Comment l'espace-temps se comporte à côté d'une étoile
Pour comprendre ce qu'est un trou noir, il faut
Un exemple d'espace homogène est le vide: un vide dans lequel il n'y a pas de particules.La lumière qui s’y trouve, selon le principe de Fermat, doit se déplacerle long du chemin le plus court. Si la lumière se déplace dans un espace plat, c’est-à-dire bidimensionnel et non incurvé, le chemin le plus court sera une ligne droite. Mais il s’avère qu’en présence d’objets gravitants, la lumière ne se déplace pas en ligne droite : les rayons lumineux sont courbés. Cela est dû au fait que les corps gravitationnels courbent l’espace-temps.
En mécanique newtonienne, la distance dans l'espace est mesurée séparément et le temps est mesuré séparément.Pourquoi avons nous besoin de ça?Pour, par exemple, déterminer la trajectoire de vol d’une particule, d’un noyau, d’une fusée ou d’un avion. La théorie de la relativité restreinte stipule qu’il n’existe pas de manière distincte de mesurer la distance et le temps, mais qu’il existe une seule manière de mesurer les distances dans l’espace-temps. Lorsque nous parlons du continuum espace-temps, nous parlons d’un espace à quatre dimensions : trois coordonnées plus une coordonnée temporelle. Mais il n’est pas très clair comment dessiner un espace-temps à quatre dimensions sur une surface à deux dimensions. Nous savons que la position dans l'espace peut être déterminée par trois coordonnées : x, y, z sont des coordonnées cartésiennes. D’un autre côté, nous pouvons déterminer avec précision la position d’un point dans l’espace à l’aide de coordonnées sphériques. Par conséquent, seules la coordonnée r et la coordonnée temporelle peuvent être utilisées. Le résultat est un demi-plan, car r est toujours supérieur à 0 et le temps peut aller de moins à plus l'infini. Un point dans cet espace est cette sphère. Par exemple, au temps t0, si je considère un point r0 sur ce demi-plan, alors c'est simplement une sorte de sphère de rayon r0, prise au temps t0.
Il y a une sphère de rayon r0,et de n'importe quel point de cette sphère des rayons de lumière sont émis, entrant et sortant.Autrement dit, un front d'onde de lumière est obtenu qui va vers l'intérieur - une sphère de contraction, et allant vers l'extérieur - une sphère en expansion. Mais imaginez qu'à un moment donné l'espace est stratifié
comme un oignon.Au temps t0, on prend une sphère de rayon r0, de la surface de laquelle émanent des rayons. Ceux qui vont vers l’intérieur forment un front de rayon r0 - Δr, et ceux qui vont vers l’extérieur forment un front de rayon r0 + Δr. L'inclinaison de ces lignes par rapport à l'axe vertical est de 45 degrés car la vitesse de propagation est égale à la vitesse de la lumière.
Si nous avons affaire à une particule quine se propage pas à la vitesse de la lumière, alors il ne peut pas se déplacer à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière et, par conséquent, peut se déplacer dans n'importe quelle direction à l'intérieur de cet angle.
.Si nous dessinons des rayons de lumière imaginaires à l'aide de notre diagramme, nous obtenons une grille imaginaire.Cette photo montre clairement pourquoi j'ai choisi les rayonsSveta. Imaginez qu'au lieu de la lumière, je choisisse d'autres particules qui ont une masse, alors une ambiguïté apparaîtrait dans la grille de coordonnées : les particules peuvent se déplacer à n'importe quelle vitesse. Quels sont les bienfaits de la lumière ? Parce qu'il y a un choix ambigu dans la direction : soit vers l'extérieur, soit vers l'intérieur, et après cela la grille est fixée sans ambiguïté.
Comment la présence d'une étoile change-t-elle le rayonnement?Imaginons qu'il y ait une étoile avecrayon du corps rbody. Cela signifie qu'il remplit tous les rayons jusqu'au corps, car il y a une substance à l'intérieur. À un instant donné – par exemple, t = 0 – l’étoile ressemble simplement à un segment. Si vous considérez tous les moments, vous obtenez une bande. Imaginons maintenant ce qui arrive aux rayons lumineux en présence d'un corps gravitant. Les rayons lumineux sont dessinés en rouge comme ils le seraient en l’absence de l’étoile. Et violet - rayons de lumière en présence d'un corps gravitant. De considérations générales, plusieurs conclusions peuvent être tirées : un corps gravitationnel déforme les rayons lumineux, et les rayons les plus proches de l'étoile sont plus fortement déformés que ceux qui en sont plus éloignés. Par conséquent, loin de l'étoile, les rayons violets ne diffèrent pratiquement pas des rayons rouges.
