Ako sa časopriestor chová vedľa hviezdy
Aby ste pochopili, čo je čierna diera, potrebujete
Príkladom homogénneho priestoru je vákuum: prázdnota, v ktorej nie sú žiadne častice.Svetlo v ňom sa musí podľa Fermatovho princípu pohybovaťpo najkratšej ceste. Ak sa svetlo pohybuje v plochom priestore, teda dvojrozmernom a nezakrivenom, najkratšou cestou bude priamka. Ukazuje sa však, že v prítomnosti gravitujúcich objektov sa svetlo nepohybuje v priamke: lúče svetla sú ohnuté. Je to spôsobené tým, že gravitujúce telesá ohýbajú časopriestor.
V newtonovskej mechanike sa vzdialenosť v priestore meria osobitne a čas sa meria osobitne.Prečo to potrebujeme?Napríklad určiť dráhu letu častice, jadra, rakety alebo lietadla. Špeciálna teória relativity tvrdí, že neexistuje samostatný spôsob merania vzdialenosti a času, ale existuje jediný spôsob merania vzdialeností v časopriestore. Keď hovoríme o časopriestorovom kontinuu, hovoríme o štvorrozmernom priestore: tri súradnice plus časová súradnica. Ale nie je veľmi jasné, ako nakresliť štvorrozmerný časopriestor na dvojrozmernom povrchu. Vieme, že polohu v priestore možno určiť tromi súradnicami: x, y, z sú karteziánske súradnice. Na druhej strane vieme presne určiť polohu bodu v priestore pomocou sférických súradníc. Preto je možné použiť iba súradnicu r a súradnicu času. Výsledkom je polrovina, pretože r je vždy väčšie ako 0 a čas môže byť od mínus po plus nekonečno. Bod v tomto priestore je táto guľa. Napríklad v čase t0, ak uvažujem bod r0 v tejto polrovine, potom je to jednoducho nejaký druh gule s polomerom r0, zachytený v čase t0.
Existuje guľa s polomerom r0,a z akéhokoľvek bodu tejto gule sú vyžarované lúče svetla, ktoré idú dovnútra a von.To znamená, že sa získa vlnová predná strana svetla, ktorá smeruje dovnútra - sťahujúca sa guľa a smerom von - rozširujúca sa sféra. Ale predstavte si, že v danom okamihu je priestor stratifikovaný
ako cibuľa.V čase t0 sa odoberie guľa s polomerom r0, z povrchu ktorej vychádzajú lúče. Tie, ktoré idú dovnútra, tvoria predok s polomerom r0 - Δr, a tie, ktoré idú von, tvoria predok s polomerom r0 + Δr. Sklon týchto čiar voči vertikálnej osi je 45 stupňov, pretože rýchlosť šírenia sa rovná rýchlosti svetla.
Ak máme do činenia s časticou, ktorása nerozšíri rýchlosťou svetla, potom sa nemôže pohybovať rýchlosťou väčšou ako je rýchlosť svetla, a podľa toho sa môže v tomto uhle pohybovať ľubovoľným smerom.
,Ak nakreslíme imaginárne lúče svetla pomocou nášho diagramu, dostaneme imaginárnu mriežku.Tento obrázok objasňuje, prečo som si vybral lúčeSveta. Predstavte si, že by som namiesto svetla vybral nejaké iné častice, ktoré majú hmotnosť, potom by sa v súradnicovej mriežke objavila nejednoznačnosť: častice sa môžu pohybovať akoukoľvek rýchlosťou. Aké sú výhody svetla? Pretože existuje nejednoznačná voľba v smere: buď von alebo dovnútra, a potom je mriežka jednoznačne pevná.
Ako prítomnosť hviezdy mení žiarenie?Predstavme si, že existuje hviezda spolomer tela rbody. To znamená, že vypĺňa všetky polomery až po telo, pretože tam je nejaká látka. V danom časovom okamihu - napríklad t = 0 - hviezda vyzerá jednoducho ako segment. Ak zvážite všetky body v čase, dostanete prúžok. Teraz si predstavme, čo sa stane s lúčmi svetla v prítomnosti gravitujúceho telesa. Lúče svetla sú nakreslené červenou farbou, ako by vyzerali bez hviezdy. A fialové - lúče svetla v prítomnosti gravitujúceho tela. Zo všeobecných úvah možno vyvodiť niekoľko záverov: gravitujúce teleso skresľuje svetelné lúče a tie lúče, ktoré sú bližšie k hviezde, sú skreslené silnejšie ako tie, ktoré sú ďalej. Preto, ďaleko od hviezdy, sa fialové lúče prakticky nelíšia od červených.
