Як поводиться простір-час поруч із зіркою
Щоб зрозуміти, що таке чорна дірка, необхідно
Прикладом однорідного простору є вакуум: порожнеча, в якій немає ніяких частинок.Світло в ній, за принципом Ферма, має рухатисянайкоротшим шляхом. Якщо світло рухається у плоскому просторі, тобто у двовимірному та невикривленому, найкоротшим шляхом буде пряме. Але виявляється, що в присутності об'єктів, що гравітують, світло рухається не по прямій: промені світла викривляються. Це з тим, що гравітуючі тіла викривляють простір-час.
У ньютоновой механіці окремо вимірюється відстань в просторі і окремо - час.Навіщо це нам потрібно?Щоб, наприклад, визначити траєкторію польоту частки, ядра, ракети чи літака. Спеціальна теорія відносності заявляє, що окремого способу вимірювання відстані та часу немає, а є єдиний спосіб вимірювання відстаней у просторі-часі. Коли ми говоримо про просторово-часовий континуум, то йдеться про чотиривимірний простір: три координати плюс часова координата. Але не дуже зрозуміло, як чотиривимірний простір-час намалювати на двовимірній поверхні. Ми знаємо, що положення у просторі можна визначати за трьома координатами: x, y, z – це декартові координати. З іншого боку, ми можемо точно визначати положення точки у просторі, використовуючи сферичні координати. Тому можна використовувати лише координату r та часову координату. В результаті виходить напівплощина, тому що r завжди більше 0, а час може бути від мінус до плюс нескінченності. Крапка у цьому просторі — ця сфера. Наприклад, у момент часу t0, якщо розглядаю точку r0 на цій напівплощині, це просто якась сфера радіуса r0, взята в момент часу t0.
Є сфера радіуса r0,і з будь-якої точки цієї сфери випромінюються промені світла, що йдуть усередину та назовні.Тобто виходить хвильової світловий фронт, який йде всередину - стискає сфера, і що йде назовні - розширюється сфера. Але уявіть собі, що в кожен даний момент простір розшароване
як цибулина.У момент часу t0 взято сферу радіусу r0, з поверхні якої виходять промені. Ті, що йдуть усередину, утворюють фронт із радіусом r0 - Δr, а ті, що назовні, - r0 + Δr. Нахил цих ліній по відношенню до вертикальної осі становить 45 градусів, тому що швидкість поширення дорівнює швидкості світла.
Якщо ми маємо справу з часткою, якапоширюється не зі швидкістю світла, то вона не може рухатися зі швидкістю більшою, ніж швидкість світла, і, відповідно, може рухатися в будь-якому напрямку всередині цього кута.
.Якщо малювати уявні промені світла, використовуючи нашу діаграму, то вийде уявна координатна сітка.З цього малюнка зрозуміло, чому я вибрав променісвітла. Уявіть собі, що замість світла я вибрав би якісь інші частинки, які мають масу, тоді в координатній сітці з'явилася б неоднозначність: частки можуть рухатись із будь-якими швидкостями. Чим вигідне світло? Тим, що є неоднозначний вибір у напрямку: або назовні, або всередину, а потім сітка однозначно фіксована.
Як змінить випромінювання наявність зірки?Уявімо, що існує зірка зрадіусом тіла rтіла. Значить, вона заповнює всі радіуси до тіла, тому що там усередині є якась речовина. В даний момент часу – наприклад, t = 0 – зірка виглядає просто як відрізок. Якщо розглянути всі моменти часу, то вийде смужка. Тепер уявімо, що відбуватиметься з променями світла у присутності гравітуючого тіла. Червоним кольором намальовані промені світла, як вони виглядали б за відсутності зірки. А фіолетовим - промені світла у присутності гравітуючого тіла. Із загальних міркувань можна зробити кілька висновків: ті, що гравітує, спотворює промені світла, і ті промені, які знаходяться ближче до зірки, спотворюються сильніше, ніж ті, що знаходяться далі. Тому далеко від зірки фіолетові промені практично не відрізняються від червоних.
