Vesmír ničí něco různými způsoby. Pokud se pokusíte zadržet dech ve vesmíru, vaše plíce explodují; Pokud místo toho vdechnete každou molekulu vzduchu, ztratíte vědomí. Na některých místech zamrznete, protože jste ztratili poslední teplo svého těla; ostatní budou tak horkí, že atomy ve vašem těle se promění v plazmu. Ale ze všech způsobů, jak se vesmír zbavuje předmětů, je nejzábavnější poslat ho do černé díry.
Co je za horizontem události?
Podle naší teorie gravitace - Einsteinovy obecné teorie relativity - jsou vlastnosti černé díry určovány třemi věcmi. A to:
- Hmota nebo celkové množství hmoty a ekvivalentní množství energie (podle vzorce E = mc2), které vede ke vzniku a růstu černé díry do jejího současného stavu.
- Náboj nebo celkový elektrický náboj, který existuje v černé díře, ze všech pozitivně a negativně nabitých předmětů, které spadly do černé díry v celé historii jejího života.
- Úhlová hybnost (moment) nebo rotace, což je míra celkového množství rotačního pohybu, který má černá díra od přírody.
Ve skutečnosti všechny černé díry, které fyzicky existují v našem vesmíru, musí mít velké hmotnosti, značné množství hybnosti a zanedbatelné náboje. To situaci velmi ztěžuje.
Když si obvykle představujeme černou díru, představujeme si její jednoduchou verzi, která je popsána pouze svou hmotou. Má horizont událostí obklopující jeden bod a oblast obklopující tento bod, za kterou nemůže světlo jít. Tato oblast je zcela kulová a má hraniční oddělovací oblasti, ze kterých může světlo uniknout a ze kterého nemůže: horizont událostí. Horizont událostí je v určité vzdálenosti (Schwarzschildův poloměr) od singularity ve všech směrech současně.
Propagační video:
Toto je zjednodušená verze realistické černé díry, ale skvělé místo pro začátek přemýšlení o fyzice, která se odehrává na dvou různých místech: za horizontem události a uvnitř horizontu události.
Mimo horizont události se gravitace chová tak, jak jste normálně očekávali. Vesmír se ohýbá v přítomnosti hmoty, což způsobuje, že každý objekt ve vesmíru se zrychluje směrem k centrální singularitě. Kdybyste byli ve velké vzdálenosti od černé díry v klidu a nechali do ní spadnout nějaký předmět, co byste viděli?
Za předpokladu, že se vám podařilo zůstat v klidu, uvidíte, jak padající objekt pomalu zrychluje směrem k této černé díře. Zrychlí se směrem k horizontu událostí, po kterém se stane něco zvláštního. Zdá se vám, že se zpomaluje, mizí a je červenější. Ale nezmizí úplně. Přiblíží se jen k tomu: bude matný, červený a těžko detekovatelný. Vždy to uvidíte, pokud se podíváte dostatečně blízko.
Teď si představme stejný scénář, ale tentokrát si představme, že jsi stejný objekt spadající do černé díry. Zkušenost bude úplně jiná.
Horizont událostí se zvětší mnohem rychleji, než jste očekávali, protože zakřivení prostoru zesílí. Prostor je kolem horizontu události tak zakřivený, že uvidíte mnoho obrazů vesmíru, který je z vnějšku, jako by se odrazil a obrátil.
A jakmile překročíte horizont událostí, nejenže budete moci vidět vnější vesmír, ale i část vesmíru v horizontu událostí. V posledních chvílích bude prostor vypadat úplně rovně.
Co je v černé díře?
Fyzika toho všeho je složitá, ale výpočty jsou poměrně jednoduché a nejelegantněji provedené Andrewem Hamiltonem z University of Colorado v řadě článků z konce dvacátých a začátkem roku 2010. Na základě těchto výpočtů vytvořil Hamilton také řadu působivých vizualizací toho, co uvidíte, jak dopadne do černé díry.
Po prozkoumání těchto výsledků můžeme vyvodit řadu závěrů, z nichž mnohé jsou nelogické. Chcete-li se jich pokusit pochopit, musíte změnit způsob, jakým reprezentujete prostor. Obvykle to považujeme za nepohyblivou látku a myslíme si, že pozorovatel někde „sestupuje“. Ale v horizontu událostí jste vždy v pohybu. Vesmír se pohybuje - jako běžící pás - nepřetržitě a všechno samo o sobě směřuje k jedinečnosti.
A všechno se pohybuje tak rychle, že i když zrychlíte přímo od singularity nekonečnou silou, budete stále padat směrem do středu. Objekty za horizontem události vám budou stále vysílat světlo ze všech směrů, ale budete moci vidět pouze zlomek objektů za horizontem události.
