Cómo se comporta el espacio-tiempo junto a una estrella
Para entender qué es un agujero negro, es necesario
Un ejemplo de espacio homogéneo es el vacío: un vacío en el que no hay partículas.La luz que hay en él, según el principio de Fermat, debe moversepor el camino más corto. Si la luz se mueve en un espacio plano, es decir, bidimensional y sin curvas, el camino más corto será una línea recta. Pero resulta que en presencia de objetos gravitantes, la luz no se mueve en línea recta: los rayos de luz se desvían. Esto se debe al hecho de que los cuerpos gravitantes curvan el espacio-tiempo.
En la mecánica newtoniana, la distancia en el espacio se mide por separado y el tiempo se mide por separado.¿Porqué necesitamos esto?Para, por ejemplo, determinar la trayectoria de vuelo de una partícula, un núcleo, un cohete o un avión. La teoría especial de la relatividad afirma que no existe una forma separada de medir la distancia y el tiempo, pero sí una única forma de medir distancias en el espacio-tiempo. Cuando hablamos del continuo espacio-tiempo, hablamos de un espacio de cuatro dimensiones: tres coordenadas más una coordenada temporal. Pero no está muy claro cómo dibujar el espacio-tiempo de cuatro dimensiones en una superficie de dos dimensiones. Sabemos que la posición en el espacio se puede determinar mediante tres coordenadas: x, y, z son coordenadas cartesianas. Por otro lado, podemos determinar con precisión la posición de un punto en el espacio mediante coordenadas esféricas. Por lo tanto, sólo se pueden utilizar la coordenada r y la coordenada de tiempo. El resultado es un semiplano, porque r siempre es mayor que 0 y el tiempo puede ser de menos a más infinito. Un punto en este espacio es esta esfera. Por ejemplo, en el instante t0, si considero un punto r0 en este semiplano, entonces es simplemente una especie de esfera de radio r0, tomada en el instante t0.
Hay una esfera de radio r0,y desde cualquier punto de esta esfera se emiten rayos de luz que entran y salen.Es decir, se obtiene un frente de onda de luz que va hacia adentro, una esfera que se contrae, y que va hacia afuera, una esfera en expansión. Pero imagina que en un momento dado el espacio se estratifica
como una cebolla.En el instante t0 se toma una esfera de radio r0, de cuya superficie emanan rayos. Los que van hacia adentro forman un frente de radio r0 - Δr, y los que van hacia afuera forman un frente de radio r0 + Δr. La inclinación de estas líneas con respecto al eje vertical es de 45 grados porque la velocidad de propagación es igual a la velocidad de la luz.
Si estamos tratando con una partícula queno se propaga a la velocidad de la luz, entonces no puede moverse a una velocidad mayor que la velocidad de la luz y, en consecuencia, puede moverse en cualquier dirección dentro de este ángulo.
.Si dibujamos rayos de luz imaginarios usando nuestro diagrama, obtenemos una cuadrícula imaginaria.Esta imagen deja claro por qué elegí los rayos.Luz. Imaginemos que en lugar de luz elijo otras partículas que tienen masa, entonces aparecería una ambigüedad en la cuadrícula de coordenadas: las partículas pueden moverse a cualquier velocidad. ¿Cuáles son los beneficios de la luz? Porque hay una elección ambigua en la dirección: hacia afuera o hacia adentro, y luego la cuadrícula queda inequívocamente fija.
¿Cómo cambia la radiación la presencia de una estrella?Imaginemos que hay una estrella conRadio del cuerpo rbody. Esto significa que llena todos los radios hasta el cuerpo, porque allí dentro hay algo de sustancia. En un momento dado, por ejemplo, t = 0, la estrella parece simplemente un segmento. Si consideras todos los puntos en el tiempo, obtienes una tira. Ahora imaginemos qué pasará con los rayos de luz en presencia de un cuerpo gravitante. Los rayos de luz están dibujados en rojo como se verían en ausencia de la estrella. Y violeta: rayos de luz en presencia de un cuerpo gravitante. De consideraciones generales se pueden sacar varias conclusiones: un cuerpo gravitante distorsiona los rayos de luz, y aquellos rayos que están más cerca de la estrella se distorsionan con más fuerza que los que están más lejos. Por tanto, lejos de la estrella, los rayos violetas prácticamente no se diferencian de los rojos.