Уявіть собі, що маса тіла почне змінюватися, а радіус буде зафіксовано.Маса зростатиме, і що більше вона, то сильнішатіло впливатиме на промені. У якийсь момент маса збільшиться настільки, що станеться таке явище. Деякий момент куточок стане на попа, тобто просто вертикально. Я взяв точку випромінювання фіолетових променів не на радіусі горизонту, а трохи всередині, тому промінь іде не вертикально, а спотворюється.
На даний момент меж збільшення маси чорної діри не існує. Принаймні нам невідомо.Можливо, річ у тому, що будь-якаприроднича теорія має межі застосовності, отже, зокрема теорія відносності втрачає свою застосовність десь усередині чорної діри. Загальна теорія відносності втрачає свою застосування дуже близько до області, де сконцентрована майже вся маса чорної діри. Але на якому радіусі це відбувається і що замінює загальну теорію відносності, невідомо. Також не можна виключати, що якщо маса чорної дірки дуже сильно збільшиться, щось зміниться.
Перше питання, яке повинен виникнути: куди ж поділася зірка?Так як траєкторія будь-якої частинки з масою можеперебувати лише всередині цього куточка, вона рухається так (червоний колір - «Хайтек») і потрапляє на центр. Якщо з будь-якої точки частка з масою неминуче потрапить у центр, то й уся маса, все тіло зірки стиснеться у центр.
Проблема у тому, що координати r і ct застосовні лише у певної області, а її межами вже немає.Уявіть собі, що у вас на поверхні Земліє меридіани і паралелі, і з їх допомогою можна визначити місце розташування будь-якого об'єкта. Але на поверхні є печера, яка йде вглиб, і є завдання визначити положення мухи в цій печері. Довгота і широта для цього вже не підійде, тепер потрібно ввести нову координатну сітку. Відбувається певна підміна: я малював картинку з використанням r і t, щоб показати явище, але важливо, що тут вже немає координат r і t, а є якісь інші координати, які описують поведінку всередині чорної діри. Значить, там час спрямоване не вертикально, а тече в бік осі, і це показується цими куточками.
Щоб отримати координатну сітку для простору-часу чорної діри, можна взяти статичну картинку і повторювати одну за одною, «приклеюючи» одна до одної.Фіолетовим кольором намальовані вихідні промені, ачервоним - що входять усередину. Вертикальний промінь - теж промінь світла, горизонту. Ці фіолетові лінії поділяються на дві групи. Ті, що спрямовані назовні, йдуть у нескінченність, а ті, що всередині, спрямовані всередину і йдуть у r, що дорівнює 0. Це явище і є чорною діркою.
Що відбувається з об'єктом, коли він падає в чорну діру
Уявіть собі, що якийсь об'єкт висить над чорною дірою, і у нього цокає годинник, або об'єкт злітав до чорної діри і повернувся, і у нього теж цокали годинник.Я можу визначити, скільки натикало щогодиникожного із цих об'єктів. Я просто порахую довжину лінії, яку він накреслив на цій діаграмі, і поділю на швидкість світла. Той, що висів, у нього натикає один час, а у літаючого натикає інше. Наприклад, в одного може пройти кілька годин, а в іншого роки. Як у фільмі "Інтерстелар". Подібне явище ми бачимо на Землі, але вона не так сильно викривляє простір-час. Це помітно в системах глобального позиціонування: годинник на супутниках, які беруть участь у системі глобального позиціонування, показують інший час. Якщо я злітаю на супутник і повернуся, на моїй годині протикає відмінний від супутника час. Це явище враховується для того, щоб GPS працювала.
