor, dass sich die Masse des Körpers zu ändern beginnt und der Radius festgelegt wird.Die Masse wird wachsen und je größer sie ist, desto stärkerDer Körper wird die Strahlen beeinflussen. Irgendwann wird die Masse so stark zunehmen, dass das folgende Phänomen auftritt. Irgendwann steht irgendeine Ecke auf dem Stumpf, also einfach senkrecht. Ich habe den Emissionspunkt der violetten Strahlen nicht am Horizontradius, sondern etwas weiter innen gemessen, sodass der Strahl nicht vertikal verläuft, sondern verzerrt ist.
Der Massenzunahme eines Schwarzen Lochs sind derzeit keine Grenzen gesetzt. Zumindest wissen wir es nicht.Vielleicht ist der Punkt, dass irgendjemandEine naturwissenschaftliche Theorie hat Grenzen ihrer Anwendbarkeit, was bedeutet, dass insbesondere die Relativitätstheorie irgendwo im Inneren eines Schwarzen Lochs ihre Anwendbarkeit verliert. Die Allgemeine Relativitätstheorie verliert ihre Anwendbarkeit sehr nahe an der Region, in der fast die gesamte Masse des Schwarzen Lochs konzentriert ist. Aber in welchem Radius dies geschieht und was die allgemeine Relativitätstheorie ersetzt, ist unbekannt. Es ist auch nicht auszuschließen, dass sich etwas ändert, wenn die Masse des Schwarzen Lochs sehr stark zunimmt.
Die erste Frage, die sich stellen sollte: Wo ist der Stern geblieben?Da die Flugbahn jedes Teilchens mit Masse kannBefinden Sie sich nur innerhalb dieser Ecke, bewegt es sich wie folgt (rote Farbe – „High-Tech“) und trifft die Mitte. Wenn ein Teilchen mit Masse zwangsläufig von irgendeinem Punkt aus auf das Zentrum trifft, wird die gesamte Masse, der gesamte Körper des Sterns, in das Zentrum hinein komprimiert.
Das Problem besteht darin, dass die r- und ct-Koordinaten nur in einem bestimmten Bereich gelten und darüber hinaus nicht mehr anwendbar sind.Stellen Sie sich vor, was Sie auf der Erdoberfläche habenEs gibt Meridiane und Parallelen, und mit ihrer Hilfe können Sie die Position jedes Objekts finden. Aber an der Oberfläche gibt es eine Höhle, die tiefer geht, und die Aufgabe besteht darin, die Position der Fliege in dieser Höhle zu bestimmen. Längen- und Breitengrad sind dafür nicht mehr geeignet, jetzt müssen Sie ein neues Koordinatengitter eingeben. Es gibt einige Substitutionen: Ich habe ein Bild mit r und t gezeichnet, um das Phänomen zu zeigen, aber es ist wichtig, dass es nicht mehr die Koordinaten r und t gibt, sondern einige andere Koordinaten, die das Verhalten innerhalb des Schwarzen Lochs beschreiben. Dies bedeutet, dass dort die Zeit nicht vertikal gerichtet ist, sondern in Richtung der Achse fließt, und dies wird durch diese Ecken gezeigt.
Um ein Koordinatengitter für die Raumzeit eines Schwarzen Lochs zu erhalten, können Sie ein statisches Bild aufnehmen und es nacheinander wiederholen, indem Sie es aneinander "kleben".Ausgehende Strahlen sind lila gezeichnet undrot – diejenigen, die hineingehen. Ein vertikaler Strahl ist auch ein Lichtstrahl, der Horizont. Diese violetten Linien sind in zwei Gruppen unterteilt. Diejenigen, die nach außen gerichtet sind, gehen ins Unendliche, und diejenigen, die nach innen gerichtet sind, gehen zu r gleich 0. Dieses Phänomen ist ein Schwarzes Loch.
Was passiert mit einem Objekt, wenn es in ein Schwarzes Loch fällt?
Stellen Sie sich vor, ein Objekt hängt über einem Schwarzen Loch und seine Uhr tickt, oder das Objekt flog zum Schwarzen Loch und kehrte zurück, und seine Uhr tickte ebenfalls.Ich kann anhand der Uhr erkennen, wie viel Zeit vergangen istjedes dieser Objekte. Ich berechne einfach die Länge der Linie, die er in diesem Diagramm gezeichnet hat, und dividiere sie durch die Lichtgeschwindigkeit. Der, der hing, bewegt sich einmal, und der fliegende läuft ein anderes Mal. Bei einem kann es zum Beispiel mehrere Stunden dauern, bei einem anderen kann es Jahre dauern. Wie im Film Interstellar. Wir sehen ein ähnliches Phänomen auf der Erde, aber es verbiegt die Raumzeit nicht so stark. Dies macht sich bei globalen Positionierungssystemen bemerkbar: Die Uhren der Satelliten, die am globalen Positionierungssystem teilnehmen, zeigen eine andere Zeit an. Wenn ich zu einem Satelliten fliege und zurückfliege, zeigt meine Uhr eine andere Zeit als die des Satelliten an. Dieses Phänomen wird berücksichtigt, damit GPS funktioniert.
