Hogyan viselkedik a téridő egy csillag mellett
Ahhoz, hogy megértsük, mi a fekete lyuk, szüksége van
A homogén tér egyik példája a vákuum: egy üreg, amelyben nincsenek részecskék.A benne lévő fénynek Fermat elve szerint mozognia kella legrövidebb úton. Ha a fény sík térben mozog, azaz kétdimenziósan és görbületlenül, a legrövidebb út az egyenes lesz. De kiderül, hogy gravitációs tárgyak jelenlétében a fény nem egyenes vonalban mozog: a fénysugarak elhajlanak. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a gravitációs testek meghajlítják a téridőt.
A newtoni mechanikában külön mérik az űrbeli távolságot, és külön mérik az időt.Miért van erre szükségünk?Például egy részecske, atommag, rakéta vagy repülőgép repülési útvonalának meghatározásához. A speciális relativitáselmélet kimondja, hogy nincs külön módszer a távolság és az idő mérésére, de a távolságok téridőben történő mérésére egyetlen módszer létezik. Amikor a tér-idő kontinuumról beszélünk, akkor négydimenziós térről beszélünk: három koordináta plusz egy időkoordináta. De nem nagyon világos, hogyan rajzoljunk négydimenziós téridőt egy kétdimenziós felületre. Tudjuk, hogy a térbeli pozíció három koordinátával határozható meg: x, y, z derékszögű koordináták. Másrészt a gömbi koordináták segítségével pontosan meg tudjuk határozni egy pont helyzetét a térben. Ezért csak az r koordináta és az idő koordináta használható. Az eredmény egy félsík, mert r mindig nagyobb, mint 0, és az idő mínusztól plusz végtelenig terjedhet. Egy pont ebben a térben ez a gömb. Például a t0 időpontban, ha egy r0 pontot veszek figyelembe ezen a félsíkon, akkor az egyszerűen valamiféle r0 sugarú gömb a t0 időpontban.
Van egy r sugarú gömb0,és ennek a gömbnek bármely pontjáról fénysugarakat bocsátanak ki, amelyek be- és kimennek.Vagyis a fény hullámfrontját kapjuk, amely befelé megy - egy összehúzódó gömb, és kifelé megy - egy táguló gömb. De képzelje el, hogy az adott pillanatban a tér rétegzett
mint egy hagyma.A t0 időpontban egy r0 sugarú gömböt veszünk, amelynek felületéről sugarak áradnak ki. A befelé menők egy r0 - Δr sugarú frontot alkotnak, a kifelé menők pedig egy r0 + Δr sugarú frontot. Ezeknek a vonalaknak a függőleges tengelyhez viszonyított dőlése 45 fok, mivel a terjedési sebesség megegyezik a fény sebességével.
Ha olyan részecskével van dolgunk, hogynem terjed a fénysebességgel, akkor a fénysebességnél nagyobb sebességgel nem tud mozogni, és ennek megfelelően bármely irányban mozoghat ezen a szögön belül.
.Ha ábránk segítségével képzeletbeli fénysugarakat rajzolunk, akkor egy képzeletbeli rácsot kapunk.Ez a kép világossá teszi, miért választottam a sugarakatSveta. Képzeljük el, hogy a fény helyett más részecskéket választanék, amelyeknek tömegük van, akkor a koordináta-rácsban kétértelműség jelenne meg: a részecskék bármilyen sebességgel mozoghatnak. Milyen előnyei vannak a fénynek? Mert az irányban kétértelmű választás van: vagy kifelé, vagy befelé, és utána egyértelműen rögzül a rács.
Hogyan változtatja meg a csillag jelenléte a sugárzást?Képzeljük el, hogy van egy csillaga test rtest sugara. Ez azt jelenti, hogy kitölti az összes sugarat az rtestig, mert ott van valami anyag. Egy adott pillanatban - például t = 0 - a csillag egyszerűen szegmensnek tűnik. Ha minden időpontot figyelembe vesz, kap egy csíkot. Most képzeljük el, mi fog történni a fénysugarakkal egy gravitációs test jelenlétében. A fénysugarak pirossal vannak rajzolva, ahogyan a csillag hiányában néznének ki. És lila - fénysugarak gravitációs test jelenlétében. Általános megfontolások alapján több következtetés is levonható: a gravitációs test torzítja a fénysugarakat, és azok a sugarak, amelyek közelebb vannak a csillaghoz, erősebben torzulnak, mint a távolabbiak. Ezért a csillagtól távol az ibolya sugarak gyakorlatilag nem különböznek a vörös sugaraktól.
