Hur rymdtid beter sig bredvid en stjärna
För att förstå vad ett svart hål är behöver du
Ett exempel på ett homogent utrymme är ett vakuum: ett tomrum där det inte finns några partiklar.Ljuset i den, enligt Fermats princip, måste röra siglängs den kortaste vägen. Om ljus rör sig i ett plant utrymme, det vill säga tvådimensionellt och okrökt, blir den kortaste vägen en rak linje. Men det visar sig att i närvaro av graviterande föremål rör sig ljuset inte i en rak linje: ljusstrålarna är böjda. Detta beror på det faktum att graviterande kroppar böjer rum-tid.
I Newtons mekanik mäts avståndet i rymden separat och tiden mäts separat.Varför behöver vi detta?För att till exempel bestämma flygvägen för en partikel, kärna, raket eller flygplan. Den speciella relativitetsteorin säger att det inte finns något separat sätt att mäta avstånd och tid, utan det finns ett enda sätt att mäta avstånd i rum-tid. När vi talar om rum-tidskontinuum, talar vi om fyrdimensionellt rum: tre koordinater plus en tidskoordinat. Men det är inte särskilt tydligt hur man ritar fyrdimensionell rumtid på en tvådimensionell yta. Vi vet att position i rymden kan bestämmas av tre koordinater: x, y, z är kartesiska koordinater. Å andra sidan kan vi exakt bestämma positionen för en punkt i rymden med hjälp av sfäriska koordinater. Därför kan endast r-koordinaten och tidskoordinaten användas. Resultatet är ett halvplan, eftersom r alltid är större än 0, och tiden kan vara från minus till plus oändlighet. En punkt i detta utrymme är denna sfär. Till exempel, vid tidpunkten t0, om jag betraktar en punkt r0 på detta halvplan, så är det helt enkelt någon form av sfär med radien r0, taget vid tidpunkten t0.
Det finns en sfär med radie r0,och från vilken punkt som helst i denna sfär emitteras ljusstrålar som går in och ut.Det vill säga en vågfront av ljus erhålls som går inåt - en sammandragande sfär och går utåt - en expanderande sfär. Men föreställ dig att rymden är stratifierad vid varje tillfälle
som en lök.Vid tidpunkten t0 tas en sfär med radien r0, från vars yta strålar utgår. De som går inåt bildar en front med radien r0 - Δr, och de som går utåt bildar en front med radien r0 + Δr. Lutningen av dessa linjer i förhållande till den vertikala axeln är 45 grader eftersom utbredningshastigheten är lika med ljusets hastighet.
Om vi har att göra med en partikel sominte sprider sig med ljusets hastighet, då kan den inte röra sig med en hastighet som är högre än ljusets hastighet och kan följaktligen röra sig i vilken riktning som helst inom denna vinkel.
.Om vi ritar imaginära ljusstrålar med hjälp av vårt diagram får vi ett imaginärt rutnät.Den här bilden gör det tydligt varför jag valde strålarSveta. Föreställ dig att jag istället för ljus skulle välja några andra partiklar som har massa, då skulle en tvetydighet uppstå i koordinatnätet: partiklar kan röra sig med vilken hastighet som helst. Vilka är fördelarna med ljus? För det finns ett tvetydigt val i riktningen: antingen utåt eller inåt, och efter det är rutnätet entydigt fixerat.
Hur förändrar närvaron av en stjärna strålning?Låt oss föreställa oss att det finns en stjärna medradie av kroppen rkropp. Det betyder att den fyller ut alla radier upp till rkroppen, eftersom det finns någon substans därinne. Vid ett givet ögonblick - till exempel t = 0 - ser stjärnan helt enkelt ut som ett segment. Om du tar hänsyn till alla tidpunkter får du en remsa. Låt oss nu föreställa oss vad som kommer att hända med ljusstrålar i närvaro av en graviterande kropp. Ljusstrålarna är ritade i rött som de skulle se ut i frånvaro av stjärnan. Och violett - ljusstrålar i närvaro av en graviterande kropp. Från allmänna överväganden kan flera slutsatser dras: en graviterande kropp förvränger ljusstrålar, och de strålar som är närmare stjärnan förvrängs kraftigare än de som är längre bort. Därför, långt från stjärnan, skiljer sig violetta strålar praktiskt taget inte från röda.
