Hoe ruimte-tijd zich gedraagt naast een ster
Om te begrijpen wat een zwart gat is, heb je nodig
Een voorbeeld van een homogene ruimte is een vacuüm: een leegte waarin zich geen deeltjes bevinden.Het licht erin moet volgens het principe van Fermat bewegenlangs de kortste weg. Als licht zich in een vlakke ruimte beweegt, dat wil zeggen tweedimensionaal en niet-gekromd, zal het kortste pad een rechte lijn zijn. Maar het blijkt dat licht in de aanwezigheid van zwaartekrachtobjecten niet in een rechte lijn beweegt: de lichtstralen zijn gebogen. Dit komt door het feit dat zwaartekrachtlichamen de ruimte-tijd buigen.
In de mechanica van Newton wordt afstand in de ruimte afzonderlijk gemeten en wordt tijd afzonderlijk gemeten.Waarom hebben we dit nodig?Om bijvoorbeeld de vliegbaan van een deeltje, kern, raket of vliegtuig te bepalen. De speciale relativiteitstheorie stelt dat er geen aparte manier is om afstand en tijd te meten, maar wel één manier om afstanden in ruimte-tijd te meten. Als we het hebben over het ruimte-tijdcontinuüm, hebben we het over een vierdimensionale ruimte: drie coördinaten plus een tijdcoördinaat. Maar het is niet erg duidelijk hoe je vierdimensionale ruimte-tijd op een tweedimensionaal oppervlak kunt tekenen. We weten dat de positie in de ruimte kan worden bepaald door drie coördinaten: x, y, z zijn cartesiaanse coördinaten. Aan de andere kant kunnen we met behulp van bolcoördinaten nauwkeurig de positie van een punt in de ruimte bepalen. Daarom kunnen alleen de r-coördinaat en de tijdcoördinaat worden gebruikt. Het resultaat is een halfvlak, omdat r altijd groter is dan 0, en de tijd kan variëren van min tot plus oneindig. Een punt in deze ruimte is deze bol. Als ik bijvoorbeeld op tijdstip t0 een punt r0 op dit halve vlak beschouw, dan is het eenvoudigweg een soort bol met straal r0, genomen op tijdstip t0.
Er is een bol met straal r0,en vanuit elk punt van deze bol worden lichtstralen uitgezonden, die in en uit gaan.Dat wil zeggen, er wordt een golffront van licht verkregen dat naar binnen gaat - een samentrekkende bol en naar buiten gaat - een uitdijende bol. Maar stel je voor dat de ruimte op een gegeven moment gestratificeerd is
als een ui.Op tijdstip t0 wordt een bol met straal r0 genomen, vanaf het oppervlak waaruit stralen voortkomen. Degenen die naar binnen gaan vormen een front met een straal r0 - Δr, en degenen die naar buiten gaan vormen een front met straal r0 + Δr. De helling van deze lijnen ten opzichte van de verticale as is 45 graden omdat de voortplantingssnelheid gelijk is aan de lichtsnelheid.
Als we te maken hebben met een deeltje datplant zich niet voort met de lichtsnelheid, dan kan het niet bewegen met een snelheid die groter is dan de lichtsnelheid en kan het dienovereenkomstig in elke richting binnen deze hoek bewegen.
.Als we denkbeeldige lichtstralen tekenen met behulp van ons diagram, krijgen we een denkbeeldig raster.Deze foto maakt duidelijk waarom ik voor roggen heb gekozenSveta. Stel je voor dat ik in plaats van licht een aantal andere deeltjes zou kiezen die massa hebben, dan zou er een dubbelzinnigheid verschijnen in het coördinatenraster: deeltjes kunnen met elke snelheid bewegen. Wat zijn de voordelen van licht? Omdat er een dubbelzinnige keuze is in de richting: naar buiten of naar binnen, en daarna ligt het raster ondubbelzinnig vast.
Hoe verandert de aanwezigheid van een ster de straling?Laten we ons voorstellen dat er een ster bij zitstraal van het lichaam. Dit betekent dat het alle stralen tot aan het lichaam vult, omdat daarbinnen een substantie zit. Op een bepaald moment (bijvoorbeeld t = 0) ziet de ster er eenvoudigweg uit als een segment. Als je alle punten in de tijd in ogenschouw neemt, krijg je een strip. Laten we ons nu eens voorstellen wat er zal gebeuren met lichtstralen in de aanwezigheid van een zwaartekrachtlichaam. De lichtstralen zijn rood getekend, zoals ze eruit zouden zien zonder de ster. En violet - lichtstralen in de aanwezigheid van een aantrekkend lichaam. Uit algemene overwegingen kunnen verschillende conclusies worden getrokken: een zwaartekrachtlichaam vervormt de lichtstralen, en de stralen die zich dichter bij de ster bevinden, worden sterker vervormd dan de stralen die verder weg staan. Daarom verschillen violette stralen, ver van de ster, praktisch niet van rode.