Képzelje el, hogy a test tömege elkezd változni, és a sugár rögzül.A tömeg növekedni fog, és minél nagyobb, annál erősebba test befolyásolja a sugarakat. Egy ponton a tömeg annyira megnő, hogy a következő jelenség következik be. Egy ponton egy sarok a fenekén lesz, vagyis egyszerűen függőleges. Az ibolya sugarak kibocsátási pontját nem a horizont sugarában vettem, hanem kissé beljebb, így a sugár nem függőlegesen megy, hanem torz.
Jelenleg a fekete lyuk tömegének növekedésének nincs határa. Legalábbis nem tudjuk.Talán az a lényeg, hogy bármelyika természettudományos elméletnek vannak alkalmazhatósági korlátai, ami azt jelenti, hogy különösen a relativitáselmélet valahol a fekete lyukon belül veszíti el alkalmazhatóságát. Az általános relativitáselmélet nagyon közel ahhoz a régióhoz, ahol a fekete lyuk tömege koncentrálódik, elveszti alkalmazhatóságát. De hogy ez milyen sugáron történik, és mi váltja fel az általános relativitáselméletet, nem ismert. Az sem zárható ki, hogy ha a fekete lyuk tömege nagyon megnő, akkor valami megváltozik.
Az első felmerülő kérdés: hova tűnt a csillag?Mivel bármely tömegű részecske pályája lehetcsak ebben a sarokban legyen, így mozog (piros szín - „High-Tech”), és középre talál. Ha egy tömegű részecske elkerülhetetlenül a középpontba ütközik bármely pontból, akkor a teljes tömeg, a csillag teljes teste a középpontba préselődik.
A probléma az, hogy az r és ct koordináták csak egy bizonyos területen alkalmazhatók, azon túl pedig már nem.Képzelje el, mi van a Föld felszínénmeridiánok és párhuzamok vannak, és segítségükkel bármilyen tárgy helyzetét megtalálhatja. De a felszínen van egy barlang, amely mélyebbre megy, és a feladat a légy helyzetének meghatározása ebben a barlangban. A hosszúság és szélesség már nem alkalmas erre, most meg kell adnia egy új koordinátarácsot. Van némi helyettesítés: r és t használatával rajzoltam képet a jelenség bemutatására, de fontos, hogy már ne legyenek r és t koordináták, de vannak más koordináták, amelyek leírják a fekete lyukon belüli viselkedést. Ez azt jelenti, hogy az idő nem függőlegesen irányul, hanem a tengely felé áramlik, és ezt ezek a sarkok mutatják.
A fekete lyuk tér-idejének koordinátarácsának megszerzéséhez statikus képet készíthet, és egymás után ismételve, egymáshoz "ragaszthatja".A kimenő sugarakat lilával rajzoljuk, éspiros - a belépők. A függőleges sugár egyben fénysugár is, a horizont. Ezek a lila vonalak két csoportra oszthatók. A kifelé irányulóak a végtelenbe, a befelé irányulóak pedig a 0-val egyenlő r-hez mennek. Ez a jelenség egy fekete lyuk.
Mi történik egy tárggyal, amikor fekete lyukba esik?
Képzelje el, hogy egy tárgy lóg egy fekete lyuk felett, és az órája ketyeg, vagy a tárgy a fekete lyukhoz repült és visszatért, és az órája is ketyeg.Az óra alapján meg tudom mondani, mennyi idő telt elezen objektumok mindegyike. Csak kiszámolom a vonal hosszát, amelyet ezen a diagramon húzott, és elosztom a fénysebességgel. A lógó egyszerre mozog, a repülő máskor fut. Például az egyiknél több óráig tarthat, míg a másiknál évekig. Mint az Interstellar című filmben. Hasonló jelenséget látunk a Földön is, de ez nem hajlítja meg annyira a téridőt. Ez észrevehető a globális helymeghatározó rendszerekben: a globális helymeghatározó rendszerben részt vevő műholdak órái más időt mutatnak. Ha műholdra repülök és visszatérek, az órám a műholdtól eltérő időt mutat. Ezt a jelenséget figyelembe veszik a GPS működéséhez.
