Come si comporta lo spazio-tempo accanto a una stella
Per capire cos'è un buco nero, è necessario
Un esempio di spazio omogeneo è il vuoto: un vuoto in cui non ci sono particelle.La luce al suo interno, secondo il principio di Fermat, deve muoversilungo il percorso più breve. Se la luce si muove in uno spazio piatto, cioè bidimensionale e non curvo, il percorso più breve sarà una linea retta. Ma si scopre che in presenza di oggetti gravitanti la luce non si muove in linea retta: i raggi luminosi sono piegati. Ciò è dovuto al fatto che i corpi gravitanti piegano lo spazio-tempo.
Nella meccanica newtoniana, la distanza nello spazio viene misurata separatamente e il tempo viene misurato separatamente.perché ne abbiamo bisogno?Per determinare, ad esempio, la traiettoria di volo di una particella, di un nucleo, di un razzo o di un aereo. La teoria della relatività speciale afferma che non esiste un modo separato per misurare la distanza e il tempo, ma esiste un unico modo per misurare le distanze nello spazio-tempo. Quando parliamo di continuum spazio-temporale, parliamo di spazio quadridimensionale: tre coordinate più una coordinata temporale. Ma non è molto chiaro come disegnare lo spazio-tempo quadridimensionale su una superficie bidimensionale. Sappiamo che la posizione nello spazio può essere determinata da tre coordinate: x, y, z sono coordinate cartesiane. D'altra parte, possiamo determinare con precisione la posizione di un punto nello spazio utilizzando le coordinate sferiche. Pertanto è possibile utilizzare solo la coordinata r e la coordinata temporale. Il risultato è un semipiano, perché r è sempre maggiore di 0 e il tempo può variare da meno a più infinito. Un punto in questo spazio è questa sfera. Ad esempio, al tempo t0, se considero un punto r0 su questo semipiano, allora si tratta semplicemente di una sorta di sfera di raggio r0, presa al tempo t0.
C'è una sfera di raggio r0,e da qualunque punto di questa sfera vengono emessi raggi di luce, che entrano ed escono.Cioè, si ottiene un fronte d'onda di luce che va verso l'interno - una sfera che si contrae e che va verso l'esterno - una sfera in espansione. Ma immagina che in un dato momento lo spazio sia stratificato
come una cipolla.Al tempo t0 si prende una sfera di raggio r0, dalla cui superficie emanano raggi. Quelli che vanno verso l'interno formano un fronte di raggio r0 - Δr, mentre quelli che vanno verso l'esterno formano un fronte di raggio r0 + Δr. L'inclinazione di queste linee rispetto all'asse verticale è di 45 gradi perché la velocità di propagazione è pari alla velocità della luce.
Se abbiamo a che fare con una particella quellanon si propaga alla velocità della luce, quindi non può muoversi a una velocità maggiore della velocità della luce e, di conseguenza, può muoversi in qualsiasi direzione all'interno di questo angolo.
.Se disegniamo raggi di luce immaginari usando il nostro diagramma, otterremo una griglia immaginaria.Questa immagine chiarisce perché ho scelto i raggiSveta. Immagina che invece della luce scelga altre particelle dotate di massa, nella griglia delle coordinate apparirà un'ambiguità: le particelle possono muoversi a qualsiasi velocità. Quali sono i benefici della luce? Perché c'è una scelta ambigua nella direzione: verso l'esterno o verso l'interno, dopodiché la griglia viene fissata in modo inequivocabile.
In che modo la presenza di una stella cambia la radiazione?Immaginiamo che ci sia una stella conraggio del corpo rbody. Ciò significa che riempie tutti i raggi fino al corpo, perché lì dentro c'è della sostanza. In un dato momento nel tempo, ad esempio t = 0, la stella appare semplicemente come un segmento. Se consideri tutti i punti nel tempo, ottieni una striscia. Immaginiamo ora cosa accadrà ai raggi di luce in presenza di un corpo gravitante. I raggi di luce sono disegnati in rosso come apparirebbero in assenza della stella. E viola: raggi di luce in presenza di un corpo gravitante. Da considerazioni generali si possono trarre diverse conclusioni: un corpo gravitante distorce i raggi luminosi e quei raggi più vicini alla stella vengono distorti più fortemente di quelli più lontani. Pertanto, lontano dalla stella, i raggi viola non sono praticamente diversi da quelli rossi.