Imagine que la masa del cuerpo comenzará a cambiar y el radio se fijará.La masa crecerá y cuanto más grande sea, más fuerte.el cuerpo influirá en los rayos. En algún momento la masa aumentará tanto que ocurrirá el siguiente fenómeno. En algún momento, alguna esquina quedará sobre su trasero, es decir, simplemente vertical. Tomé el punto de emisión de los rayos violetas no en el radio del horizonte, sino ligeramente hacia adentro, por lo que el rayo no va verticalmente, sino que está distorsionado.
Por el momento, no existen límites para el aumento de masa de un agujero negro. Al menos no lo sabemos.Quizás el punto es que cualquieruna teoría de las ciencias naturales tiene límites de aplicabilidad, lo que significa que, en particular, la teoría de la relatividad pierde su aplicabilidad en algún lugar dentro de un agujero negro. La relatividad general pierde su aplicabilidad muy cerca de la región donde se concentra casi toda la masa del agujero negro. Pero se desconoce en qué radio ocurre esto y qué reemplaza a la teoría general de la relatividad. Tampoco se puede descartar que si la masa del agujero negro aumenta mucho, algo cambie.
La primera pregunta que debería surgir: ¿a dónde se fue la estrella?Dado que la trayectoria de cualquier partícula con masa puedeesté solo dentro de esta esquina, se mueve así (color rojo - "Alta tecnología") y llega al centro. Si una partícula con masa inevitablemente golpea el centro desde cualquier punto, entonces toda la masa, todo el cuerpo de la estrella, quedará comprimido en el centro.
El problema es que las coordenadas r y ct solo son aplicables en un área determinada, y más allá de eso ya no son aplicables.Imagina lo que tienes en la superficie de la Tierra.hay meridianos y paralelos, y con su ayuda puedes encontrar la posición de cualquier objeto. Pero en la superficie hay una cueva que profundiza, y la tarea es determinar la posición de la mosca en esta cueva. La longitud y la latitud ya no son adecuadas para esto, ahora debe ingresar una nueva cuadrícula de coordenadas. Hay alguna sustitución: hice un dibujo usando r y t para mostrar el fenómeno, pero es importante que ya no haya coordenadas r y t, pero hay algunas otras coordenadas que describen el comportamiento dentro del agujero negro. Esto significa que el tiempo no se dirige verticalmente, sino que fluye hacia el eje, y esto se muestra en estas esquinas.
Para obtener una cuadrícula de coordenadas para el espacio-tiempo de un agujero negro, puede tomar una imagen estática y repetir una tras otra, "pegando" una a la otra.Los rayos salientes están dibujados en violeta yrojo: los que entran al interior. Un rayo vertical es también un rayo de luz, el horizonte. Estas líneas moradas se dividen en dos grupos. Los que se dirigen hacia afuera van al infinito, y los que se dirigen hacia adentro van hasta r igual a 0. Este fenómeno es un agujero negro.
¿Qué le sucede a un objeto cuando cae en un agujero negro?
Imagínese que un objeto cuelga sobre un agujero negro y su reloj hace tictac, o que el objeto voló al agujero negro y regresó, y su reloj también hacía tictac.Puedo decir cuanto tiempo ha pasado por el relojcada uno de estos objetos. Simplemente calcularé la longitud de la línea que dibujó en este diagrama y la dividiré por la velocidad de la luz. El que estaba colgado en un momento se mueve y el que vuela en otro momento corre. Por ejemplo, a uno le pueden llevar varias horas, mientras que a otro le pueden llevar años. Como en la película Interestelar. Vemos un fenómeno similar en la Tierra, pero no curva tanto el espacio-tiempo. Esto se nota en los sistemas de posicionamiento global: los relojes de los satélites que participan en el sistema de posicionamiento global muestran una hora diferente. Si vuelo a un satélite y regreso, mi reloj muestra una hora diferente a la del satélite. Este fenómeno se tiene en cuenta para que el GPS funcione.