Egy fekete lyuk felett lógó megfigyelő órája szerint végtelen hosszú idő telik el, miközben egy fekete lyukba eső tárgyat figyel.Egy tárgy, amely soha nem esik fekete lyukbaátlépi az eseményhorizontot. Egyre közelebb kerül, mint Akhilleusz a teknős mögött, de eléri. Az objektum órája szerint véges idő telik el. Hogyan lehet ezt megállapítani? Mérje meg az egyenlő párhuzamosok és a meridiánok közötti világvonal hosszát! Minél hosszabb ez a szegmens, annál ívesebb. Az objektum repül, az óráján az időintervallumok ketyegnek - a grafikonon ezek olyan párhuzamok, amelyek a világvonal mentén egyenlő Δt időközökkel helyezkednek el. De ahol a megfigyelő van, az időintervallum növekszik, és ahogy közeledünk az eseményhorizonthoz, az időintervallum korlátlanul nő. Abban a pillanatban, amikor egy tárgy átlépi egy fekete lyuk eseményhorizontját, egy képzeletbeli fénysugár függőlegesen halad a horizonton, és soha nem lépi át ezt a vonalat. Ezért a megfigyelő soha nem fogja látni a metszés pillanatát, és a leeső tárgy szempontjából véges számú időintervallum telik el. Ez a jelenség misztikusnak tűnik, de amikor azt mondják, hogy az idő különböző módon telik. Ez nem teljesen helyes. Az idő nem lassul, a tárgy nem kezd el lassabban mozogni. Ketyegett és ketyegett az idő, csak az én órám szerint egy dolog ketyeg, a másik órája szerint pedig valami más.
Az Interstellarban van egy pillanat, amikor a főszereplő fekete lyukba esett.Ha jól értem, ő repült a központba, és nemszétszakadt. Miközben zuhant, közel repült ehhez az akkréciós anyaghoz, az akkréciós koronghoz, amit látunk, és ha jól értem, a kemény röntgentartományban bocsát ki. A film hőse mégis megkapta ezt a sugárzást, és valószínűleg elég erős. Egyrészt besugározták, másrészt a kint tartózkodó társai szemszögéből végtelenül sokáig repült. De a valóságban ez egy véges időre esik. Aztán a közepébe ütközött anélkül, hogy szétszakadt volna. A film tanácsadója, Kip Thorne fizikus abból indul ki, hogy nem tudjuk, mi történik az eseményhorizont alatt, ami azt jelenti, hogy bármi lehet, például egy ötödik dimenziós világ.
Kidolgozhat egy ütköző fekete lyukat? Az ellenkezője nem bizonyított!
2008-ban sokan hallottak Rossler fizikusról, aki aktívan próbálta leállítani a nagy hadronütközt.Még a német kormányt is megpróbálta beperelni.Ez valóban komoly kockázatot jelentett, mert nyerhetett a bíróságon, ami azt jelenti, hogy a CERN költségvetésének 10%-a egyszerűen eltűnhet. De a CERN is elfordult Roslertől, és a Max Planck Intézet igazgatója egyszer azt mondta, hogy ezt nem szabad a véletlenre bízni, és beszélni kell Roslerrel. Ráadásul ez a tudós képzett, matematikus fizikus. Még egy nemlineáris attraktorja is van, amely a nevét viseli. Az LHC elleni ellenérvként egy vicces tényt említett. A kozmikus sugarak energiája nagyobb, mint a CERN-ben. Ezért valami becsapódik a Földön, esetleg fekete lyuk képződik, de nagy sebességgel kirepül a bolygóról és elrepül valahova, így nem látjuk. De nem minden történik a tömegközéppontban, így ütközés esetén egy fekete lyuk ott maradhat a Földön, ott fog ülni, és apránként felfal minket. Az Albert Einstein Intézet igazgatója több embert összegyűjtött, köztük engem is, és meg kellett „fojtani” ezt a Rosslert, és meggyőzni, hogy tévedett. A bírósághoz azonban nem fordult.
Az elmélet azt jósolja, hogy ez a fekete lyuk, amely az ütköző ütközésének eredményeként keletkezhet, azonnal szétesik.Mivel nagyon mikroszkopikus, így leszHawking szerint nagyon intenzíven bocsátanak ki, és gyorsan lebomlanak. Rossler azt mondta, hogy Hawking bolond volt és tévedett. A lyuk ott fog ülni és enni, más dolog, hogy kicsi volt, így csak azt tudja megenni, ami kisebb, de ez is eltart egy ideig. Először valami aprót kell ennie, majd lassan nőni, majd nagyobbat, és így tovább. És ez a beszélgetési stratégia valóban nyerőnek tűnt, különösen a bíróságon. Nem zárjuk ki, hogy fekete lyuk még mindig kialakul, Hawking téved, és nem bomlik el. Nem igazán teszteltünk semmit kísérletileg. Ezek mind csak elméleti viták.
Lásd még:
Létrehozták az első pontos világtérképet. Mi a baj mindenki mással?
Elon Musk: meghalnak az első turisták a Marsra
A "Skylab" kínai űrállomás nagy törmelékei a Földre repülnek