Jak czasoprzestrzeń zachowuje się obok gwiazdy
Aby zrozumieć, czym jest czarna dziura, potrzebujesz
Przykładem jednorodnej przestrzeni jest próżnia: pustka, w której nie ma cząstek.Światło w nim, zgodnie z zasadą Fermata, musi się poruszaćpo najkrótszej ścieżce. Jeśli światło porusza się w przestrzeni płaskiej, czyli dwuwymiarowej i niezakrzywionej, najkrótszą drogą będzie linia prosta. Okazuje się jednak, że w obecności grawitujących obiektów światło nie porusza się po linii prostej: promienie światła są załamane. Dzieje się tak dlatego, że ciała grawitacyjne zaginają czasoprzestrzeń.
W mechanice Newtona odległość w przestrzeni jest mierzona oddzielnie, a czas jest mierzony osobno.Dlaczego tego potrzebujemy?Aby na przykład określić tor lotu cząstki, jądra, rakiety lub samolotu. Szczególna teoria względności stwierdza, że nie ma oddzielnego sposobu pomiaru odległości i czasu, ale istnieje jeden sposób pomiaru odległości w czasoprzestrzeni. Kiedy mówimy o kontinuum czasoprzestrzennym, mówimy o przestrzeni czterowymiarowej: trzy współrzędne plus współrzędna czasowa. Nie jest jednak jasne, jak narysować czterowymiarową czasoprzestrzeń na dwuwymiarowej powierzchni. Wiemy, że położenie w przestrzeni można określić za pomocą trzech współrzędnych: x, y, z są współrzędnymi kartezjańskimi. Z drugiej strony możemy dokładnie określić położenie punktu w przestrzeni za pomocą współrzędnych sferycznych. Dlatego można używać tylko współrzędnej r i współrzędnej czasu. Rezultatem jest półpłaszczyzna, ponieważ r jest zawsze większe od 0, a czas może wynosić od minus do plus nieskończoności. Punktem w tej przestrzeni jest ta kula. Na przykład, jeśli w chwili t0 rozważymy punkt r0 na tej półpłaszczyźnie, to będzie to po prostu jakiś rodzaj kuli o promieniu r0, wzięty w chwili t0.
Jest kula o promieniu r0,i z dowolnego punktu tej kuli emitowane są promienie światła, wchodzące i wychodzące.Oznacza to, że uzyskuje się przód fali światła, który idzie do wewnątrz - kurcząca się kula i wychodząca na zewnątrz - rozszerzająca się kula. Ale wyobraź sobie, że w dowolnym momencie przestrzeń jest rozwarstwiona
jak cebula.W chwili t0 brana jest kula o promieniu r0, z powierzchni której wychodzą promienie. Te, które idą do wewnątrz, tworzą front o promieniu r0 - Δr, a te, które idą na zewnątrz, tworzą front o promieniu r0 + Δr. Nachylenie tych linii względem osi pionowej wynosi 45 stopni, ponieważ prędkość propagacji jest równa prędkości światła.
Jeśli mamy do czynienia z cząstką, tonie rozchodzi się z prędkością światła, to nie może poruszać się z prędkością większą niż prędkość światła, a zatem może poruszać się w dowolnym kierunku w tym kącie.
.Jeśli narysujemy wyimaginowane promienie światła za pomocą naszego diagramu, otrzymamy wyimaginowaną siatkę.To zdjęcie wyjaśnia, dlaczego wybrałem promienieSwieta. Wyobraźcie sobie, że zamiast światła wybrałbym inne cząstki posiadające masę, wtedy w siatce współrzędnych pojawiłaby się niejednoznaczność: cząstki mogą poruszać się z dowolną prędkością. Jakie są zalety światła? Ponieważ istnieje niejednoznaczny wybór kierunku: na zewnątrz lub do wewnątrz, a następnie siatka jest jednoznacznie ustalona.
Jak obecność gwiazdy zmienia promieniowanie?Wyobraźmy sobie, że jest tam gwiazdapromień ciała rciało. Oznacza to, że wypełnia wszystkie promienie aż do korpusu, ponieważ wewnątrz znajduje się jakaś substancja. W danym momencie – na przykład t = 0 – gwiazda wygląda po prostu jak odcinek. Jeśli weźmiesz pod uwagę wszystkie punkty w czasie, otrzymasz pasek. Wyobraźmy sobie teraz, co stanie się z promieniami światła w obecności grawitującego ciała. Promienie światła są narysowane na czerwono, tak jak wyglądałyby przy braku gwiazdy. I fiolet - promienie światła w obecności grawitującego ciała. Z ogólnych rozważań można wyciągnąć kilka wniosków: ciało grawitacyjne zniekształca promienie świetlne, przy czym te promienie, które są bliżej gwiazdy, są zniekształcane silniej niż te, które są dalej. Dlatego z dala od gwiazdy promienie fioletowe praktycznie nie różnią się od czerwonych.
