ระหว่างดวงดาวทางวิทยาศาสตร์: การตกลงไปในหลุมดำได้อย่างไรและทำไมฮอว์กิงถึงผิดพลาดได้

เวลาอวกาศทำงานอย่างไรถัดจากดาว

คุณต้องเข้าใจว่าหลุมดำคืออะไร

กำหนดว่ากาล-อวกาศจะโค้งงออย่างไรงานของฉันคือวาดตารางพิกัดเข้ามากาล-อวกาศ ฉันใช้เส้นจินตภาพ เช่น เส้นเมอริเดียนและเส้นขนานบนพื้นผิวโลก คุณสามารถวาดแผนที่เดียวกันในอวกาศ-เวลา ครั้งแรกโดยไม่มีหลุมดำ จากนั้นจึงปรากฏอยู่ สำหรับสิ่งนี้ ฉันจะใช้รังสีของแสง เหตุผลมีดังต่อไปนี้ และเป็นที่ทราบกันมาตั้งแต่สมัยนกกระสาแห่งอเล็กซานเดรีย: แสงเคลื่อนที่ไปตามวิถีด้วยระยะเวลาน้อยที่สุด เมื่อใช้หลักการนี้ เราสามารถคำนวณดัชนีการหักเหของแสงได้ หรือหากทราบดัชนีการหักเหของแสง ก็สามารถคำนวณได้ว่าแสงจะบิดเบี้ยวอย่างไรเมื่อผ่านจากกระจกสู่อากาศ หรือจากน้ำสู่อากาศ หากคุณสมบัติของตัวกลางไม่เปลี่ยนแปลง แสงจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่สั้นที่สุด

ตัวอย่างของพื้นที่ที่เป็นเนื้อเดียวกันคือสุญญากาศ: ช่องว่างที่ไม่มีอนุภาคแสงในนั้นจะต้องเคลื่อนที่ตามหลักการของแฟร์มาต์ตามเส้นทางที่สั้นที่สุด หากแสงเคลื่อนที่ในพื้นที่ราบ นั่นคือ สองมิติและไม่โค้ง เส้นทางที่สั้นที่สุดจะเป็นเส้นตรง แต่ปรากฎว่าเมื่อมีวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วง แสงจะไม่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง: รังสีของแสงจะโค้งงอ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงทำให้กาลอวกาศโค้งงอ

ในกลศาสตร์ของนิวตันระยะทางในอวกาศจะวัดแยกกันและวัดเวลาแยกกันทำไมเราถึงต้องการสิ่งนี้?เพื่อกำหนดเส้นทางการบินของอนุภาค นิวเคลียส จรวด หรือเครื่องบิน ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษระบุว่าไม่มีวิธีแยกกันในการวัดระยะทางและเวลา แต่มีวิธีเดียวในการวัดระยะทางในอวกาศ-เวลา เมื่อเราพูดถึงความต่อเนื่องของกาล-อวกาศ เรากำลังพูดถึงปริภูมิสี่มิติ: พิกัดสามพิกัดบวกพิกัดเวลา แต่ก็ยังไม่ชัดเจนนักว่าจะวาดอวกาศ-เวลาสี่มิติบนพื้นผิวสองมิติได้อย่างไร เรารู้ว่าตำแหน่งในอวกาศสามารถกำหนดได้ด้วยพิกัดสามพิกัด: x, y, z เป็นพิกัดคาร์ทีเซียน ในทางกลับกัน เราสามารถระบุตำแหน่งของจุดในอวกาศได้อย่างแม่นยำโดยใช้พิกัดทรงกลม ดังนั้นจึงสามารถใช้ได้เฉพาะพิกัด r และพิกัดเวลาเท่านั้น ผลลัพธ์ที่ได้คือระนาบครึ่งระนาบ เนื่องจาก r มากกว่า 0 เสมอ และเวลาอาจอยู่ระหว่างลบถึงบวกอนันต์ จุดหนึ่งในปริภูมินี้คือทรงกลมนี้ ตัวอย่างเช่น ที่เวลา t0 หากฉันพิจารณาจุด r0 บนระนาบครึ่งระนาบนี้ มันก็เป็นเพียงทรงกลมบางประเภทที่มีรัศมี r0 ซึ่งถ่ายที่เวลา t0

