Времето около черните дупки

Сингулярност

В математиката е обичайно да се срещнете с безкрайност в решенията на някои уравнения. Когато безкрайността е съсредоточена в точка се нарича сингулярност.

Гравитационната сингулярност е  точка или място, в което се нарушава непрекъснатостта на пространство-времето, през което не може гладко да се продължи входящата в нея геодезична линия. В тези области са неприложими повечето физични теории, в които пространство-времето се разглежда като гладко многообразие без край (тези понятия сме ги разглеждали в Хипотезата на Поанкаре. Там изкривяването на пространство-времето клони към безкрайност. Сингулярност има не само във вътрешността на черните дупки, а и в началния момент на Големия взрив.

Хоризонт на събитията

Хоризонт на събитията. Илюстрация: de.wikipedia

В общата теория на относителността , хоризонт на събитията е въображаема граница в пространство-времето, отвъд която събитията не са видими за наблюдател, който се намира от другата й страна. Заради крайната скорост на светлината, информация или физически сигнали не могат да стигнат до наблюдател отвъд тази граница. Ако един обект пресече хоризонта на събитията, той никога не може да се измъкне от него.

Хоризонт на събитията има около черните дупки, но и самата Вселена като цяло се простира само до хоризонта на събитията, който е на разстояние около 47 милиарда светлинни години. Свойствата на пространството - времето в района между сингулярността и хоризонта на събитията и района извън хоризонта на събитията, въпреки че и двата се описват от уравненията на общата теория на относителността, се различават значително.

Свойствата на пространството - времето в близост до сингулярността се променят драстично и все още са малко проучени - може би след развитието на теорията за квантовата гравитация.

Сферата на Шварцшилд

През 1916 г., само няколко месеца след публикуването на общата теория на относителността на Айнщайн, немският астроном Карл Шварцшилд намира точно решение на уравненията на гравитационното поле, което, както се оказа, описва геометрията на пространство - времето в близост до сферично симетрична черна дупка.

Черната дупка е обект, цялата маса на който е концентрирана вътре в сферата на Шварцшилд, с такава чудовищна гравитация, че дори светлинните лъчи не могат да се откъснат.. Тя може да се образува от колапса на масивна неутронна звезда и всъщност е област на пространството, ограничено от сферата на Шварцшилд, в центъра на която е сингулярност.

За външния наблюдател, процесите, които протичат в близост до черна дупка се забавят, а когато се достигне хоризонта на събитията, времето "замръзва". Ако си представим астронавт, свободно падащ в черна дупка, тогава за отдалечен наблюдател, астронавтът асимптотично ще се приближава към сферата на Шварцшилд и като че ли ще зависне над нея.

Вътрешността на черната дупка е област на пространството и времето, която никога не може да се наблюдава отвън. Шварцшилдовият радиус отделя събитията вътре в черната дупка от тези вън от нея-затова се нарича „хоризонт на събитията", макар че понятията не се припокриват - (виж по-горе). В известен смисъл вътрешността на черната дупка е отвъд края на времето спрямо обаче само външната вселена. 

Астронавтът не би забелязал в околността нищо странно нито за времето, нито за коя да е друга проява на локалната физика- никаква деформация на времето или пространството. Според часовника на астронавта, собственото му време за достигане на сингулярността е крайно и той веднага пресича хоризонта на събитията. Всъщност няма локална физическа величина, която да е сингулярна в Шварцшилдовата сфера.

За да бъде установена деформация на времето, трябва да се сравняват часовници при Шварцшилдовата сфера с отдалечени от нея часовници, т.е.  нелокално сравняване на часовници. Ако астронавтът имаше бинокъл и можеше да види с него една отдалечена планета, той би видял, че там животът тече с бесни темпове и тогава ще открие деформацията на времето.

Нов поглед в черните дупки - диаграмата на Крускал и Секереш

През 1960 г. Крускал (Martin Kruskal) и Секереш (George Szekeres) построяват диаграма, която коректно обхваща цялото пространство-време и напълно разкрива структурата на черна дупка.

Те са установили, че сингулярната природа на Шварцшилдовия радиус е чисто математическа, а не физическа. Математическата сингулярност е подобна на линиите на географските ширини и дължини в полюсите на глобуса. Изкривяване при полюсите се дължи само на избраната координатна система. С избор на друга координатна система, с една проста трансформация, сингулярността в Шварцшилдовия радиус може да бъде избегната.

Диаграмата на Крускал и Секереш преобразува координатите в равнина (v,u) като пространство-времето се разделя на две външни области и два района вътре в хоризонта на събитията, ограничени от сингулярностите на миналото и бъдещето. В неоцветените области са координатите на Шварцшилд. Черната област е извън време-пространството. На диаграмата на Крускал светлината винаги се движи под ъгъл от 45 º, линията с постоянен радиус е хипербола, а линията с постоянно време минава през началото на координатите. Вътре в хоризонта на събитията на бъдещето лежи черна дупка, а в хоризонта на събитията на миналото - бяла, нито една траектория не може да изведе от едната вселена в другата, без да се мине през сингулярността при r=0.

Тъй като сингулярността на Шварцшилд е пространственоподобна, преходът от едната Вселена в другата е невъзможен, защото всяка разрешена траектория е времеподобна и никога не излиза отвъд хоризонта на събитията. Под хоризонта на събитията линията на постоянното разстояние има пространственоподобно направление, а линията на постоянното време - времеподобно направление. По този начин, при преминаване на хоризонта на събитията на ролите времето и пространството се разменят.