Čára, která definuje hranici mezi tím, co může kterýkoli pozorovatel vidět, je matematicky popsána kardioidem, kde složka s největším poloměrem se dotkne horizontu události a složka s nejmenším poloměrem je na singularitě. To znamená, že jedinečnost, dokonce jako bod, nemusí nutně spojovat vše, co do ní spadá, se vším ostatním. Pokud vy a já spadneme do horizontu události z různých směrů současně, nikdy neuvidíme vzájemné světlo po překročení horizontu události.
Důvodem je neustále se pohybující struktura samotného vesmíru. V horizontu události se prostor pohybuje rychleji než světlo, takže z černé díry nemůže uniknout nic. Proto, když narazíte na černou díru, začnete vidět podivné věci, jako je více obrázků stejného objektu.
Tomu můžete porozumět položením otázky: Kde je singularita?
Z horizontu události černé díry, ať už se pohybujete jakýmkoli směrem, nakonec narazíte na samotnou jedinečnost. Proto je zvláštní, že se singularita objevuje ve všech směrech. Pokud vaše nohy směřují ve směru zrychlení, uvidíte je před sebou, ale také nad vámi. To vše lze snadno spočítat, i když velmi nelogicky. A to je jen pro zjednodušený případ: nerotující černá díra.
Nyní pojďme k fyzicky zajímavému případu: když se černá díra otáčí. Černé díry dluží svůj původ systémům hmoty - jako hvězdy - které se vždy otáčí na určité úrovni. V našem vesmíru (a obecně relativitě) je moment hybnosti absolutní uzavřenou veličinou pro jakýkoli uzavřený systém; neexistuje způsob, jak se toho zbavit. Když se agregát hmoty zhroutí do poloměru, který je menší než poloměr horizontu události, je v něm zachycena úhlová hybnost, stejně jako hmota.
Řešení, které zde máme, bude mnohem komplikovanější. Einstein představil obecnou relativitu v roce 1915 a Karl Schwarzschild získal řešení pro nerotující černou díru o několik měsíců později, začátkem roku 1916. Ale další krok v realističtějším modelování tohoto problému - kde černá díra má moment hybnosti, nejen hmotnost - byl učiněn až v roce 1963, když Roy Kerr našel přesné řešení v roce 1963.
Existuje několik zásadních a důležitých rozdílů mezi naivnějším a jednodušším řešením společnosti Schwarzschild a realističtějším a komplexnějším řešením Kerra. Mezi nimi:
- Namísto jediného rozhodnutí o tom, kde je horizont událostí, má rotující černá díra dvě matematická řešení: vnitřní a vnější horizont události.
- Za horizontem vnějších událostí je i místo zvané ergosféra, ve kterém se prostor sám pohybuje rychlostí otáčení rovnou rychlosti světla a částice v něm zažívají obrovské zrychlení.
- Existuje maximální přípustný poměr momentu hybnosti k hmotnosti; pokud je hybnost příliš silná, černá díra bude vyzařovat tuto energii (prostřednictvím gravitačního záření), dokud neklesne na hranici.
- A nejzajímavější věc: singularita ve středu černé díry již není bodem, ale jednorozměrným prstencem, jehož poloměr je určován hmotností a úhlovým momentem černé díry.
Co se stane, když narazíte na černou díru? Ano, je to stejné jako to, co se stane, když upadnete do neotáčející se černé díry, až na to, že se celý prostor nechová, jako by padal směrem k centrální singularitě. Místo toho se prostor chová, jako by se pohyboval ve směru otáčení, jako vířící trychtýř. Čím větší je poměr hybnosti k hmotnosti, tím rychleji se otáčí.
To znamená, že pokud uvidíte něco padajícího do černé díry, uvidíte, že se stmívá a zčervenává, ale také se rozmazává do prstence nebo disku ve směru otáčení. Pokud spadneš do černé díry, budeš se točit jako kolotoč, který tě táhne směrem ke středu. A když dosáhnete jedinečnosti, bude to prsten; různé části vašeho těla se setkají s jedinečností - na vnitřním ergosurface černé Kerrové díry - v různých prostorových souřadnicích. Postupně přestanete vidět jiné části vašeho těla.
Nejdůležitější věcí, kterou musíte ze všeho pochopit, je to, že samotná struktura prostoru je v pohybu a horizont události je definován jako místo, kde i když se pohybujete rychlostí světla, podle toho, který směr zvolíte, nevyhnutelně se srazíte se zvláštností.
Vykreslování Andrewa Hamiltona jsou nejlepší a nejpřesnější modely toho, co se stane, když upadnete do černé díry, a jsou tak nelogické, že je třeba se na ně znovu a znovu dívat, dokud něco nezačnete rozumět (opravdu nezačnete). Je to strašidelné a krásné a pokud jste dost dobrodružní, abyste mohli letět do černé díry a překročit horizont události, bude to poslední věc, kterou jste kdy viděli.
Ilya Khel