Predstavte si, že hmotnosť tela sa začne meniť a polomer bude pevný.Hmota bude rásť a čím je väčšia, tým silnejšiatelo ovplyvní lúče. V určitom bode sa hmotnosť zvýši natoľko, že dôjde k nasledujúcemu javu. V určitom okamihu bude nejaký roh na jeho zadku, to znamená jednoducho zvislý. Bod vyžarovania fialových lúčov som bral nie na polomere horizontu, ale mierne vo vnútri, takže lúč nejde vertikálne, ale je skreslený.
V súčasnosti neexistujú žiadne obmedzenia pre nárast hmotnosti čiernej diery. Aspoň to nevieme.Možno ide o to, že akékoľvekteória prírodných vied má hranice použiteľnosti, čo znamená, že najmä teória relativity stráca svoju použiteľnosť niekde vo vnútri čiernej diery. Všeobecná relativita stráca svoju použiteľnosť veľmi blízko oblasti, kde je sústredená takmer všetka hmota čiernej diery. Ale v akom polomere sa to deje a čo nahrádza všeobecnú teóriu relativity, nie je známe. Nedá sa tiež vylúčiť, že ak sa hmotnosť čiernej diery veľmi zväčší, niečo sa zmení.
Prvá otázka, ktorá by mala vzniknúť: kam sa podela hviezda?Keďže dráha akejkoľvek častice s hmotnosťou môžebyť iba v tomto rohu, pohybuje sa takto (červená farba - „High-Tech“) a narazí do stredu. Ak častica s hmotnosťou nevyhnutne zasiahne stred z akéhokoľvek bodu, potom sa celá hmotnosť, celé telo hviezdy, stlačí do stredu.
Problém je v tom, že súradnice r a ct sú použiteľné len v určitej oblasti a mimo nej už nie sú použiteľné.Predstavte si, čo máte na povrchu Zemeexistujú poludníky a paralely a s ich pomocou nájdete polohu ľubovoľného objektu. Ale na povrchu je jaskyňa, ktorá ide hlbšie a úlohou je určiť polohu muchy v tejto jaskyni. Zemepisná dĺžka a šírka už na to nie sú vhodné, teraz musíte zadať novú súradnicovú mriežku. Existuje nejaká substitúcia: nakreslil som obrázok pomocou r a t, aby som ukázal jav, ale je dôležité, aby už neexistovali súradnice r a t, ale existujú nejaké ďalšie súradnice, ktoré popisujú správanie vo vnútri čiernej diery. To znamená, že čas nie je nasmerovaný vertikálne, ale plynie smerom k osi, čo ukazujú tieto rohy.
Ak chcete získať súradnicovú mriežku pre časopriestor čiernej diery, môžete urobiť statický obrázok a opakovať jeden po druhom a „lepiť“ jeden na druhého.Odchádzajúce lúče sú nakreslené fialovou farbou ačervená - tí, ktorí vstupujú dovnútra. Vertikálny lúč je tiež lúč svetla, horizont. Tieto fialové čiary sú rozdelené do dvoch skupín. Tie, ktoré sú nasmerované von, idú do nekonečna a tie, ktoré sú nasmerované dovnútra a idú do r rovné 0. Tento jav je čierna diera.
Čo sa stane s predmetom, keď spadne do čiernej diery
Predstavte si, že nejaký predmet visí nad čiernou dierou a jeho hodiny tikajú, alebo predmet preletel do čiernej diery a vrátil sa, a jeho hodiny tiež tikali.Podľa hodín viem povedať, koľko času ubehlokaždý z týchto predmetov. Len vypočítam dĺžku čiary, ktorú nakreslil na tomto diagrame a vydelím rýchlosťou svetla. Ten, čo visel, sa raz hýbe a inokedy lietajúci beží. Napríklad pre jedného to môže trvať niekoľko hodín, zatiaľ čo pre iného to môže trvať roky. Ako vo filme Interstellar. Podobný úkaz vidíme aj na Zemi, ten však časopriestor až tak neohýba. Je to viditeľné v globálnych polohových systémoch: hodiny na satelitoch, ktoré sa podieľajú na globálnom polohovom systéme, ukazujú iný čas. Ak priletím na satelit a vrátim sa, hodinky zobrazia iný čas ako satelit. Tento jav sa berie do úvahy, aby GPS fungovalo.