Föreställ dig att kroppens massa kommer att börja förändras, och radien kommer att fixeras.Massan kommer att växa, och ju större den är, desto starkarekroppen kommer att påverka strålarna. Vid något tillfälle kommer massan att öka så mycket att följande fenomen kommer att inträffa. Vid någon tidpunkt kommer något hörn att vara på sin rumpa, det vill säga helt enkelt vertikalt. Jag tog punkten för emission av violetta strålar inte vid horisontens radie, men något inuti, så strålen går inte vertikalt, utan förvrängs.
För närvarande finns det inga gränser för ökningen av massan av ett svart hål. Vi vet åtminstone inte.Poängen är kanske att någonen naturvetenskaplig teori har gränser för tillämpbarhet, vilket innebär att i synnerhet relativitetsteorin förlorar sin tillämpbarhet någonstans inne i ett svart hål. Allmän relativitetsteori förlorar sin tillämpbarhet mycket nära den region där nästan hela det svarta hålets massa är koncentrerad. Men vid vilken radie detta händer och vad som ersätter den allmänna relativitetsteorin är okänt. Det kan inte heller uteslutas att om det svarta hålets massa ökar väldigt mycket så kommer något att förändras.
Den första frågan som skulle uppstå: vart gick stjärnan?Eftersom banan för någon partikel med massa kanbara vara inne i det här hörnet, den rör sig så här (röd färg - "High-Tech") och träffar mitten. Om en partikel med massa oundvikligen träffar mitten från någon punkt, kommer hela massan, hela stjärnans kropp, att komprimeras in i mitten.
Problemet är att r- och ct-koordinaterna bara är tillämpliga i ett visst område, och utöver det är de inte längre tillämpliga.Föreställ dig vad du har på jordens ytadet finns meridianer och paralleller, och med deras hjälp kan du hitta positionen för vilket objekt som helst. Men på ytan finns en grotta som går djupare och uppgiften är att bestämma flugans position i denna grotta. Longitud och latitud är inte längre lämpliga för detta, nu måste du ange ett nytt koordinatgaller. Det finns en viss ersättning: Jag ritade en bild med r och t för att visa fenomenet, men det är viktigt att det inte längre finns koordinaterna r och t, men det finns några andra koordinater som beskriver beteendet inuti det svarta hålet. Detta innebär att tiden inte riktas vertikalt utan flyter mot axeln och detta visas av dessa hörn.
För att få ett koordinatgaller för ett svart håls tid kan du ta en statisk bild och upprepa den ena efter den andra och "limma" varandra.Utgående strålar ritas i lila, ochröd - de som går in. En vertikal stråle är också en ljusstråle, horisonten. Dessa lila linjer är indelade i två grupper. De som är riktade utåt går till oändligheten, och de som är riktade inåt och går till r lika med 0. Detta fenomen är ett svart hål.
Vad händer med ett föremål när det hamnar i ett svart hål
Föreställ dig att ett objekt hänger över ett svart hål, och dess klocka tickar, eller att objektet flög till det svarta hålet och återvände, och dess klocka gick också.Jag kan se hur mycket tid som har gått på klockanvart och ett av dessa objekt. Jag ska bara beräkna längden på linjen han ritade på det här diagrammet och dividera med ljusets hastighet. Den som hängde rör sig vid ett tillfälle, och den flygande springer vid ett annat tillfälle. För en kan det till exempel ta flera timmar, medan det för en annan kan ta år. Som i filmen Interstellar. Vi ser ett liknande fenomen på jorden, men det böjer inte rymdtiden så mycket. Detta märks i globala positioneringssystem: klockorna på satelliter som deltar i det globala positioneringssystemet visar en annan tid. Om jag flyger till en satellit och återvänder, visar min klocka en annan tid än satelliten. Detta fenomen tas med i beräkningen för att GPS ska fungera.