Imaginez que la masse du corps commence à changer et que le rayon soit fixe.La masse va croître, et plus elle est grande, plus elle est fortele corps va influencer les rayons. À un moment donné, la masse augmentera tellement que le phénomène suivant se produira. À un moment donné, un coin sera sur ses fesses, c'est-à-dire simplement vertical. J'ai pris le point d'émission des rayons violets non pas au rayon de l'horizon, mais légèrement à l'intérieur, donc le faisceau ne va pas verticalement, mais est déformé.
À l’heure actuelle, il n’y a pas de limites à l’augmentation de la masse d’un trou noir. Au moins, nous ne le savons pas.Peut-être que le fait est que n'importe quelune théorie des sciences naturelles a des limites d’applicabilité, ce qui signifie notamment que la théorie de la relativité perd son applicabilité quelque part à l’intérieur d’un trou noir. La relativité générale perd son applicabilité très près de la région où est concentrée la quasi-totalité de la masse du trou noir. Mais on ne sait pas dans quel rayon cela se produit et ce qui remplace la théorie de la relativité générale. On ne peut pas non plus exclure que quelque chose change si la masse du trou noir augmente considérablement.
La première question qui devrait se poser: où est passée la star?Puisque la trajectoire de toute particule ayant une masse peutêtre seulement à l'intérieur de ce coin, il se déplace comme ça (couleur rouge - « High-Tech ») et frappe le centre. Si une particule ayant une masse frappe inévitablement le centre depuis n'importe quel point, alors toute la masse, tout le corps de l'étoile, sera compressé vers le centre.
Le problème est que les coordonnées r et ct ne sont applicables que dans une certaine zone, et au-delà elles ne le sont plus.Imaginez ce que vous avez à la surface de la Terreil y a des méridiens et des parallèles, et avec leur aide, vous pouvez trouver la position de n'importe quel objet. Mais à la surface, il y a une grotte qui va plus loin, et la tâche est de déterminer la position de la mouche dans cette grotte. La longitude et la latitude ne conviennent plus pour cela, vous devez maintenant entrer une nouvelle grille de coordonnées. Il y a une substitution: j'ai dessiné une image en utilisant r et t pour montrer le phénomène, mais il est important qu'il n'y ait plus de coordonnées r et t, mais il y a d'autres coordonnées qui décrivent le comportement à l'intérieur du trou noir. Cela signifie que le temps n'est pas dirigé verticalement, mais s'écoule vers l'axe, ce que montrent ces coins.
Pour obtenir une grille de coordonnées pour l'espace-temps d'un trou noir, vous pouvez prendre une image statique et répéter l'une après l'autre, en "collant" l'une à l'autre.Les rayons sortants sont dessinés en violet etrouge - ceux qui entrent à l'intérieur. Un rayon vertical est aussi un rayon de lumière, l'horizon. Ces lignes violettes sont divisées en deux groupes. Ceux qui sont dirigés vers l'extérieur vont vers l'infini, et ceux qui sont dirigés vers l'intérieur et vont vers r égal à 0. Ce phénomène est un trou noir.
Qu'arrive-t-il à un objet lorsqu'il tombe dans un trou noir
Imaginez qu'un objet est suspendu au-dessus d'un trou noir et que son horloge tourne, ou que l'objet a volé vers le trou noir et est revenu, et que son horloge tournait également.Je peux dire combien de temps s'est écoulé sur l'horlogechacun de ces objets. Je vais juste calculer la longueur de la ligne qu'il a tracée sur ce diagramme et la diviser par la vitesse de la lumière. Celui qui était suspendu bouge à un moment donné, et celui qui vole court à un autre moment. Par exemple, pour l’un, cela peut prendre plusieurs heures, tandis que pour un autre, cela peut prendre des années. Comme dans le film Interstellar. Nous observons un phénomène similaire sur Terre, mais il ne courbe pas tellement l’espace-temps. Ceci est visible dans les systèmes de positionnement global : les horloges des satellites qui participent au système de positionnement global affichent une heure différente. Si je vole vers un satellite et reviens, ma montre affiche une heure différente de celle du satellite. Ce phénomène est pris en compte pour que le GPS fonctionne.