Wyobraź sobie, że masa ciała zacznie się zmieniać, a promień zostanie stały.Masa będzie rosła, a im większa, tym silniejszaciało będzie wpływać na promienie. W pewnym momencie masa wzrośnie tak bardzo, że nastąpi następujące zjawisko. W pewnym momencie jakiś róg znajdzie się na tyłku, czyli po prostu w pionie. Punkt emisji promieni fioletowych przyjąłem nie w promieniu horyzontu, ale nieco w środku, dzięki czemu wiązka nie biegnie pionowo, ale jest zniekształcona.
W tej chwili nie ma ograniczeń co do wzrostu masy czarnej dziury. Przynajmniej nie wiemy.Być może chodzi o to, że jakikolwiekteoria nauk przyrodniczych ma granice stosowalności, co oznacza, że w szczególności teoria względności traci swoją przydatność gdzieś wewnątrz czarnej dziury. Ogólna teoria względności traci swoją przydatność bardzo blisko obszaru, w którym koncentruje się prawie cała masa czarnej dziury. Ale w jakim promieniu to się dzieje i co zastępuje ogólną teorię względności, nie jest znane. Nie można też wykluczyć, że jeśli masa czarnej dziury znacznie wzrośnie, coś się zmieni.
Pierwsze pytanie, które powinno się pojawić, brzmi: dokąd poszła gwiazda?Ponieważ trajektoria dowolnej cząstki o masie możebądź tylko w tym rogu, porusza się w ten sposób (kolor czerwony - „High-Tech”) i uderza w środek. Jeśli cząstka posiadająca masę nieuchronnie uderzy w środek z dowolnego punktu, wówczas cała masa, całe ciało gwiazdy, zostanie ściśnięte w środku.
Problem polega na tym, że współrzędne r i ct mają zastosowanie tylko w pewnym obszarze, a poza nim nie mają już zastosowania.Wyobraź sobie, co masz na powierzchni Ziemiistnieją południki i równoleżniki, a za ich pomocą możesz znaleźć położenie dowolnego obiektu. Ale na powierzchni jest jaskinia, która sięga głębiej, a zadaniem jest ustalenie pozycji muchy w tej jaskini. Długość i szerokość geograficzna nie są już do tego odpowiednie, teraz musisz wprowadzić nową siatkę współrzędnych. Istnieje pewna zamiana: narysowałem obraz za pomocą r i t, aby pokazać to zjawisko, ale ważne jest, aby nie było już współrzędnych r i t, ale istnieją inne współrzędne, które opisują zachowanie wewnątrz czarnej dziury. Oznacza to, że tam czas nie jest kierowany pionowo, lecz płynie w kierunku osi, co pokazują te narożniki.
Aby otrzymać siatkę współrzędnych dla czasoprzestrzeni czarnej dziury, możesz zrobić statyczne zdjęcie i powtórzyć jedno po drugim, „sklejając” jeden z drugim.Promienie wychodzące są rysowane na fioletowo iczerwony – osoby wchodzące do środka. Promień pionowy jest także promieniem światła, horyzontem. Te fioletowe linie są podzielone na dwie grupy. Te skierowane na zewnątrz zmierzają do nieskończoności, a te skierowane do wewnątrz idą do r równego 0. Zjawisko to to czarna dziura.
Co dzieje się z obiektem wpadającym do czarnej dziury
Wyobraź sobie, że jakiś przedmiot wisi nad czarną dziurą, a jego zegar tyka, lub obiekt poleciał do czarnej dziury i wrócił, a jego zegar również tykał.Na podstawie zegara mogę stwierdzić, ile czasu minęłokażdy z tych obiektów. Po prostu obliczę długość linii, którą narysował na tym diagramie i podzielę przez prędkość światła. Ten, który wisiał, w jednym momencie się porusza, a w innym momencie biegnie. Na przykład dla jednego może to zająć kilka godzin, a dla innego może to zająć lata. Jak w filmie Interstellar. Podobne zjawisko widzimy na Ziemi, jednak nie zagina ono tak bardzo czasoprzestrzeni. Jest to zauważalne w globalnych systemach pozycjonowania: zegary na satelitach uczestniczących w globalnym systemie pozycjonowania pokazują inny czas. Jeśli polecę na satelitę i wrócę, mój zegarek wyświetla godzinę inną niż satelita. Zjawisko to jest brane pod uwagę, aby GPS mógł działać.