Laut der Uhr eines Beobachters, der über einem Schwarzen Loch hängt, vergeht eine unendlich lange Zeit, während er beobachtet, wie ein Objekt in ein Schwarzes Loch fällt.Ein Objekt, das niemals in ein Schwarzes Loch fälltüberschreitet den Ereignishorizont. Er kommt immer näher, wie Achilles hinter der Schildkröte, aber er kann sie erreichen. Gemäß der Uhr des Objekts vergeht die letzte Zeit. Wie kann man das feststellen? Messen Sie die Länge der Weltlinie zwischen gleichen Parallelen und Meridianen. Je länger dieses Segment ist, desto stärker ist es gekrümmt. Das Objekt fliegt, auf seiner Uhr ticken Zeitintervalle – in der Grafik sind dies Parallelen, die entlang der Weltlinie im gleichen Zeitintervall Δt beabstandet sind. Aber dort, wo sich der Beobachter befindet, wächst das Zeitintervall, und wenn man sich dem Ereignishorizont nähert, wächst das Zeitintervall unbegrenzt. In dem Moment, in dem ein Objekt den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs kreuzt, wandert ein imaginärer Lichtstrahl vertikal am Horizont entlang und überschreitet diese Linie nie. Daher wird der Beobachter den Moment des Schnittpunkts nie sehen und aus der Sicht des fallenden Objekts vergehen endlich viele Zeitintervalle. Dieses Phänomen sieht mystisch aus, aber wenn man sagt, dass die Zeit auf unterschiedliche Weise fließt. Das ist nicht ganz richtig. Die Zeit verlangsamt sich nicht, das Objekt beginnt sich nicht langsamer zu bewegen. Die Zeit tickte und tickte, es ist nur so, dass auf meiner Uhr eine Sache tickt und auf den Uhren anderer Leute etwas anderes tickt.
In Interstellar gibt es einen Moment, in dem die Hauptfigur in ein Schwarzes Loch gefallen ist.So wie ich es verstehe, flog er in die Mitte und war es nichtzerrissen. Während es fiel, flog es in die Nähe dieser Akkretionsmaterie, der Akkretionsscheibe, die wir sehen, und so wie ich es verstehe, emittiert sie im harten Röntgenbereich. Der Held des Films empfing diese Strahlung dennoch, und zwar wahrscheinlich ziemlich stark. Erstens wurde er verstrahlt, und zweitens flog er aus der Sicht seiner Kameraden, die draußen waren, unendlich lange. Aber in Wirklichkeit fällt es in eine endliche Zeit. Und dann traf es die Mitte, ohne auseinandergerissen zu werden. Der Berater des Films, der Physiker Kip Thorne, geht davon aus, dass wir nicht wissen, was unter dem Ereignishorizont passiert, was bedeutet, dass es alles geben könnte, zum Beispiel eine fünfdimensionale Welt.
Könnte ein Collider ein Schwarzes Loch erzeugen? Das Gegenteil wurde nicht bewiesen!
Im Jahr 2008 hörten viele von dem Physiker Rossler, der aktiv versuchte, den Large Hadron Collider abzuschalten.Er versuchte sogar, die deutsche Regierung zu verklagen.Das war ein wirklich ernstes Risiko, denn er könnte vor Gericht gewinnen, was bedeutete, dass 10 % des CERN-Budgets einfach verschwinden könnten. Aber auch das CERN wandte sich von Rosler ab, und der Direktor des Max-Planck-Instituts sagte einmal, man dürfe dies nicht dem Zufall überlassen und es sei notwendig, mit Rosler zu reden. Darüber hinaus ist dieser Wissenschaftler ein qualifizierter, ein mathematischer Physiker. Er hat sogar einen nichtlinearen Attraktor, der seinen Namen trägt. Als Gegenargument gegen den LHC führte er eine lustige Tatsache an. Dass kosmische Strahlung höhere Energien hat als am CERN. Deshalb wird etwas über die Erde krachen und vielleicht entsteht ein Schwarzes Loch, aber es fliegt mit großer Geschwindigkeit vom Planeten weg und fliegt irgendwohin, sodass wir es nicht sehen. Aber nicht alles passiert im Zentrum der Masse, so dass im Falle einer Kollision ein Schwarzes Loch dort auf der Erde bleiben kann, dort sitzen bleibt und uns nach und nach verschlingt. Der Direktor des Albert-Einstein-Instituts versammelte mehrere Leute, darunter auch mich, und wir mussten diesen Rossler „erwürgen“ und ihn davon überzeugen, dass er falsch lag. Er zog jedoch nicht vor Gericht.
Die Theorie sagt voraus, dass dieses Schwarze Loch, das infolge einer Kollision im Kollider entstehen könnte, sofort zerfallen wird.Da es sehr mikroskopisch klein ist, wird es so seinemittieren laut Hawking sehr intensiv und zerfallen schnell. Rossler sagte, Hawking sei ein Narr und habe Unrecht gehabt. Das Loch wird dort sitzen und fressen, außerdem war es klein, also kann es nur fressen, was kleiner als es ist, aber das dauert auch einige Zeit. Es sollte zuerst etwas Kleines fressen, dann langsam wachsen, dann etwas Größeres und so weiter. Und diese Gesprächsstrategie schien wirklich erfolgreich zu sein, insbesondere vor Gericht. Wir schließen nicht aus, dass sich dennoch ein Schwarzes Loch bildet, dass Hawking Unrecht hat und dass es nicht zerfällt. Wir haben nichts wirklich experimentell getestet. Das sind alles nur theoretische Diskussionen.
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