Selon la montre d'un observateur suspendu au-dessus d'un trou noir, un temps infiniment long s'écoule alors qu'il observe un objet tomber dans un trou noir.Un objet qui tombe dans un trou noir netraverse l’horizon des événements. Il se rapproche de plus en plus, comme Achille derrière la tortue, mais il peut l'atteindre. Selon l'horloge de l'objet, l'heure finale s'écoulera. Comment déterminer cela ? Mesurez la longueur de la ligne du monde entre les parallèles et les méridiens égaux. Plus ce segment est long, plus il est courbé. L'objet vole, des intervalles de temps s'écoulent sur son horloge - sur le graphique, ce sont des parallèles espacées le long de la ligne du monde par des intervalles de temps égaux Δt. Mais là où se trouve l’observateur, l’intervalle de temps augmente, et à mesure que l’on s’approche de l’horizon des événements, l’intervalle de temps augmente sans limite. Au moment où un objet traverse l'horizon des événements d'un trou noir, un rayon de lumière imaginaire se déplace verticalement le long de l'horizon et ne franchit jamais cette ligne. Par conséquent, l'observateur ne verra jamais le moment de l'intersection et, du point de vue de l'objet qui tombe, un nombre fini d'intervalles de temps s'écoulent. Ce phénomène semble mystique, mais quand on dit que le temps s'écoule de différentes manières. Ce n’est pas tout à fait exact. Le temps ne ralentit pas, l'objet ne commence pas à se déplacer plus lentement. Le temps tournait et tournait, c'est juste que d'après ma montre, une chose tourne, et d'après les montres des autres, quelque chose d'autre tourne.
Dans Interstellar, il y a un moment où le personnage principal est tombé dans un trou noir.Si je comprends bien, il s'est envolé vers le centre et n'a pas étédéchiré. Pendant qu'il tombait, il a volé près de cette matière d'accrétion, le disque d'accrétion, que nous voyons et, si je comprends bien, il émet dans le domaine des rayons X durs. Le héros du film a néanmoins reçu ce rayonnement, et sans doute assez fort. D’une part, il a été irradié, et d’autre part, du point de vue de ses camarades qui se trouvaient à l’extérieur, il a volé infiniment longtemps. Mais en réalité, cela s’inscrit dans un temps fini. Et puis il a touché le centre sans se déchirer. Le consultant du film, le physicien Kip Thorne, part du fait que nous ne savons pas ce qui se passe sous l'horizon des événements, ce qui signifie qu'il pourrait y avoir n'importe quoi, par exemple un monde de cinquième dimension.
Un collisionneur pourrait-il engendrer un trou noir? Le contraire n'a pas été prouvé!
En 2008, beaucoup ont entendu parler du physicien Rossler, qui tentait activement d'arrêter le grand collisionneur de hadrons.Il a même tenté de poursuivre le gouvernement allemand en justice.C'était un risque vraiment sérieux, car il pourrait gagner devant les tribunaux, ce qui signifierait que 10 % du budget du CERN pourrait tout simplement disparaître. Mais le CERN s'est également détourné de Rosler, et le directeur de l'Institut Max Planck a déclaré un jour qu'il ne fallait pas laisser cela au hasard et qu'il était nécessaire de discuter avec Rosler. De plus, ce scientifique est un physicien mathématicien qualifié. Il possède même un attracteur non linéaire qui porte son nom. Il a cité un fait amusant comme contre-argument contre le LHC. Que les rayons cosmiques ont des énergies plus élevées qu'au CERN. Par conséquent, quelque chose s’écrasera sur la Terre, et peut-être qu’un trou noir se formera, mais il s’envolera hors de la planète à grande vitesse et s’envolera quelque part, donc nous ne le verrons pas. Mais tout ne se passe pas au centre de masse, donc en cas de collision, un trou noir peut rester là sur Terre, il va s'y asseoir et nous dévorer petit à petit. Le directeur de l'Institut Albert Einstein a réuni plusieurs personnes, dont moi, et nous avons dû « étrangler » ce Rossler et le convaincre qu'il avait tort. Cependant, il ne s'est pas adressé au tribunal.
La théorie prédit que ce trou noir, qui pourrait se former à la suite d'une collision dans le collisionneur, se désintégrera immédiatement.Comme il est très microscopique, ilémettent très intensément selon Hawking et se désintègreront rapidement. Rossler a déclaré que Hawking était un imbécile et avait tort. Le trou va rester là et manger, une autre chose est qu'il était petit, donc il ne peut manger que ce qui est plus petit que lui, mais cela prend aussi du temps. Il doit d’abord manger quelque chose de petit, puis grandir lentement, puis grossir, et ainsi de suite. Et cette stratégie de conversation semblait vraiment gagnante, notamment devant les tribunaux. Nous n’excluons pas qu’un trou noir se forme encore, que Hawking se trompe et qu’il ne se désintègre pas. Nous n’avons pas vraiment testé quoi que ce soit expérimentalement. Ce ne sont que des discussions théoriques.
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