Według zegarka obserwatora, który wisi nad czarną dziurą, mija nieskończenie długi czas, gdy obserwuje on obiekt wpadający do czarnej dziury.Obiekt, który wpada do czarnej dziury, nigdyprzekracza horyzont zdarzeń. Jest coraz bliżej, jak Achilles za żółwiem, ale może go dosięgnąć. Według zegara obiektu upłynie ostatni czas. Jak to ustalić? Zmierz długość linii świata pomiędzy równymi równoleżnikami i południkami. Im dłuższy ten segment, tym bardziej jest zakrzywiony. Obiekt leci, na jego zegarze tykają przedziały czasu - na wykresie są to równoleżniki, które rozmieszczone są wzdłuż linii świata w równych odstępach czasu Δt. Ale tam, gdzie znajduje się obserwator, odstęp czasu rośnie, a w miarę zbliżania się do horyzontu zdarzeń odstęp czasu rośnie bez ograniczeń. W momencie, gdy obiekt przecina horyzont zdarzeń czarnej dziury, wyimaginowany promień światła przemieszcza się pionowo wzdłuż horyzontu i nigdy nie przekracza tej linii. Dlatego obserwator nigdy nie dostrzeże momentu przecięcia, a z punktu widzenia spadającego obiektu upływa skończona liczba odstępów czasu. Zjawisko to wygląda mistyczne, ale kiedy mówią, że czas płynie różnymi drogami. Nie jest to całkowicie poprawne. Czas nie zwalnia, obiekt nie zaczyna poruszać się wolniej. Czas tykał i tykał, po prostu według mojego zegarka tyka jedno, a według zegarków innych ludzi tyka coś innego.
W Interstellar jest taki moment, w którym główny bohater wpadł w czarną dziurę.Jak rozumiem, poleciał do centrum i go nie byłorozerwać. Podczas spadania przeleciał blisko tej materii akrecyjnej, dysku akrecyjnego, który widzimy i, jak rozumiem, emituje w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego. Bohater filmu otrzymał jednak to promieniowanie i to prawdopodobnie dość silne. Po pierwsze, został napromieniowany, a po drugie, z punktu widzenia towarzyszy znajdujących się na zewnątrz, leciał nieskończenie długo. Ale w rzeczywistości przypada to na skończony czas. A potem trafił w środek, nie ulegając rozerwaniu. Konsultant filmu, fizyk Kip Thorne, wychodzi z faktu, że nie wiemy, co dzieje się pod horyzontem zdarzeń, co oznacza, że może istnieć cokolwiek, na przykład świat piątego wymiaru.
Czy zderzacz mógł stworzyć czarną dziurę? Odwrotność nie została udowodniona!
W 2008 roku wielu słyszało o fizyce Rosslerze, który aktywnie próbował zamknąć Wielki Zderzacz Hadronów.Próbował nawet pozwać rząd niemiecki.To było naprawdę poważne ryzyko, bo mógł wygrać w sądzie, co oznacza, że 10% budżetu CERN-u mogłoby po prostu zniknąć. Ale CERN także odwrócił się od Roslera, a dyrektor Instytutu Maxa Plancka powiedział kiedyś, że nie należy tego pozostawiać przypadkowi i że trzeba z Roslerem porozmawiać. Co więcej, ten naukowiec jest wykwalifikowanym fizykiem matematycznym. Ma nawet nieliniowy atraktor, który nosi jego imię. Jako kontrargument przeciwko LHC przytoczył zabawny fakt. Że promienie kosmiczne mają wyższe energie niż w CERN-ie. Dlatego coś rozbije się o Ziemię i być może utworzy się czarna dziura, ale ona wylatuje z planety z dużą prędkością i gdzieś odlatuje, więc tego nie widzimy. Ale nie wszystko dzieje się w środku masy, więc w przypadku zderzenia czarna dziura może pozostać na Ziemi, będzie tam siedzieć i stopniowo nas pożerać. Dyrektor Instytutu Alberta Einsteina zebrał kilka osób, w tym mnie, i musieliśmy „udusić” tego Rosslera i przekonać go, że się myli. Nie poszedł jednak do sądu.
Teoria przewiduje, że ta czarna dziura, która mogłaby powstać w wyniku zderzenia w zderzaczu, natychmiast się rozpadnie.Ponieważ jest bardzo mikroskopijny, tak będziewedług Hawkinga emitują bardzo intensywnie i szybko zanikają. Rossler powiedział, że Hawking był głupcem i się mylił. Dziura będzie tam siedzieć i jeść, inna sprawa, że jest mała, więc może zjadać tylko to, co jest od niej mniejsze, ale to też zajmuje trochę czasu. Powinien najpierw zjeść coś małego, potem powoli urosnąć, potem większy i tak dalej. I ta strategia rozmowy naprawdę wydawała się zwycięska, zwłaszcza w sądzie. Nie wykluczamy, że czarna dziura nadal się tworzy, że Hawking się myli i że nie ulegnie ona rozkładowi. Tak naprawdę nie testowaliśmy niczego eksperymentalnie. To wszystko są tylko rozważania teoretyczne.
Zobacz także:
Powstała pierwsza dokładna mapa świata. Co jest nie tak ze wszystkimi innymi?
Elon Musk: pierwsi turyści na Marsa zginą
Duże szczątki chińskiej stacji kosmicznej „Skylab” lecą na Ziemię