Wszechświat niszczy coś na różne sposoby. Jeśli spróbujesz wstrzymać oddech w przestrzeni, twoje płuca eksplodują; jeśli zamiast tego wdychasz każdą cząsteczkę powietrza, stracisz przytomność. W niektórych miejscach zamarzniesz, tracąc resztki ciepła ciała; inne będą tak gorące, że atomy w twoim ciele zamieniają się w plazmę. Ale ze wszystkich sposobów, w jakie wszechświat pozbywa się obiektów, najfajniejsze jest wysłanie go do czarnej dziury.
Co jest poza horyzontem wydarzeń?
Zgodnie z naszą teorią grawitacji - ogólną teorią względności Einsteina - o właściwościach czarnej dziury decydują trzy rzeczy. Mianowicie:
- Masa, czyli całkowita ilość materii i równoważna ilość energii (zgodnie ze wzorem E = mc2), które idą do powstania i wzrostu czarnej dziury do jej obecnego stanu.
- Ładunek lub całkowity ładunek elektryczny, który istnieje w czarnej dziurze ze wszystkich dodatnio i ujemnie naładowanych obiektów, które wpadły do czarnej dziury w całej historii jej życia.
- Pęd (moment) lub spin, który jest miarą całkowitej ilości ruchu obrotowego, jaki czarna dziura ma z natury.
W rzeczywistości wszystkie czarne dziury, które fizycznie istnieją w naszym wszechświecie, muszą mieć duże masy, znaczne ilości momentu pędu i pomijalne ładunki. To sprawia, że sytuacja jest niezwykle trudna.
Kiedy zwykle wyobrażamy sobie czarną dziurę, wyobrażamy sobie jej prostą wersję, którą opisuje jedynie jej masa. Ma horyzont zdarzeń otaczający jeden punkt i obszar otaczający ten punkt, poza który światło nie może wyjść. Obszar ten jest całkowicie kulisty i ma granicę oddzielającą obszary, z których światło może uciekać iz których nie może: horyzont zdarzeń. Horyzont zdarzeń znajduje się w pewnej odległości (promień Schwarzschilda) od osobliwości we wszystkich kierunkach jednocześnie.
Film promocyjny:
To uproszczona wersja realistycznej czarnej dziury, ale świetne miejsce, aby zacząć myśleć o fizyce rozgrywającej się w dwóch różnych miejscach: poza horyzontem zdarzeń i wewnątrz horyzontu zdarzeń.
Poza horyzontem zdarzeń grawitacja zachowuje się tak, jak można by się normalnie spodziewać. Przestrzeń wygina się w obecności masy, co powoduje, że każdy obiekt we wszechświecie przyspiesza w kierunku centralnej osobliwości. Co byś zobaczył, gdybyś znajdował się w dużej odległości od czarnej dziury w spoczynku i wpuścił do niej obiekt?
Zakładając, że udało ci się pozostać nieruchomo, zobaczysz, że spadający obiekt powoli przyspiesza od ciebie w kierunku czarnej dziury. Przyspieszy w kierunku horyzontu zdarzeń, po czym stanie się coś dziwnego. Wydaje ci się, że zwalnia, zanika i staje się bardziej czerwony. Ale nie zniknie całkowicie. Będzie tylko się do niego zbliżać: stanie się matowy, czerwony i trudniejszy do wykrycia. Zawsze możesz to zobaczyć, jeśli przyjrzysz się wystarczająco uważnie.
Teraz wyobraźmy sobie ten sam scenariusz, ale tym razem wyobraźmy sobie, że jesteś tym samym obiektem wpadającym do czarnej dziury. Doświadczenie będzie zupełnie inne.
Horyzont zdarzeń zwiększy się znacznie szybciej, niż się spodziewałeś, gdy krzywizna przestrzeni stanie się silniejsza. Przestrzeń jest tak zakrzywiona wokół horyzontu zdarzeń, że zobaczysz wiele obrazów wszechświata, który jest z zewnątrz, tak jakby był odbity i przewrócony.
