איך מתנהג מרחב זמן ליד כוכב
כדי להבין מה זה חור שחור, אתה צריך
דוגמה למרחב הומוגני הוא ואקום: חלל שאין בו חלקיקים.האור בו, על פי העיקרון של פרמה, חייב לנועלאורך השביל הקצר ביותר. אם האור נע במרחב שטוח, כלומר דו מימדי ולא מעוקל, הנתיב הקצר ביותר יהיה קו ישר. אבל מסתבר שבנוכחות עצמים כבידה, האור אינו נע בקו ישר: קרני האור מכופפות. זה נובע מהעובדה שגופים כבידה מכופפים את המרחב-זמן.
במכניקה ניוטונית, המרחק בחלל נמדד בנפרד והזמן נמדד בנפרד.למה אנחנו צריכים את זה?כדי, למשל, לקבוע את נתיב הטיסה של חלקיק, גרעין, רקטה או כלי טיס. תורת היחסות המיוחדת קובעת שאין דרך נפרדת למדידת מרחק וזמן, אלא יש דרך אחת למדידת מרחקים במרחב-זמן. כשמדברים על רצף המרחב-זמן, מדברים על מרחב ארבע-ממדי: שלוש קואורדינטות פלוס קואורדינטת זמן. אבל לא מאוד ברור איך לצייר מרחב-זמן ארבעה ממדי על משטח דו מימדי. אנו יודעים שניתן לקבוע את המיקום במרחב על ידי שלוש קואורדינטות: x, y, z הן קואורדינטות קרטזיות. מצד שני, אנו יכולים לקבוע במדויק את מיקומה של נקודה במרחב באמצעות קואורדינטות כדוריות. לכן, ניתן להשתמש רק בקואורדינטת r ובקואורדינטת הזמן. התוצאה היא חצי מישור, כי r תמיד גדול מ-0, והזמן יכול להיות ממינוס ועד פלוס אינסוף. נקודה במרחב הזה היא התחום הזה. לדוגמה, בזמן t0, אם אני מחשיב נקודה r0 בחצי המישור הזה, אז זה פשוט סוג של כדור ברדיוס r0, שנלקח בזמן t0.
יש כדור של רדיוס r0,ומכל נקודה של הכדור הזה נפלטות קרני אור, הנכנסות והחוצות.כלומר מתקבל חזית של אור שנכנס פנימה - כדור מתכווץ, ויוצא החוצה - כדור מתרחב. אך דמיין שבכל רגע נתון החלל מרובד
כמו בצל.בזמן t0 נלקח כדור ברדיוס r0, שמפני השטח שלו נובעות קרניים. אלה שהולכים פנימה יוצרים חזית עם רדיוס r0 - Δr, ואלה שהולכים כלפי חוץ יוצרים חזית עם רדיוס r0 + Δr. הנטייה של קווים אלו ביחס לציר האנכי היא 45 מעלות מכיוון שמהירות ההתפשטות שווה למהירות האור.
אם אנו עוסקים בחלקיק זהאינו מתפשט במהירות האור, אז הוא לא יכול לנוע במהירות גדולה יותר ממהירות האור, ובהתאם, יכול לנוע לכל כיוון בתוך זווית זו.
.אם נצייר קרני אור דמיוניות באמצעות התרשים שלנו, נקבל רשת דמיונית.תמונה זו מבהירה מדוע בחרתי בקרנייםסווטה. תארו לעצמכם שבמקום אור הייתי בוחר כמה חלקיקים אחרים בעלי מסה, אז תופיע אי בהירות ברשת הקואורדינטות: חלקיקים יכולים לנוע בכל מהירות. מהם היתרונות של האור? כי יש בחירה מעורפלת בכיוון: או החוצה או פנימה, ואחרי זה הרשת קבועה חד משמעית.
כיצד נוכחות כוכב משנה קרינה?בואו נדמיין שיש כוכב עםרדיוס הגוף rbody. זה אומר שהוא ממלא את כל הרדיוסים עד לגוף rbody, כי יש שם חומר כלשהו בפנים. ברגע נתון בזמן - למשל, t = 0 - הכוכב נראה פשוט כמו קטע. אם אתה מחשיב את כל נקודות הזמן, אתה מקבל רצועה. עכשיו בואו נדמיין מה יקרה לקרני האור בנוכחות גוף משיכה. קרני האור מצוירות באדום כפי שהיו נראות בהיעדר הכוכב. וסגול - קרני אור בנוכחות גוף משיכה. משיקולים כלליים ניתן להסיק מספר מסקנות: גוף משיכה מעוות את קרני האור, ואותן קרניים הקרובות יותר לכוכב מעוותות חזק יותר מאלו שנמצאות רחוק יותר. לכן, הרחק מהכוכב, קרניים סגולות כמעט ואינן שונות מאלו האדומות.