Stel je voor dat de massa van het lichaam zal beginnen te veranderen en dat de straal zal worden vastgesteld.De massa zal groeien, en hoe groter deze is, hoe sterkerhet lichaam zal de stralen beïnvloeden. Op een gegeven moment zal de massa zo sterk toenemen dat het volgende fenomeen zal optreden. Op een gegeven moment zal een hoek op zijn kont liggen, dat wil zeggen gewoon verticaal. Ik heb het emissiepunt van de violette stralen niet in de straal van de horizon genomen, maar iets daarbinnen, zodat de straal niet verticaal gaat, maar vervormd is.
Op dit moment zijn er geen grenzen aan de toename van de massa van een zwart gat. Wij weten het tenminste niet.Misschien is het punt dat er een iseen natuurwetenschappelijke theorie heeft grenzen aan de toepasbaarheid, wat betekent dat met name de relativiteitstheorie ergens in een zwart gat haar toepasbaarheid verliest. De algemene relativiteitstheorie verliest haar toepasbaarheid zeer dicht bij het gebied waar bijna alle massa van het zwarte gat geconcentreerd is. Maar op welke straal dit gebeurt en wat de algemene relativiteitstheorie vervangt, is onbekend. Ook valt niet uit te sluiten dat als de massa van het zwarte gat heel erg toeneemt, er iets gaat veranderen.
De eerste vraag die zou moeten rijzen: waar is de ster gebleven?Omdat het traject van elk deeltje met massa dat kanAls je alleen in deze hoek bent, beweegt het zo (rode kleur - "High-Tech") en raakt het midden. Als een deeltje met massa onvermijdelijk vanaf welk punt dan ook het centrum raakt, zal de hele massa, het hele lichaam van de ster, in het centrum worden samengedrukt.
Het probleem is dat de r- en ct-coördinaten alleen in een bepaald gebied van toepassing zijn, en daarbuiten niet langer van toepassing zijn.Stel je voor wat je op het aardoppervlak hebter zijn meridianen en parallellen, en met hun hulp kun je de positie van elk object vinden. Maar aan de oppervlakte is er een grot die dieper gaat, en het is de taak om de positie van de vlieg in deze grot te bepalen. Lengtegraad en breedtegraad zijn hier niet meer geschikt voor, nu moet je een nieuw coördinatenraster invoeren. Er is enige substitutie: ik heb een tekening gemaakt met r en t om het fenomeen te laten zien, maar het is belangrijk dat er geen coördinaten r en t meer zijn, maar er zijn enkele andere coördinaten die het gedrag binnen het zwarte gat beschrijven. Dit betekent dat de tijd niet verticaal is gericht, maar naar de as stroomt, en dit wordt aangegeven door deze hoeken.
Om een coördinatenraster voor de ruimte-tijd van een zwart gat te krijgen, kun je een statische foto maken en de een na de ander herhalen, waarbij je de een aan de ander "lijmt".Uitgaande stralen zijn paars getekend, enrood - degenen die binnenkomen. Een verticale straal is ook een lichtstraal, de horizon. Deze paarse lijnen zijn verdeeld in twee groepen. Degenen die naar buiten gericht zijn, gaan naar oneindig, en degenen die naar binnen gericht zijn, gaan naar r gelijk aan 0. Dit fenomeen is een zwart gat.
Wat gebeurt er met een object als het in een zwart gat valt?
Stel je voor dat een object boven een zwart gat hangt, en zijn klok tikt, of het object vloog naar het zwarte gat en keerde terug, en zijn klok tikte ook.Ik kan aan de klok zien hoeveel tijd er is verstrekenelk van deze objecten. Ik bereken gewoon de lengte van de lijn die hij in dit diagram tekende en deel deze door de snelheid van het licht. Degene die hing, beweegt de ene keer en de vliegende rent de andere keer. Voor de een kan het bijvoorbeeld enkele uren duren, terwijl het voor een ander jaren kan duren. Zoals in de film Interstellar. We zien een soortgelijk fenomeen op aarde, maar het verandert de ruimte-tijd niet zo veel. Dat is merkbaar bij global positioning systems: de klokken op satellieten die meedoen aan het global positioning system geven een andere tijd aan. Als ik naar een satelliet vlieg en terugkom, geeft mijn horloge een andere tijd aan dan die van de satelliet. Met dit fenomeen wordt rekening gehouden om GPS te laten werken.