A kiedy przekroczysz horyzont zdarzeń, nadal będziesz w stanie zobaczyć nie tylko wszechświat zewnętrzny, ale także część wszechświata w horyzoncie zdarzeń. W ostatnich chwilach przestrzeń będzie wyglądała na całkowicie płaską.
Co jest w czarnej dziurze?
Fizyka tego wszystkiego jest złożona, ale obliczenia są dość proste i najbardziej elegancko wykonane przez Andrew Hamiltona z University of Colorado w serii artykułów z końca 2000 i początku 2010 roku. Hamilton stworzył również serię imponujących renderingów tego, co zobaczysz wpadając do czarnej dziury na podstawie tych obliczeń.
Po przeanalizowaniu tych wyników możemy wyciągnąć szereg wniosków, z których wiele jest nielogicznych. Aby spróbować nadać im sens, musisz zmienić sposób, w jaki reprezentujesz przestrzeń. Zwykle myślimy o niej jako o nieruchomej tkaninie i myślimy, że obserwator gdzieś „schodzi”. Ale w horyzoncie zdarzeń zawsze jesteś w ruchu. Przestrzeń porusza się - jak bieżnia - w sposób ciągły, przesuwając wszystko samo w sobie w kierunku osobliwości.
I porusza wszystko tak szybko, że nawet jeśli przyspieszasz prosto z osobliwości z nieskończoną siłą, nadal spadasz w kierunku środka. Obiekty poza horyzontem zdarzeń nadal będą wysyłały światło ze wszystkich kierunków, ale będziesz w stanie zobaczyć tylko część obiektów spoza horyzontu zdarzeń.
Linia, która definiuje granicę między tym, co widzi każdy obserwator, jest matematycznie opisana przez kardioidę, w której składnik o największym promieniu dotyka horyzontu zdarzeń, a składnik o najmniejszym promieniu znajduje się w osobliwości. Oznacza to, że osobliwość, nawet jako punkt, niekoniecznie łączy wszystko, co się w niej mieści, ze wszystkim innym. Jeśli ty i ja wpadniemy w horyzont zdarzeń w tym samym czasie z różnych kierunków, nigdy nie zobaczymy się nawzajem po przekroczeniu horyzontu zdarzeń.
Powodem tego jest nieustannie poruszająca się struktura samego Wszechświata. Wewnątrz horyzontu zdarzeń przestrzeń porusza się szybciej niż światło, więc nic nie może uciec z czarnej dziury. Dlatego po trafieniu w czarną dziurę zaczynasz widzieć dziwne rzeczy, takie jak wiele obrazów tego samego obiektu.
Możesz to zrozumieć, zadając pytanie: gdzie jest osobliwość?
Z poziomu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, niezależnie od kierunku, w którym się poruszasz, napotykasz samą osobliwość. Dlatego, co dziwne, osobliwość pojawia się we wszystkich kierunkach. Jeśli Twoje nogi są skierowane w kierunku przyspieszenia, zobaczysz je przed sobą, ale także nad sobą. Wszystko to jest łatwe do obliczenia, choć niezwykle nielogiczne. A to tylko dla uproszczonego przypadku: nieobrotowa czarna dziura.
Przejdźmy teraz do interesującego fizycznie przypadku: kiedy obraca się czarna dziura. Czarne dziury zawdzięczają swoje pochodzenie układom materii - takim jak gwiazdy - które zawsze obracają się na pewnym poziomie. W naszym wszechświecie (i w ogólnej teorii względności) moment pędu jest absolutną objętością zamkniętą dla dowolnego układu zamkniętego; nie ma sposobu, aby się go pozbyć. Kiedy skupisko materii zapada się do promienia mniejszego niż promień horyzontu zdarzeń, moment pędu zostaje w nim uwięziony, podobnie jak masa.