תארו לעצמכם שמסת הגוף תתחיל להשתנות, והרדיוס יתקבע.המסה תגדל, וככל שהיא גדולה יותר, כך חזקה יותרהגוף ישפיע על הקרניים. בשלב מסוים המסה תגדל עד כדי כך שתתרחש התופעה הבאה. בשלב מסוים, פינה כלשהי תהיה על התחת שלה, כלומר, פשוט אנכית. לקחתי את נקודת פליטת הקרניים הסגולות לא ברדיוס האופק, אלא מעט פנימה, כך שהקרן לא הולכת אנכית, אלא מתעוותת.
כרגע, אין גבולות לעלייה במסה של חור שחור. לפחות אנחנו לא יודעים.אולי הנקודה היא שכללתיאוריית מדעי הטבע יש מגבלות של ישימות, מה שאומר שבפרט, תורת היחסות מאבדת את ישימותה איפשהו בתוך חור שחור. תורת היחסות הכללית מאבדת את ישימותה קרוב מאוד לאזור שבו מרוכזת כמעט כל המסה של החור השחור. אבל באיזה רדיוס זה קורה ומה מחליף את תורת היחסות הכללית לא ידוע. גם לא ניתן לשלול שאם המסה של החור השחור תגדל מאוד, משהו ישתנה.
השאלה הראשונה שצריכה להתעורר: לאן נעלם הכוכב?מאז המסלול של כל חלקיק עם מסה יכוללהיות רק בתוך הפינה הזו, הוא זז כך (צבע אדום - "היי-טק") ופוגע במרכז. אם חלקיק בעל מסה פוגע בהכרח במרכז מכל נקודה, אז כל המסה, כל גוף הכוכב, תידחס למרכז.
הבעיה היא שהקואורדינטות r ו-ct ישימות רק באזור מסוים, ומעבר לזה הן כבר לא ישימות.דמיין מה יש לך על פני כדור הארץיש מרידיאנים ומקבילים, ובעזרתם אתה יכול למצוא את המיקום של כל אובייקט. אך על פני השטח יש מערה שהולכת עמוק יותר, והמשימה היא לקבוע את מיקום הזבוב במערה זו. אורך וקו רוחב כבר לא מתאימים לכך, עכשיו עליך להזין רשת קואורדינטות חדשה. יש תחליף כלשהו: ציירתי תמונה באמצעות r ו- t כדי להראות את התופעה, אך חשוב שכבר לא יהיו קואורדינטות r ו- t, אך יש כמה קואורדינטות אחרות המתארות את ההתנהגות בתוך החור השחור. המשמעות היא שזמן לא מכוון אנכית, אלא זורם לכיוון הציר, וזה מוצג על ידי פינות אלה.
כדי לקבל רשת קואורדינטות למרחב-הזמן של חור שחור, אתה יכול לצלם תמונה סטטית ולחזור בזה אחר זה, "להדביק" אחד את השני.קרניים יוצאות מצוירות בסגול, ואדום - הנכנסים פנימה. קרן אנכית היא גם קרן אור, האופק. קווים סגולים אלה מחולקים לשתי קבוצות. אלה שמכוונים החוצה הולכים לאינסוף, ואלו שמכוונים פנימה והולכים ל-r שווה ל-0. תופעה זו היא חור שחור.
מה קורה לאובייקט כשהוא נופל לתוך חור שחור
תאר לעצמך שאובייקט תלוי מעל חור שחור, והשעון שלו מתקתק, או שהאובייקט טס לחור השחור וחזר, וגם השעון שלו תקתק.אני יכול לדעת כמה זמן עבר לפי השעוןכל אחד מהאובייקטים הללו. אני רק אחשב את אורך הקו שהוא שרטט בתרשים הזה ואחלק במהירות האור. זה שהיה תלוי זז בזמן אחד, והמעופף רץ בזמן אחר. לדוגמה, עבור אחד זה עשוי לקחת מספר שעות, בעוד עבור אחר זה עשוי לקחת שנים. כמו בסרט Interstellar. אנו רואים תופעה דומה על כדור הארץ, אבל היא לא מכופפת את המרחב-זמן כל כך. זה בולט במערכות מיקום גלובליות: השעונים בלוויינים המשתתפים במערכת המיקום הגלובלית מראים זמן שונה. אם אני טס ללוויין וחוזר, השעון שלי מציג זמן שונה מהלוויין. תופעה זו נלקחת בחשבון על מנת שה-GPS יפעל.