มีรัศมีเป็นทรงกลม r0,และจากจุดใดๆ ของทรงกลมนี้ รังสีของแสงก็ถูกปล่อยออกมา เข้าและออกนั่นคือได้รับคลื่นด้านหน้าของแสงที่พุ่งเข้าด้านใน - ทรงกลมที่หดตัวและออกไปด้านนอก - ทรงกลมที่ขยายตัว แต่ลองนึกภาพว่าในช่วงเวลาใดที่ว่างจะแบ่งชั้น

เหมือนหัวหอมณ เวลา t0 ทรงกลมที่มีรัศมี r0 จะถูกดึงมาจากพื้นผิวที่มีรังสีเล็ดลอดออกมา ส่วนที่ยื่นเข้าไปด้านในจะมีรัศมี r0 - Δr และส่วนที่ยื่นออกไปด้านนอกจะมีรัศมี r0 + Δr ความเอียงของเส้นเหล่านี้สัมพันธ์กับแกนตั้งคือ 45 องศา เพราะความเร็วของการแพร่กระจายเท่ากับความเร็วแสง

ถ้าเรากำลังจัดการกับอนุภาคที่ไม่แพร่กระจายด้วยความเร็วแสงจากนั้นจึงไม่สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วแสงและดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางใดก็ได้ภายในมุมนี้

.ถ้าเราวาดแสงในจินตนาการโดยใช้แผนภาพของเราเราจะได้เส้นตารางจินตภาพภาพนี้ทำให้ชัดเจนว่าเหตุใดฉันจึงเลือกรังสีสเวต้า ลองนึกภาพว่าแทนที่จะเป็นแสง ฉันจะเลือกอนุภาคอื่นที่มีมวล จากนั้นความคลุมเครือจะปรากฏขึ้นในตารางพิกัด: อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ได้ทุกความเร็ว แสงมีประโยชน์อย่างไร? เนื่องจากมีทางเลือกที่ไม่ชัดเจนในทิศทาง: ด้านนอกหรือด้านในและหลังจากนั้นตารางก็ได้รับการแก้ไขอย่างชัดเจน

การปรากฏตัวของดาวเปลี่ยนการแผ่รังสีอย่างไร?ลองนึกภาพว่ามีดาวด้วยรัศมีของร่างกาย rbody ซึ่งหมายความว่ามันเติมรัศมีทั้งหมดจนถึงตัว rbody เนื่องจากมีสารบางอย่างอยู่ข้างใน ณ ช่วงเวลาหนึ่ง เช่น t = 0 ดาวฤกษ์จะดูเหมือนเป็นเซ็กเมนต์ หากคุณพิจารณาทุกประเด็นตามเวลา คุณจะได้แถบ ทีนี้ลองจินตนาการว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับรังสีแสงต่อหน้าวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วง รังสีของแสงจะถูกวาดเป็นสีแดงเหมือนกับที่มองเมื่อไม่มีดวงดาว และสีม่วง - รังสีของแสงต่อหน้าวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วง จากการพิจารณาทั่วไป สามารถสรุปได้หลายประการ: วัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงจะบิดเบือนรังสีของแสง และรังสีเหล่านั้นที่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์จะบิดเบี้ยวอย่างรุนแรงมากกว่ารังสีที่อยู่ไกลออกไป ดังนั้นรังสีสีม่วงจึงอยู่ห่างไกลจากดาวฤกษ์จึงไม่ต่างจากรังสีสีแดง

ลองนึกภาพว่ามวลของร่างกายจะเริ่มเปลี่ยนแปลง และรัศมีจะคงที่มวลจะเพิ่มมากขึ้น และยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าไรก็ยิ่งแข็งแกร่งเท่านั้นร่างกายจะมีอิทธิพลต่อรังสี เมื่อถึงจุดหนึ่งมวลก็จะเพิ่มขึ้นมากจนเกิดปรากฏการณ์ดังต่อไปนี้ เมื่อถึงจุดหนึ่ง มุมหนึ่งก็จะอยู่ที่ก้น ซึ่งก็คือแนวตั้งนั่นเอง ฉันจับจุดปล่อยรังสีสีม่วงไม่ใช่ที่รัศมีขอบฟ้า แต่อยู่ด้านในเล็กน้อย ดังนั้นลำแสงจึงไม่เคลื่อนไปในแนวตั้ง แต่บิดเบี้ยว