Volgens de wacht van een waarnemer die boven een zwart gat hangt, verstrijkt een oneindig lange tijd terwijl hij een object in een zwart gat ziet vallen.Een object dat in een zwart gat valt, nooitde gebeurtenishorizon overschrijdt. Hij komt steeds dichterbij, net als Achilles achter de schildpad, maar hij kan er wel bij. Volgens de klok van het object zal de laatste tijd verstrijken. Hoe dit te bepalen? Meet de lengte van de wereldlijn tussen gelijke parallellen en meridianen. Hoe langer dit segment, hoe meer gebogen het is. Het object vliegt, de tijdsintervallen tikken op zijn klok - in de grafiek zijn dit parallellen die langs de wereldlijn met gelijke tijdsintervallen Δt uit elkaar liggen. Maar waar de waarnemer is, groeit het tijdsinterval, en naarmate men de gebeurtenishorizon nadert, groeit het tijdsinterval zonder beperking. Op het moment dat een object de waarnemingshorizon van een zwart gat kruist, beweegt een denkbeeldige lichtstraal zich verticaal langs de horizon en overschrijdt deze lijn nooit. Daarom zal de waarnemer het snijpunt nooit zien, en vanuit het gezichtspunt van het vallende object verstrijkt een eindig aantal tijdsintervallen. Dit fenomeen ziet er mystiek uit, maar als ze zeggen dat de tijd op verschillende manieren stroomt. Dit is niet helemaal correct. De tijd vertraagt niet, het object begint niet langzamer te bewegen. De tijd tikte en tikte, het is alleen dat volgens mijn horloge één ding tikt, en volgens de horloges van andere mensen tikt er iets anders.
In Interstellar is er een moment waarop de hoofdpersoon in een zwart gat viel.Zoals ik het begrijp, vloog hij naar het centrum en was dat nietverscheurd. Terwijl het viel, vloog het dichtbij deze accretiematerie, de accretieschijf, die we zien, en zoals ik het begrijp, zendt het straling uit in het harde röntgenbereik. Niettemin ontving de held van de film deze straling, en waarschijnlijk behoorlijk sterk. Ten eerste werd hij bestraald, en ten tweede vloog hij, vanuit het perspectief van zijn kameraden die buiten waren, oneindig lang. Maar in werkelijkheid valt het binnen een eindige tijd. En toen raakte het het midden zonder uit elkaar te worden gescheurd. De adviseur van de film, natuurkundige Kip Thorne, gaat uit van het feit dat we niet weten wat er gebeurt onder de gebeurtenishorizon, wat betekent dat er van alles kan zijn, bijvoorbeeld een vijfdimensionale wereld.
Zou een collider een zwart gat kunnen voortbrengen? Het tegendeel is niet bewezen!
In 2008 hoorden velen van de fysicus Rossler, die actief probeerde de Large Hadron Collider uit te schakelen.Hij probeerde zelfs de Duitse regering aan te klagen. Это был действительно серьезный риск, потому что он мог победить в суде, значит, и 10% бюджета ЦЕРНа могло просто исчезнуть. Но от Росслера отвернулся и ЦЕРН, а директор Института Макса Планка как-то сказал, что нельзя это пускать на самотек и нужно с Рослером побеседовать. При этом этот ученый — из квалифицированных, матфизик. У него даже есть нелинейный аттрактор, носящий его имя. Он в качестве контраргумента против БАК приводил забавный факт. Что космические лучи имеют большие энергии, чем в ЦЕРНе. Поэтому что-то там по Земле шандарахнет, а может, и черная дыра образуется, но она с огромной скоростью вылетает из планеты и куда-то улетает, поэтому мы ее не видим. Но не все происходит в центре масс, поэтому при столкновении там, на Земле может остаться черная дыра, она будет там сидеть и потихонечку нас пожирать. Директор института Альберта Эйнштейна собрал несколько человек, включая меня, и мы должны были «душить» этого Росслера и убедить его в том, что он не прав. В суд, правда, он не пошел.
De theorie voorspelt dat dit zwarte gat, dat gevormd zou kunnen worden als gevolg van een botsing in de collider, onmiddellijk uiteen zal vallen. Так как она очень микроскопическая, то будет zenden volgens Hawking zeer intens uit en zullen snel vergaan. Rossler zei dat Hawking een dwaas en een fout was. Het gat zal daar blijven zitten en eten, een ander ding is dat het klein was, dus het kan alleen eten wat kleiner is dan het, maar dit kost ook wat tijd. Hij moet eerst iets kleins eten, dan langzaam groeien, dan groter, enzovoort. En deze gespreksstrategie leek echt te winnen, vooral in de rechtszaal. We sluiten niet uit dat zich nog steeds een zwart gat vormt, dat Hawking ongelijk heeft en dat het niet vergaat. We hebben nog niet echt iets experimenteel getest. Dit zijn allemaal slechts theoretische discussies.
Zie ook:
De eerste nauwkeurige kaart van de wereld is gemaakt. Wat is er mis met de rest?
Elon Musk: de eerste toeristen naar Mars zullen sterven
Grote brokstukken van het Chinese ruimtestation "Skylab" vliegen naar de aarde