Immagina che la massa del corpo inizi a cambiare e il raggio sarà fisso.La massa crescerà e quanto più grande sarà, tanto più forteil corpo influenzerà i raggi. Ad un certo punto la massa aumenterà così tanto che si verificherà il seguente fenomeno. Ad un certo punto, qualche angolo sarà sul fondo, cioè semplicemente verticale. Ho preso il punto di emissione dei raggi viola non nel raggio dell'orizzonte, ma leggermente all'interno, quindi il raggio non va verticalmente, ma risulta distorto.
Al momento non ci sono limiti all’aumento della massa di un buco nero. Almeno non lo sappiamo.Forse il punto è che qualsiasiuna teoria delle scienze naturali ha limiti di applicabilità, il che significa che, in particolare, la teoria della relatività perde la sua applicabilità da qualche parte all'interno di un buco nero. La relatività generale perde la sua applicabilità molto vicino alla regione in cui è concentrata quasi tutta la massa del buco nero. Ma non è noto in quale raggio ciò accada e cosa sostituisca la teoria generale della relatività. Inoltre non è da escludere che se la massa del buco nero aumentasse molto, qualcosa potrebbe cambiare.
La prima domanda che dovrebbe sorgere: dove è andata a finire la stella?Poiché la traiettoria di qualsiasi particella dotata di massa puòtrovarsi solo all'interno di questo angolo, si muove in questo modo (colore rosso - "High-Tech") e colpisce il centro. Se una particella dotata di massa colpisce inevitabilmente il centro da qualsiasi punto, l'intera massa, l'intero corpo della stella, verrà compresso nel centro.
Il problema è che le coordinate r e ct sono applicabili solo in una determinata area e oltre non sono più applicabili.Immagina cosa hai sulla superficie della Terraci sono meridiani e paralleli e con il loro aiuto puoi trovare la posizione di qualsiasi oggetto. Ma in superficie c'è una grotta che va più in profondità e il compito è determinare la posizione della mosca in questa grotta. Longitudine e latitudine non sono più adatte a questo, ora è necessario inserire una nuova griglia di coordinate. C'è qualche sostituzione: ho disegnato un'immagine usando r e t per mostrare il fenomeno, ma è importante che non ci siano più coordinate r e t, ma ci sono altre coordinate che descrivono il comportamento all'interno del buco nero. Ciò significa che il tempo non è diretto verticalmente, ma scorre verso l'asse, e questo è mostrato da questi angoli.
Per ottenere una griglia di coordinate per lo spazio-tempo di un buco nero, puoi scattare una foto statica e ripeterla una dopo l'altra, "incollandola" l'una all'altra.I raggi in uscita sono disegnati in viola erosso: quelli che entrano all'interno. Un raggio verticale è anche un raggio di luce, l'orizzonte. Queste linee viola sono divise in due gruppi. Quelli diretti verso l'esterno vanno all'infinito, mentre quelli diretti verso l'interno vanno fino a r uguale a 0. Questo fenomeno è un buco nero.
Cosa succede a un oggetto quando cade in un buco nero
Immagina che un oggetto sia sospeso su un buco nero e il suo orologio ticchetti, o che l'oggetto sia volato nel buco nero ed è tornato, e anche il suo orologio ticchettava.Posso dire quanto tempo è passato dall'orologiociascuno di questi oggetti. Calcolerò semplicemente la lunghezza della linea che ha tracciato su questo diagramma e la dividerò per la velocità della luce. Quello che era sospeso si muove in un momento, e quello volante corre in un altro momento. Ad esempio, per uno potrebbero volerci diverse ore, mentre per un altro potrebbero volerci anni. Come nel film Interstellar. Vediamo un fenomeno simile sulla Terra, ma non piega così tanto lo spazio-tempo. Ciò è evidente nei sistemi di posizionamento globale: gli orologi sui satelliti che partecipano al sistema di posizionamento globale mostrano un orario diverso. Se volo verso un satellite e ritorno, il mio orologio visualizza un'ora diversa da quella del satellite. Questo fenomeno viene preso in considerazione affinché il GPS funzioni.