ในขณะนี้ ไม่มีขีดจำกัดในการเพิ่มมวลของหลุมดำ อย่างน้อยเราก็ไม่รู้บางทีประเด็นก็คือว่าอะไรก็ตามทฤษฎีวิทยาศาสตร์ธรรมชาติมีข้อจำกัดในการนำไปประยุกต์ใช้ ซึ่งหมายความว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะสูญเสียความสามารถในการนำไปใช้ที่ไหนสักแห่งภายในหลุมดำ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสูญเสียความสามารถในการนำไปใช้ใกล้กับบริเวณที่มวลหลุมดำเกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ แต่สิ่งนี้เกิดขึ้นที่รัศมีเท่าใดและอะไรมาแทนที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด ไม่สามารถปฏิเสธได้ว่าหากมวลของหลุมดำเพิ่มขึ้นอย่างมาก บางสิ่งบางอย่างจะเปลี่ยนไป

คำถามแรกที่ควรเกิดขึ้น: ดาวไปไหน?เนื่องจากวิถีโคจรของอนุภาคใดๆ ที่มีมวลสามารถอยู่ตรงมุมนี้เท่านั้น มันจะเคลื่อนที่แบบนี้ (สีแดง - “ไฮเทค”) แล้วชนตรงกลาง ถ้าอนุภาคที่มีมวลพุ่งเข้าหาศูนย์กลางจากจุดใดก็ตามอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ มวลทั้งหมดซึ่งก็คือเนื้อดาวทั้งหมดก็จะถูกอัดเข้าที่ศูนย์กลาง

ปัญหาคือพิกัด r และ ct ใช้ได้เฉพาะในบางพื้นที่เท่านั้น และนอกเหนือจากนั้นใช้ไม่ได้อีกต่อไปลองนึกภาพสิ่งที่คุณมีบนพื้นผิวโลกมีเส้นเมอริเดียนและแนวขนานและด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาคุณสามารถค้นหาตำแหน่งของวัตถุใด ๆ แต่บนผิวน้ำมีถ้ำที่ลึกลงไปและภารกิจคือการกำหนดตำแหน่งของแมลงวันในถ้ำนี้ ลองจิจูดและละติจูดไม่เหมาะสำหรับสิ่งนี้อีกต่อไปตอนนี้คุณต้องป้อนตารางพิกัดใหม่ มีการทดแทนบางอย่าง: ฉันวาดภาพโดยใช้ r และ t เพื่อแสดงปรากฏการณ์ แต่สิ่งสำคัญคือไม่มีพิกัด r และ t อีกต่อไป แต่มีพิกัดอื่นที่อธิบายพฤติกรรมภายในหลุมดำ ซึ่งหมายความว่าไม่มีเวลาในแนวตั้ง แต่ไหลไปทางแกนและแสดงโดยมุมเหล่านี้

เพื่อให้ได้เส้นตารางพิกัดสำหรับปริภูมิ - เวลาของหลุมดำคุณสามารถถ่ายภาพนิ่งและทำซ้ำทีละภาพโดย "ติดกาว" ต่อกันรังสีที่ส่งออกจะถูกวาดด้วยสีม่วง และสีแดง - ผู้ที่เข้าไปข้างใน รังสีแนวตั้งก็เป็นรังสีของแสงเส้นขอบฟ้าเช่นกัน เส้นสีม่วงเหล่านี้แบ่งออกเป็นสองกลุ่ม วัตถุที่พุ่งออกไปด้านนอกจะมีค่าอนันต์ และวัตถุที่พุ่งเข้าด้านในและไป r เท่ากับ 0 ปรากฏการณ์นี้คือหลุมดำ

จะเกิดอะไรขึ้นกับวัตถุเมื่อมันตกลงไปในหลุมดำ

ลองนึกภาพว่าวัตถุแขวนอยู่เหนือหลุมดำและนาฬิกาของมันกำลังเดินอยู่หรือวัตถุบินไปที่หลุมดำแล้วย้อนกลับมาและนาฬิกาของมันก็ฟ้องเช่นกันฉันบอกได้ว่าเวลาผ่านไปนานเท่าใดแต่ละวัตถุเหล่านี้ ผมจะคำนวณความยาวของเส้นที่เขาวาดบนแผนภาพนี้ แล้วหารด้วยความเร็วแสง อันที่ห้อยอยู่ก็ติดไปคราวหนึ่ง และอันที่บินก็ติดไปอีกอันหนึ่ง ตัวอย่างเช่น อย่างหนึ่งอาจใช้เวลาหลายชั่วโมง ในขณะที่อีกอันอาจใช้เวลานานหลายปี เหมือนในหนังเรื่อง Interstellar เราเห็นปรากฏการณ์ที่คล้ายกันบนโลก แต่มันไม่ได้ทำให้กาล-อวกาศโค้งงอมากนัก สิ่งนี้สังเกตได้ชัดเจนในระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก: นาฬิกาบนดาวเทียมที่เข้าร่วมในระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลกจะแสดงเวลาที่แตกต่างออกไป ถ้าฉันบินไปยังดาวเทียมและกลับมา นาฬิกาของฉันจะแสดงเวลาที่แตกต่างจากดาวเทียม ปรากฏการณ์นี้ถูกนำมาพิจารณาเพื่อให้ GPS ทำงานได้