Enligt klockan från en observatör som hänger över ett svart hål går en oändlig lång tid medan han observerar ett föremål som faller i ett svart hål.Ett föremål som faller ner i ett svart hål aldrigkorsar händelsehorisonten. Han kommer närmare och närmare, som Akilles bakom sköldpaddan, men han kan nå den. Enligt objektets klocka kommer en ändlig tid att passera. Hur bestämmer man detta? Mät längden på världslinjen mellan lika paralleller och meridianer. Ju längre detta segment, desto mer krökt är det. Objektet flyger, tidsintervall tickar på dess klocka - på grafen är dessa paralleller som är fördelade längs världslinjen med lika tidsintervall Δt. Men där observatören är växer tidsintervallet, och när man närmar sig händelsehorisonten växer tidsintervallet utan gräns. I det ögonblick när ett objekt korsar händelsehorisonten för ett svart hål, färdas en imaginär ljusstråle vertikalt längs horisonten och korsar aldrig denna linje. Därför kommer betraktaren aldrig att se skärningsögonblicket, och ur det fallande föremålets synvinkel passerar ett ändligt antal tidsintervall. Detta fenomen ser mystiskt ut, men när de säger att tiden flyter på olika sätt. Detta är inte helt korrekt. Tiden saktar inte ner, föremålet börjar inte röra sig långsammare. Tiden tickade och tickade, det är bara det att enligt min klocka tickar en sak, och enligt andra människors klockor tickar något annat.
I Interstellar finns det ett ögonblick då huvudpersonen föll i ett svart hål.Som jag förstår det flög han till centrum och var det inteslet. Medan den föll flög den nära detta anhopningsmaterial, ackretionsskivan, som vi ser, och som jag förstår det sänder den ut i det hårda röntgenområdet. Filmens hjälte fick ändå denna strålning, och förmodligen ganska stark. För det första bestrålades han, och för det andra, ur sina kamraters synvinkel som var utanför, flög han oändligt länge. Men i verkligheten faller det inom en begränsad tid. Och sedan träffade den mitten utan att slitas isär. Filmens konsult, fysikern Kip Thorne, utgår från det faktum att vi inte vet vad som händer under händelsehorisonten, vilket betyder att det kan finnas vad som helst, till exempel en femtedimensionell värld.
Kan en kollider gyta ett svart hål? Motsatsen har inte bevisats!
År 2008 hörde många av fysikern Rossler, som aktivt försökte stänga Large Hadron Collider.Han försökte till och med stämma den tyska regeringen.Detta var en riktigt allvarlig risk, eftersom han kunde vinna i domstol, vilket innebär att 10 % av CERN:s budget helt enkelt kan försvinna. Men CERN vände sig också bort från Rosler, och direktören för Max Planck-institutet sa en gång att detta inte borde lämnas åt slumpen och att det var nödvändigt att prata med Rosler. Dessutom är denna vetenskapsman en kvalificerad sådan, en matematisk fysiker. Han har till och med en olinjär atttraktor som bär hans namn. Han citerade ett roligt faktum som ett motargument mot LHC. Att kosmiska strålar har högre energier än vid CERN. Därför kommer något att krascha över jorden, eller så kommer ett svart hål att bildas, men det flyger ut från planeten i hög hastighet och flyger iväg någonstans, så vi ser det inte. Men allt händer inte i massans centrum, så vid en kollision kan ett svart hål finnas kvar där på jorden, det kommer att sitta där och så småningom sluka oss. Direktören för Albert Einstein-institutet samlade flera personer, inklusive mig, och vi var tvungna att "strypa" den här Rossler och övertyga honom om att han hade fel. Han gick dock inte till domstol.
Teorin förutspår att detta svarta hål, som kan bildas som ett resultat av en kollision i kollidern, kommer att sönderdelas omedelbart.Eftersom den är väldigt mikroskopisk kommer den att göra detavger väldigt intensivt enligt Hawking och kommer att förfalla snabbt. Rossler sa att Hawking var en dåre och hade fel. Hålet kommer att sitta där och äta, en annan sak är att det var litet, så det kan bara äta det som är mindre än det, men detta tar också lite tid. Den ska först äta något litet, sedan långsamt växa, sedan större och så vidare. Och den här samtalsstrategin verkade verkligen vinna, särskilt i domstol. Vi utesluter inte att det fortfarande bildas ett svart hål, att Hawking har fel och att det inte förfaller. Vi har egentligen inte testat något experimentellt. Allt detta är bara teoretiska diskussioner.
Se även:
Den första exakta världskartan skapades. Vad är fel med alla andra?
Elon Musk: de första turisterna till Mars kommer att dö
Stora skräp från den kinesiska rymdstationen "Skylab" flyger till jorden