Rozwiązanie, które tu mamy, będzie znacznie bardziej skomplikowane. Einstein przedstawił ogólną teorię względności w 1915 roku, a Karl Schwarzschild uzyskał rozwiązanie dla nierotującej czarnej dziury kilka miesięcy później, na początku 1916 roku. Ale następny krok w modelowaniu tego problemu w bardziej realistyczny sposób - gdzie czarna dziura ma momenty kątowe, a nie tylko masę - został podjęty dopiero w 1963 roku, kiedy Roy Kerr znalazł dokładne rozwiązanie w 1963 roku.
Istnieje kilka fundamentalnych i ważnych różnic między bardziej naiwnym i prostszym rozwiązaniem Schwarzschilda a bardziej realistycznym i złożonym rozwiązaniem Kerra. Pomiędzy nimi:
- Zamiast jednej decyzji, gdzie jest horyzont zdarzeń, obracająca się czarna dziura ma dwa rozwiązania matematyczne: wewnętrzny i zewnętrzny horyzont zdarzeń.
- Nawet poza zewnętrznym horyzontem zdarzeń znajduje się miejsce znane jako ergosfera, w którym sama przestrzeń porusza się z prędkością obrotową równą prędkości światła, a zawarte w niej cząstki doznają ogromnych przyspieszeń.
- Istnieje maksymalny dopuszczalny stosunek momentu pędu do masy; jeśli pęd jest zbyt silny, czarna dziura będzie promieniować tą energią (poprzez promieniowanie grawitacyjne), aż spadnie do granicy.
- I najciekawsze: osobliwość w środku czarnej dziury nie jest już punktem, ale jednowymiarowym pierścieniem, którego promień jest określony przez masę i moment pędu czarnej dziury.
Mając to wszystko na uwadze, co się stanie, gdy trafisz w czarną dziurę? Tak, to jest to samo, co dzieje się, gdy wpadniesz do nieobrotowej czarnej dziury, z wyjątkiem tego, że cała przestrzeń nie zachowuje się tak, jakby opadała w kierunku centralnej osobliwości. Zamiast tego przestrzeń również zachowuje się tak, jakby poruszała się wzdłuż kierunku obrotu, jak wirujący lejek. Im większy stosunek pędu do masy, tym szybciej się obraca.
Oznacza to, że jeśli zobaczysz, że coś wpada do czarnej dziury, zobaczysz, że staje się ciemniejsze i bardziej czerwone, ale także rozmazuje się w pierścieniu lub dysku w kierunku obrotu. Jeśli wpadniesz w czarną dziurę, obrócisz się jak karuzela, która ciągnie cię w kierunku środka. A kiedy osiągniesz osobliwość, będzie to pierścień; różne części twojego ciała spotkają się z osobliwością - na wewnętrznej powierzchni ergo-powierzchni czarnej dziury Kerra - w różnych współrzędnych przestrzennych. Stopniowo przestaniesz widzieć inne części swojego ciała.
Najważniejszą rzeczą, którą musisz zrozumieć z tego wszystkiego, jest to, że sama struktura przestrzeni jest w ruchu, a horyzont zdarzeń jest definiowany jako miejsce, w którym nawet jeśli poruszasz się z prędkością światła, niezależnie od wybranego kierunku, nieuchronnie zderzysz się. z osobliwością.
Renderingi Andrew Hamiltona są najlepszymi i najdokładniejszymi modelami tego, co dzieje się, gdy wpadasz w czarną dziurę, i są tak nielogiczne, że trzeba je przeglądać w kółko, aż zaczniesz coś rozumieć (tak naprawdę nie zaczynasz). Jest przerażający i piękny, a jeśli jesteś na tyle odważny, aby kiedykolwiek wlecieć do czarnej dziury i przekroczyć horyzont zdarzeń, będzie to ostatnia rzecz, jaką kiedykolwiek widziałeś.
Ilya Khel