ตามนาฬิกาของผู้สังเกตการณ์ที่แขวนอยู่เหนือหลุมดำเวลาผ่านไปนานไม่สิ้นสุดในขณะที่เขาสังเกตเห็นวัตถุที่ตกลงไปในหลุมดำวัตถุที่ตกลงไปในหลุมดำไม่เคยข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ เขาเข้ามาใกล้มากขึ้นเรื่อยๆ เหมือนอคิลลีสที่อยู่หลังเต่า แต่เขาก็สามารถเอื้อมไปถึงได้ ตามนาฬิกาของวัตถุ เวลาสุดท้ายจะผ่านไป จะตรวจสอบสิ่งนี้ได้อย่างไร? วัดความยาวของเส้นโลกระหว่างเส้นขนานที่เท่ากันกับเส้นเมอริเดียน ยิ่งส่วนนี้ยาวเท่าไรก็ยิ่งโค้งมากขึ้นเท่านั้น วัตถุกำลังบิน ช่วงเวลากำลังเดินบนนาฬิกา - บนกราฟสิ่งเหล่านี้เป็นเส้นขนานที่เว้นระยะห่างตามแนวเส้นโลกด้วยช่วงเวลาที่เท่ากัน Δt แต่ในกรณีที่ผู้สังเกตการณ์อยู่ ช่วงเวลาจะเพิ่มขึ้น และเมื่อเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ ช่วงเวลาจะเพิ่มขึ้นอย่างไม่มีขีดจำกัด ในขณะที่วัตถุเคลื่อนผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ รังสีแสงในจินตนาการจะเคลื่อนที่ในแนวตั้งไปตามขอบฟ้าและไม่เคยข้ามเส้นนี้เลย ดังนั้นผู้สังเกตจะไม่เห็นโมเมนต์ของจุดตัด และจากมุมมองของวัตถุที่ตกลงมา จำนวนช่วงเวลาที่จำกัดจะผ่านไป ปรากฏการณ์นี้ดูลึกลับ แต่เมื่อพวกเขาบอกว่าเวลาผ่านไปในรูปแบบที่แตกต่างกัน นี่ไม่ถูกต้องทั้งหมด เวลาไม่เดินช้าลง วัตถุไม่เริ่มเคลื่อนที่ช้าลง เวลาผ่านไปอย่างรวดเร็ว ตามนาฬิกาของฉัน มีสิ่งหนึ่งกำลังเดิน และตามนาฬิกาของคนอื่น มีสิ่งอื่นกำลังเดิน

ใน Interstellar มีช่วงเวลาหนึ่งที่ตัวละครหลักตกลงไปในหลุมดำตามที่ผมเข้าใจ เขาบินไปที่ศูนย์แล้วไม่ไปฉีกออกจากกัน ขณะที่มันกำลังตกลงมา มันก็บินเข้าไปใกล้วัตถุสะสมมวลสารนี้ ซึ่งเป็นจานสะสมมวลสาร ซึ่งเราเห็น และตามที่ผมเข้าใจ มันเปล่งออกมาในช่วงรังสีเอกซ์อย่างหนัก ฮีโร่ของภาพยนตร์เรื่องนี้ยังคงได้รับรังสีนี้และอาจค่อนข้างแข็งแกร่ง ประการแรกเขาถูกฉายรังสีและประการที่สองจากมุมมองของสหายของเขาที่อยู่ข้างนอกเขาบินเป็นเวลานานอย่างไม่สิ้นสุด แต่ในความเป็นจริงมันตกอยู่ภายในระยะเวลาอันจำกัด แล้วมันก็เข้าตรงกลางโดยไม่ขาดออกจากกัน คิป ธอร์น นักฟิสิกส์ ที่ปรึกษาของภาพยนตร์เรื่องนี้หารายได้จากการที่เราไม่รู้ว่ากำลังเกิดอะไรขึ้นภายใต้ขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งหมายความว่าอาจมีอะไรก็ได้ เช่น โลกมิติที่ห้า

คอลไลเดอร์สามารถวางไข่หลุมดำได้หรือไม่? สิ่งที่ตรงกันข้ามยังไม่ได้รับการพิสูจน์!