Según el reloj de un observador que cuelga sobre un agujero negro, pasa un tiempo infinitamente largo mientras observa que un objeto cae en un agujero negro.Un objeto que cae en un agujero negro nuncacruza el horizonte de sucesos. Se acerca cada vez más, como Aquiles detrás de la tortuga, pero puede alcanzarla. Según el reloj del objeto, pasará el tiempo final. ¿Cómo determinar esto? Mida la longitud de la línea mundial entre paralelos y meridianos iguales. Cuanto más largo es este segmento, más curvado es. El objeto está volando, los intervalos de tiempo corren en su reloj; en el gráfico, estos son paralelos que están espaciados a lo largo de la línea mundial por intervalos de tiempo iguales Δt. Pero donde está el observador, el intervalo de tiempo crece, y a medida que uno se acerca al horizonte de sucesos, el intervalo de tiempo crece sin límite. En el momento en que un objeto cruza el horizonte de sucesos de un agujero negro, un rayo de luz imaginario viaja verticalmente a lo largo del horizonte y nunca cruza esta línea. Por lo tanto, el observador nunca verá el momento de intersección y, desde el punto de vista del objeto que cae, pasa un número finito de intervalos de tiempo. Este fenómeno parece místico, pero cuando dicen que el tiempo fluye de diferentes maneras. Esto no es del todo correcto. El tiempo no se ralentiza, el objeto no empieza a moverse más lento. El tiempo corría y corría, es solo que según mi reloj una cosa corre, y según los relojes de otras personas otra cosa corre.
En Interstellar, hay un momento en el que el personaje principal cayó en un agujero negro.Según tengo entendido, voló al centro y no estaba.rasgó. Mientras caía, voló cerca de esta materia de acreción, el disco de acreción, que vemos y, según tengo entendido, emite en el rango de rayos X duros. Sin embargo, el héroe de la película recibió esta radiación, y probablemente bastante fuerte. En primer lugar, fue irradiado y, en segundo lugar, desde el punto de vista de sus compañeros que estaban afuera, voló durante un tiempo infinitamente largo. Pero en realidad cae dentro de un tiempo finito. Y luego golpeó el centro sin romperse. El consultor de la película, el físico Kip Thorne, parte del hecho de que no sabemos qué está sucediendo bajo el horizonte de sucesos, lo que significa que podría haber cualquier cosa, por ejemplo, un mundo de quinta dimensión.
¿Podría un colisionador generar un agujero negro? ¡No se ha probado lo contrario!
En 2008, muchos oyeron hablar del físico Rossler, que estaba tratando activamente de cerrar el Gran Colisionador de Hadrones.Incluso intentó demandar al gobierno alemán.Se trataba de un riesgo realmente grave, porque podría ganar en los tribunales, lo que significaría que el 10% del presupuesto del CERN podría simplemente desaparecer. Pero el CERN también le dio la espalda a Rosler, y el director del Instituto Max Planck dijo una vez que esto no debería dejarse al azar y que era necesario hablar con Rosler. Además, este científico es un físico matemático cualificado. Incluso tiene un atractor no lineal que lleva su nombre. Citó un hecho curioso como contraargumento contra el LHC. Que los rayos cósmicos tienen energías más altas que en el CERN. Por lo tanto, algo chocará contra la Tierra y tal vez se forme un agujero negro, pero sale del planeta a gran velocidad y se va a algún lugar, por lo que no lo vemos. Pero no todo sucede en el centro de masa, por lo que en caso de colisión, un agujero negro puede quedarse allí en la Tierra, se quedará allí y poco a poco nos devorará. El director del Instituto Albert Einstein reunió a varias personas, incluido yo, y tuvimos que "estrangular" a este Rossler y convencerlo de que estaba equivocado. Sin embargo, no acudió a los tribunales.
La teoría predice que este agujero negro, que podría formarse como resultado de una colisión en el colisionador, se desintegrará inmediatamente.Como es muy microscópico,Se emiten muy intensamente según Hawking y se descomponen rápidamente. Rossler dijo que Hawking era un tonto y estaba equivocado. El agujero se quedará ahí y comerá, otra cosa es que era pequeño, por lo que sólo puede comer lo que es más pequeño que él, pero esto también lleva algo de tiempo. Primero debe comer algo pequeño, luego crecer lentamente, luego crecer y así sucesivamente. Y esta estrategia de conversación realmente parecía estar ganando, especialmente en los tribunales. No descartamos que todavía se forme un agujero negro, que Hawking se equivoque y que no se desintegre. Realmente no hemos probado nada experimentalmente. Todas estas son sólo discusiones teóricas.
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