	Диаграмата на Крускал може да се тълкува по следния начин. Има две взаимно перпендикулярни оси на времето, две времена: едното от тях тече за наблюдателя над хоризонта на събитията, а другото - под хоризонта на събитията. Координатата на времето под хоризонта на събитията е независима, перпендикулярна на външното време. Тези две времена имат една пресечна точка на хоризонта на събитията.Зад светлинната бариера се намират ненаблюдаеми, имагинерни области на пространствено-времевото многообразие.
	Анимацията представя отделни кадри - сините хиперболи, които са повърхнина с Шварцшилдови радиални координати, които са константи и са с все по-малък радиус, докато не свършат върху сингулярността.
Илюстрация: wikipedia

Същественото в специалната теория на относителността за разбирането на проблема за размерността на времето е, че се появи представата за завъртането на времевата ос. Въпреки че промяната е формална и се извършва в една абстрактна комплексна равнина (x,ict)-диаграмата на Минковски, важното е, че тази промяна е свързана с относителна скорост v. Следователно, ако говорим за промяна на посоката на течението на времето, промяната следва да се дължи главно на промяната в скоростта на относителното движение.

Ако има материален свят, в който времето не тече като нашето, той ще е населен от обекти, движещи се със свръхсветлинни скорости - това са т.н. тахиони (Тахионите – акушерите на Вселената) .

Стивън Хокинг за черните дупки

На 24.01. 2014г., Стивън Хокинг публикува в arXiv.org препринт на своя статия, в която предлага обяснение на парадокса firewall или "огнена стена". От пояснението следва, че не съществуват черни дупки в класическия смисъл на думата. Според Хокинг, поради квантовите ефекти на пертурбациите, да се определи точната граница на черната дупка е невъзможно по принцип. Той предлага да се замени хоризонта на събитията с понятието "видим хоризонт на събитията". Този хоризонт е в състояние да задържи материята и енергията само за известно време, но не завинаги.

"Липсата на хоризонт на събитията означава, че не съществуват и черни дупки. Най-малко, в смисъл на области на пространството, в които светлината не е в състояние да проникне"- заключава Хокинг.

Физикът Дон Пейдж, цитиран от Nature News, смята, че в схемата на Хокинг, с времето, видимият хоризонт на черната дупка може да изчезне напълно. В резултат на това всичко, което е в дупката, ще бъде изхвърлено.

Илюстрация: Oracle ThinkQuest, чрез http://library.thinkquest.org.

В тази си работа, Хокинг също така пише, че излъчването на дупките ще има хаотичен характер, което означава, че да се извлече информация от черна дупка е като дългосрочните метеорологични прогнози. Kакто добре знаем от Теория на хаоса и катастрофите, хаотичните, нелинейни явления са силно зависими от началните условия и най-малката неточност при определянето на тези условия води до коренно различни решения, което прави задачата нерешима.

Още в средата на XX век, Стивън Хокинг е открил, че квантовите ефекти в близост до хоризонта на събитията водят до това, че черните дупки всъщност излъчват, като спектърът на това излъчване е подобен на спектъра на излъчване от абсолютно черно тяло. От гледна точка на квантовата механика, това означава, че черните дупки губят информацията за това, което са погълнали.

Този ефект е в противоречие с постулата за запазване на информацията, в някакъв смисъл, обобщение на закона за запазване на енергията и е наречен информационен парадокс на черните дупки. Лъчението на Хокинг идва от двойки сплетени квантови частици, една от които "се изплъзва" , а другата попада в черната дупка. Така се образува бариера от високоенергийни частици около хоризонта на събитията. Парадоксът идва от това, че имаме сплетена двойка от частица, която отива "вътре" и друга, която се излъчва "навън".

view.ca

Разработвайки идеите на Хокинг и опитвайки се да разреши парадокса, физикът Джоузеф Полчински (Joseph Polchinski) с колеги през 2012 г. описва ефекта на т. н. "стена от огън" Същността й се състои в това, че вместо хоризонт на събитията, се образува "огнена стена" - област с на частици с огромна енергия. Този резултат, от своя страна, е в противоречие с теорията на относителността, според която хоризонтът на събитията не е по-различен от други области на пространството спрямо физичните закони.

Източници:

Гипотеза многомерного времени в современных физических теориях, Трофименко А.П., Артеменко О.Л., Спасков А.Н.

Относно времето, Пол Дейвис

ГИПОТЕЗАМНОГОМЕРНОГОВРЕМЕНИ В КОНТЕКСТЕ ПРОБЛЕМ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ ЧАСТЬI. МНОГОМЕРНОЕ ВРЕМЯ ВМАКРО- И МЕГАМИРЕ О.Л. Артеменко, А.Н. Спасков

Черные дыры: физика и астрофизика

Kruskal–Szekeres coordinates Kruskal Coordinates and Penrose Diagrams.

Yes, Virginia, Black Holes Exist!, Ethan Siegel

Astrophysics: Fire in the hole!, Zeeya Merali

Още по темата

08/03/2015

Физика

Възможна ли е скорост, по-голяма от скоростта на светлината? В търсене на тахионите

07/03/2015

Физика

Обща теория на относителността

09/01/2015

Физика

Ефектът забавяне на времето и скъсяване на дължините

25/12/2014

Математика

Хипотезата на Поанкаре - последната решена нерешима задача