ในปี 2008 หลายคนได้ยินชื่อ Rossler นักฟิสิกส์ที่พยายามปิดเครื่อง Large Hadron Collider อย่างแข็งขันเขาพยายามฟ้องรัฐบาลเยอรมันด้วยซ้ำนี่เป็นความเสี่ยงที่ร้ายแรงมาก เพราะเขาสามารถชนะในศาลได้ ซึ่งหมายความว่า 10% ของงบประมาณของ CERN อาจหายไปได้เลย แต่ CERN ก็หันหลังให้กับ Rosler และผู้อำนวยการสถาบัน Max Planck เคยกล่าวไว้ว่าเรื่องนี้ไม่ควรปล่อยให้เป็นโอกาส และจำเป็นต้องพูดคุยกับ Rosler นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์คนนี้ยังมีคุณสมบัติเป็นนักฟิสิกส์คณิตศาสตร์อีกด้วย เขายังมีตัวดึงดูดแบบไม่เชิงเส้นตามชื่อของเขาด้วย เขาอ้างถึงข้อเท็จจริงที่น่าขบขันเป็นการโต้แย้งกับ LHC รังสีคอสมิกนั้นมีพลังงานสูงกว่าที่ CERN ดังนั้นบางสิ่งจะพังทลายลงบนพื้นโลกหรืออาจจะเป็นหลุมดำ แต่มันบินออกจากโลกด้วยความเร็วสูงและบินหนีไปที่ไหนสักแห่งดังนั้นเราจึงมองไม่เห็นมัน แต่ไม่ใช่ทุกสิ่งจะเกิดขึ้นที่ศูนย์กลางมวล ดังนั้นในกรณีที่เกิดการชน หลุมดำอาจยังคงอยู่บนโลก มันจะนั่งอยู่ที่นั่นและกลืนกินเราทีละน้อย ผู้อำนวยการสถาบันอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์รวบรวมคนหลายคนรวมทั้งฉันด้วย และเราต้อง "บีบคอ" รอสส์เลอร์คนนี้และโน้มน้าวเขาว่าเขาคิดผิด อย่างไรก็ตามเขาไม่ได้ไปศาล

ทฤษฎีดังกล่าวคาดการณ์ว่าหลุมดำนี้ซึ่งอาจก่อตัวขึ้นจากการชนกันในเครื่องชนกันจะสลายตัวทันทีเนื่องจากมันมีขนาดเล็กมาก มันจะเป็นเช่นนั้นปล่อยออกมาอย่างเข้มข้นมากตามฮอว์คิงและจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว รอสส์เลอร์บอกว่าฮอว์คิงเป็นคนโง่และคิดผิด รูจะนั่งกินอยู่อีกประการหนึ่งคือมันเล็กจึงกินได้เฉพาะสิ่งที่เล็กกว่าเท่านั้น แต่ก็ต้องใช้เวลาพอสมควรเช่นกัน มันควรกินอะไรเล็กๆ น้อยๆ ก่อน จากนั้นค่อย ๆ เติบโต จากนั้นให้ใหญ่ขึ้น และอื่นๆ และกลยุทธ์การสนทนานี้ดูเหมือนจะชนะจริงๆ โดยเฉพาะในศาล เราไม่ได้ปฏิเสธว่าหลุมดำยังคงก่อตัวอยู่ ฮอว์คิงผิดและไม่สลายตัว เรายังไม่ได้ทดสอบอะไรแบบทดลองจริงๆ ทั้งหมดนี้เป็นเพียงการอภิปรายเชิงทฤษฎีเท่านั้น

ดูเพิ่มเติมที่:

แผนที่แรกที่แม่นยำของโลกถูกสร้างขึ้น คนอื่นผิดอะไร

Elon Musk: นักท่องเที่ยวกลุ่มแรกที่ไปยังดาวอังคารจะเสียชีวิต

เศษซากขนาดใหญ่ของสถานีอวกาศ "สกายแล็ป" ของจีนบินมาที่โลก