Podľa hodiniek pozorovateľa, ktorý visí nad čiernou dierou, uplynie nekonečne dlho, kým pozoruje objekt padajúci do čiernej diery.Objekt, ktorý spadne do čiernej diery nikdyprekračuje horizont udalostí. Je stále bližšie a bližšie, ako Achilles za korytnačkou, ale môže ju dosiahnuť. Podľa hodín objektu bude plynúť výsledný čas. Ako to určiť? Zmerajte dĺžku svetovej čiary medzi rovnakými rovnobežkami a poludníkmi. Čím je tento segment dlhší, tým je zakrivenejší. Objekt letí, na jeho hodinách tikajú časové intervaly - na grafe sú to rovnobežky, ktoré sú pozdĺž svetovej čiary rozmiestnené v rovnakých časových intervaloch Δt. Ale tam, kde je pozorovateľ, časový interval rastie, a keď sa človek blíži k horizontu udalostí, časový interval rastie bez obmedzenia. V momente, keď objekt prekročí horizont udalostí čiernej diery, imaginárny lúč svetla putuje vertikálne pozdĺž horizontu a túto čiaru nikdy neprekročí. Pozorovateľ preto nikdy neuvidí moment priesečníka a z pohľadu padajúceho objektu prejde konečný počet časových intervalov. Tento jav vyzerá mysticky, ale keď hovoria, že čas plynie rôznymi spôsobmi. Nie je to celkom správne. Čas sa nespomalí, objekt sa nezačne pohybovať pomalšie. Čas tikal a tikal, len podľa mojich hodiniek tiká jedna vec a podľa cudzích hodín tiká niečo iné.
V Interstellar nastáva okamih, kedy hlavná postava padla do čiernej diery.Ako som pochopil, letel do centra a nebolroztrhol. Kým padal, preletel blízko tejto akrečnej hmoty, akrečného disku, ktorý vidíme, a ako som pochopil, vyžaruje v oblasti tvrdého röntgenového žiarenia. Hrdina filmu napriek tomu dostal toto žiarenie a pravdepodobne dosť silné. Po prvé bol ožiarený a po druhé, z pohľadu spolubojovníkov, ktorí boli vonku, lietal nekonečne dlho. Ale v skutočnosti to spadá do konečného času. A potom narazil do stredu bez toho, aby sa roztrhol. Konzultant filmu, fyzik Kip Thorne, vychádza zo skutočnosti, že nevieme, čo sa deje pod horizontom udalostí, čo znamená, že tam môže byť čokoľvek, napríklad svet piatej dimenzie.
Môže zrážka spôsobiť čiernu dieru? Opak nebol dokázaný!
V roku 2008 mnohí počuli o fyzikovi Rosslerovi, ktorý sa aktívne snažil vypnúť Veľký hadrónový urýchľovač.Dokonca sa pokúsil zažalovať nemeckú vládu.To bolo naozaj vážne riziko, pretože mohol vyhrať súd, čo znamená, že 10 % rozpočtu CERN-u môže jednoducho zmiznúť. CERN sa však odvrátil aj od Roslera a riaditeľ Inštitútu Maxa Plancka raz povedal, že to netreba nechať na náhodu a treba sa s Roslerom porozprávať. Navyše, tento vedec je kvalifikovaný, matematický fyzik. Má dokonca nelineárny atraktor, ktorý nesie jeho meno. Ako protiargument proti LHC uviedol vtipný fakt. Že kozmické žiarenie má vyššiu energiu ako v CERN-e. Preto sa niečo zrúti cez Zem, alebo sa možno vytvorí čierna diera, ale vyletí z planéty veľkou rýchlosťou a odletí niekam preč, takže ju nevidíme. Ale nie všetko sa deje v strede hmoty, takže v prípade kolízie tam na Zemi môže zostať čierna diera, bude tam sedieť a kúsok po kúsku nás zožerie. Riaditeľ Inštitútu Alberta Einsteina zhromaždil niekoľko ľudí vrátane mňa a museli sme tohto Rosslera „uškrtiť“ a presvedčiť ho, že sa mýlil. Na súd sa však nedostal.
Teória predpovedá, že táto čierna diera, ktorá by mohla vzniknúť v dôsledku zrážky v urýchľovači, sa okamžite rozpadne.Keďže je veľmi mikroskopický, budevyžarujú veľmi intenzívne podľa Hawkinga a rýchlo sa rozpadajú. Rossler povedal, že Hawking bol hlupák a mýlil sa. Diera tam bude sedieť a jesť, ďalšia vec je, že bola malá, takže môže jesť len to, čo je menšie ako ona, ale aj to nejaký čas trvá. Najprv by malo jesť niečo malé, potom pomaly rásť, potom väčšie atď. A zdalo sa, že táto konverzačná stratégia skutočne vyhráva, najmä na súde. Nevylučujeme, že stále vzniká čierna diera, že Hawking sa mýli a že sa nerozpadá. Experimentálne sme naozaj nič netestovali. Všetko sú to len teoretické diskusie.
Pozri tiež:
Bola vytvorená prvá presná mapa sveta. Čo je zlé na všetkých ostatných?
Elon Musk: prví turisti na Mars zomrú
Na Zem lietajú veľké trosky čínskej vesmírnej stanice „Skylab“