על פי השעון של צופה שתלוי מעל חור שחור, זמן אינסופי עובר בזמן שהוא צופה באובייקט שנופל לחור שחור.חפץ שנופל לחור שחור אף פעםחוצה את אופק האירועים. הוא מתקרב יותר ויותר, כמו אכילס מאחורי הצב, אבל הוא יכול להגיע אליו. לפי השעון של החפץ, הזמן האחרון יעבור. איך לקבוע זאת? מדוד את אורך קו העולם בין מקבילים שווים למרידיאנים. ככל שהקטע הזה ארוך יותר, כך הוא מעוקל יותר. העצם עף, מרווחי זמן מתקתקים על השעון שלו - בגרף אלו מקבילות שמרווחות לאורך קו העולם במרווחי זמן שווים Δt. אבל היכן שהצופה נמצא, מרווח הזמן גדל, וככל שמתקרבים לאופק האירועים, מרווח הזמן גדל ללא הגבלה. ברגע שבו חפץ חוצה את אופק האירועים של חור שחור, קרן אור דמיונית נעה אנכית לאורך האופק ולעולם לא חוצה את הקו הזה. לכן, המתבונן לעולם לא יראה את רגע ההצטלבות, ומנקודת מבטו של העצם הנופל, עובר מספר סופי של מרווחי זמן. התופעה הזו נראית מיסטית, אבל כשאומרים שהזמן זורם בדרכים שונות. זה לא לגמרי נכון. הזמן לא מאט, האובייקט לא מתחיל לנוע לאט יותר. הזמן מתקתק ומתקתק, רק שלפי השעון שלי דבר אחד מתקתק, ולפי שעונים של אחרים משהו אחר מתקתק.
בבין כוכבים, יש רגע בו הדמות הראשית נפלה לחור שחור.לפי הבנתי הוא טס למרכז ולא היהנקרע. בזמן שהוא נפל, הוא עף קרוב לחומר ההצטברות הזה, דיסק ההצטברות, שאנו רואים, ולפי הבנתי, הוא פולט בטווח הרנטגן הקשה. גיבור הסרט בכל זאת קיבל את הקרינה הזו, וכנראה די חזקה. ראשית, הוא הוקרן, ושנית, מנקודת מבטם של חבריו שהיו בחוץ, הוא טס לזמן אינסופי. אבל במציאות זה נופל בתוך זמן סופי. ואז זה פגע במרכז מבלי להיקרע. יועץ הסרט, הפיזיקאי קיפ תורן, יוצא מהעובדה שאיננו יודעים מה קורה תחת אופק האירועים, מה שאומר שיכול להיות כל דבר, למשל, עולם מממד חמישי.
האם מתנגש יכול להוליד חור שחור? ההפך לא הוכח!
בשנת 2008 שמעו רבים על הפיזיקאי רוסלר, שניסה באופן פעיל לסגור את קולידר הדרון הגדול.הוא אפילו ניסה לתבוע את ממשלת גרמניה.זה היה סיכון ממש רציני, כי הוא יכול לנצח בבית המשפט, מה שאומר ש-10% מהתקציב של CERN פשוט עלולים להיעלם. אבל גם CERN התרחק מרוסלר, ומנהל מכון מקס פלנק אמר פעם שאין להשאיר זאת ליד המקרה ושצריך לדבר עם רוסלר. יתר על כן, המדען הזה הוא אדם מוסמך, פיזיקאי מתמטי. יש לו אפילו אטרקטור לא ליניארי הנושא את שמו. הוא ציין עובדה מצחיקה כטיעון נגד נגד ה-LHC. שלקרניים קוסמיות יש אנרגיות גבוהות יותר מאשר ב-CERN. לכן, משהו יתרסק על פני כדור הארץ, ואולי יווצר חור שחור, אבל הוא עף מהכוכב במהירות גדולה ועף לאנשהו, אז אנחנו לא רואים אותו. אבל לא הכל קורה במרכז המסה, אז במקרה של התנגשות, עלול להישאר שם חור שחור על פני כדור הארץ, הוא ישב שם ולאט לאט יטרוף אותנו. מנהל מכון אלברט איינשטיין אסף כמה אנשים, כולל אותי, והיינו צריכים "לחנוק" את הרוסלר הזה ולשכנע אותו שהוא טועה. עם זאת, הוא לא פנה לבית המשפט.
התיאוריה צופה כי החור השחור הזה, שעלול להיווצר כתוצאה מהתנגשות במתנגש, יתפורר מיד.מכיוון שהוא מאוד מיקרוסקופי, זה יהיהפולט בעוצמה רבה על פי הוקינג ויתכלה במהירות. רוסלר אמר שהוקינג היה טיפש וטועה. החור ישב שם ויאכל, דבר נוסף הוא שהוא היה קטן, אז הוא יכול לאכול רק מה שקטן ממנו, אבל זה גם לוקח קצת זמן. זה צריך קודם לאכול משהו קטן, ואז לאט לאט לגדול, ואז גדול יותר, וכן הלאה. ונראה היה שאסטרטגיית השיחה הזו באמת מנצחת, במיוחד בבית המשפט. אנחנו לא פוסלים שעדיין נוצר חור שחור, שהוקינג טועה ושהוא לא מתכלה. לא באמת בדקנו שום דבר בניסוי. כל אלה הם רק דיונים תיאורטיים.
ראה גם:
המפה המדויקת הראשונה של העולם נוצרה. מה רע בכולם?
אילון מאסק: התיירים הראשונים למאדים ימותו
פסולת גדולה של תחנת החלל הסינית "Skylab" טסה לכדור הארץ