По годинах спостерігача, який висить над чорною дірою, проходить нескінченно довго часу, поки він спостерігає за об'єктом, що падає чорну діру.Об'єкт, який падає чорну дірку, ніколи неперетинає обрій подій. Він усе ближче і ближче, як Ахіллес за черепахою, але може досягти його. По годинах об'єкта пройде кінцевий час. Як це визначити? Вимірюють довжину світової лінії між однаковими паралелями та меридіанами. Чим довше цей відрізок, тим сильніше викривлений. Об'єкт летить, його годинником цокають проміжки часу — на графіці це паралелі, які відстоять уздовж світової лінії на однакові проміжки часу Δt. Але там, де спостерігач, проміжок часу зростає, причому з наближенням до горизонту подій проміжок часу зростає необмежено. У момент, коли об'єкт перетинає горизонт подій чорної діри, уявний промінь світла йде вздовж горизонту вертикально і цю лінію ніколи не перетинає. Тому спостерігач ніколи не побачить моменту перетину, а з точки зору об'єкта, що падає, проходить кінцева кількість проміжків часу. Це явище виглядає містичним, але коли кажуть, що час тече по-різному. Це не зовсім вірно. Час не сповільнюється, об'єкт не починає рухатись повільніше. Час як цокало, так і цокає, просто по моїй годині одне натикає, по чужій годині - інше.
У «Інтерстеллар» є момент, коли головний герой впав у чорну діру.Як я розумію, він долетів до центру і його нерозірвало. Поки він падав, пролетів неподалік цієї акреційної матерії, акреційного диска, який ми й бачимо, а я так розумію, що він випромінює в жорсткому рентгенівському діапазоні. Герой фільму це випромінювання таки отримав, і, мабуть, досить сильне. Він, по-перше, опромінився, а по-друге, з погляду товаришів, які зовні летів нескінченно довгий час. Але насправді він падає упродовж кінцевого часу. А потім він потрапив до центру і його при цьому не розірвало. Консультант фільму, фізик Кіп Торн виходить з того, що ми не знаємо, що відбувається під горизонтом подій, а значить, може бути що завгодно, наприклад, п'ятивимірний світ.
Чи може коллайдер породити чорну діру? Протилежне не доведено!
У 2008 році багато хто чув про фізику Росслер, який намагався активно закрити Великий адронний коллайдер.Він навіть намагався засудити уряд Німеччини.Це був справді серйозний ризик, бо він міг перемогти у суді, отже, і 10% бюджету ЦЕРНу могло просто зникнути. Але від Росслера відвернувся і ЦЕРН, а директор Інституту Макса Планка якось сказав, що не можна це пускати на самоплив і треба з Рослером поговорити. При цьому цей вчений із кваліфікованих, матфізик. У нього навіть є нелінійний атрактор, який носить його ім'я. Він як контраргумент проти БАК наводив кумедний факт. Що космічні промені мають більші енергії, ніж у ЦЕРНі. Тому щось там по Землі шандарахне, а може, й чорна діра утворюється, але вона з величезною швидкістю вилітає з планети і кудись відлітає, тому ми її не бачимо. Але не все відбувається в центрі мас, тому при зіткненні там, на Землі може залишитися чорна дірка, вона там сидітиме і потихеньку нас пожиратиме. Директор інституту Альберта Ейнштейна зібрав кілька людей, включаючи мене, і ми повинні були «душити» цього Росслера і переконати його в тому, що він не має рації. До суду, щоправда, не пішов.
Теорія передбачає, що ця чорна діра, яка може утворитися в результаті зіткнення в колайдері, відразу розпадеться.Так як вона дуже мікроскопічна, то будедуже інтенсивно випромінювати по Хокінгу і швидко розпадеться. Росслер говорив, що Хокінг дурень і не правий. Діра буде там сидіти і жерти, інша справа, що вона була дрібна, тому жерти вона може тільки те, що менше її розміром, але це теж вимагає якийсь час. Вона спочатку повинна щось дрібне жерти, потім потихеньку рости, потім більше і так далі. І така стратегія розмови справді здавалася виграшною, особливо у суді. Ми не виключаємо, що чорна діра все ж таки утворюється, що Хокінг не правий і вона не розпадається. Ми справді нічого не перевірили експериментально. Усе це лише теоретичні обговорення.
Читайте також:
Створено першу точна карта світу. Що не так з усіма іншими?
Ілон Маск: перші туристи на Марс загинуть
Великі уламки китайської космічної станції «Скайлеб» летять до Землі