Secondo l'orologio di un osservatore sospeso su un buco nero, passa un tempo infinitamente lungo mentre osserva un oggetto che cade in un buco nero.Un oggetto che cade in un buco nero maiattraversa l’orizzonte degli eventi. Si avvicina sempre di più, come Achille dietro la tartaruga, ma può raggiungerla. Secondo l'orologio dell'oggetto, il tempo finale passerà. Come determinarlo? Misurare la lunghezza della linea universale tra paralleli e meridiani uguali. Più lungo è questo segmento, più risulterà curvo. L'oggetto sta volando, gli intervalli di tempo ticchettano sul suo orologio: sul grafico questi sono paralleli distanziati lungo la linea del mondo da intervalli di tempo uguali Δt. Ma dove si trova l'osservatore, l'intervallo di tempo cresce, e man mano che ci si avvicina all'orizzonte degli eventi, l'intervallo di tempo cresce senza limiti. Nel momento in cui un oggetto attraversa l'orizzonte degli eventi di un buco nero, un raggio di luce immaginario viaggia verticalmente lungo l'orizzonte e non attraversa mai questa linea. Pertanto l'osservatore non vedrà mai il momento dell'intersezione e, dal punto di vista dell'oggetto in caduta, trascorrono un numero finito di intervalli di tempo. Questo fenomeno sembra mistico, ma quando si dice che il tempo scorre in modi diversi. Ciò non è del tutto corretto. Il tempo non rallenta, l'oggetto non inizia a muoversi più lentamente. Il tempo scorreva e ticchettava, solo che secondo il mio orologio ticchetta una cosa, e secondo gli orologi degli altri ticchetta qualcos'altro.
In Interstellar, c'è un momento in cui il personaggio principale è caduto in un buco nero.A quanto ho capito, è volato al centro e non lo erastrappato. Mentre cadeva, volò vicino a questa materia di accrescimento, il disco di accrescimento, che noi vediamo e, a quanto ho capito, emette nella gamma dei raggi X duri. L'eroe del film riceveva ancora questa radiazione, e probabilmente piuttosto forte. In primo luogo, è stato irradiato e, in secondo luogo, dal punto di vista dei suoi compagni che erano fuori, ha volato per un tempo infinitamente lungo. Ma in realtà rientra in un tempo finito. E poi ha colpito il centro senza essere fatto a pezzi. Il consulente del film, il fisico Kip Thorne, parte dal fatto che non sappiamo cosa sta succedendo sotto l'orizzonte degli eventi, il che significa che potrebbe esserci qualsiasi cosa, ad esempio un mondo di quinta dimensione.
Un collisore potrebbe generare un buco nero? Non è stato dimostrato il contrario!
Nel 2008, molti hanno sentito parlare del fisico Rossler, che stava attivamente cercando di spegnere il Large Hadron Collider.Ha anche provato a fare causa al governo tedesco.Questo era un rischio davvero serio, perché avrebbe potuto vincere in tribunale, il che significa che il 10% del budget del CERN potrebbe semplicemente scomparire. Ma anche il CERN si allontanò da Rosler, e il direttore del Max Planck Institute una volta disse che questo non doveva essere lasciato al caso e che era necessario parlare con Rosler. Inoltre, questo scienziato è qualificato, un fisico matematico. Ha anche un attrattore non lineare che porta il suo nome. Ha citato un fatto divertente come controargomentazione contro l'LHC. Che i raggi cosmici hanno energie più elevate che al CERN. Pertanto, qualcosa si schianterà sulla Terra e forse si formerà un buco nero, ma volerà fuori dal pianeta a grande velocità e volerà via da qualche parte, quindi non lo vediamo. Ma non tutto accade nel centro di massa, quindi in caso di collisione, un buco nero potrebbe rimanere lì sulla Terra, si siederà lì e poco a poco ci divorerà. Il direttore dell'Istituto Albert Einstein radunò diverse persone, me compreso, e dovemmo "strangolare" questo Rossler e convincerlo che aveva torto. Tuttavia non è andato in tribunale.
La teoria prevede che questo buco nero, che potrebbe formarsi a seguito di una collisione nel collisore, si disintegrerà immediatamente.Poiché è molto microscopico, lo faràemettono molto intensamente secondo Hawking e decadono rapidamente. Rossler ha detto che Hawking era uno sciocco e si sbagliava. Il buco si siederà lì e mangerà, un'altra cosa è che era piccolo, quindi può mangiare solo ciò che è più piccolo di lui, ma anche questo richiede del tempo. Dovrebbe prima mangiare qualcosa di piccolo, poi crescere lentamente, poi più grande e così via. E questa strategia di conversazione sembrava davvero vincente, soprattutto in tribunale. Non escludiamo che si formi ancora un buco nero, che Hawking abbia torto e che non decada. Non abbiamo realmente testato nulla sperimentalmente. Queste sono solo discussioni teoriche.
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