"Musta augu lahing". Peatükk raamatust

lühidalt minust: "flöödi kõlades kaotab ta tahte, kui kuuleb mustadest aukudest ja muust kosmosest." Kahjuks ei saanud ma füüsikateaduskonnas haridust, nii et räägin raamatust eranditult humanistina (faktivigu ja väärarusaamu otsi mod off tekstist).

Kvantmehaanika kohta raamatute kirjutamine võib nüüd olla lõbus. Gluoonid, kvargid, ussiaugud, kuum kvargisupp, kvantvärinad ja muud terminid mängivad "lapsed püsti, seiske ringis", korraldades ümberringi ringtantsu. põhiteema: mustad augud. Teadusmaailma superstaar Stephen Hawking näeb mustades aukudes infosööjaid, mitte mahutiid, kuhu infot nõudmisel talletatakse. Raamatu autor kaitseb hoiu-arhiivi teooriat nõudmisel, esitades must auk midagi mittevalguva tindipoti taolist (samas kui Hawking järgib purustaja teooriat). Kui tugevalt arhiveeritud teave võib sattuda mustadesse aukudesse? Susskind kirjutab, et ka ühekilone telliskivi on enamasti tühimik, mida saab tihendada nööpnõelapea suuruseks ja isegi viiruse suuruseks. Mustad augud pole mitte ainult äärmiselt kokkusurutud tähed, vaid ka ülimad teabehoidlad, kus kogu teave on tihedalt pakitud, nagu ridadesse virnastatud kahurikuulid (v.a. väiksem suurus kolmkümmend neli suurusjärku). Selle ümber – tihedalt pakitud teabe ja entroopia – ümber keerleb kogu kvantgravitatsioon.

Pikka aega uskusid füüsikud, et mustad augud on igavesed, nagu teemandid, liikumatud ja töötavad ainult teabe saamiseks. Kuid Susskind tsiteerib erinevate teadlaste argumente, kes üksteise järel kummutavad paljusid tavalisi fakte mustade aukude kohta. Teadlane nagu Dennis Skiama jõudis sellele järeldusele mustad augud aurustuvad: elektromagnetiline kiirgus kannab osa musta augu massist minema. Bekenstein arvas, et mustadel aukudel on entroopia ja Hawking arvas, et neil on temperatuur. Mustade aukude teine omadus on see, et nad ise on võimelised liikuma. Kui asetate musta augu teise massi gravitatsioonivälja, siis see kiireneb nagu iga teine massiivne objekt. See võib isegi kukkuda suuremasse musta auku. Kes neid isegi aukudeks nimetas? John Wheeler. Enne teda nimetati nähtust tumedateks (mustaks) tähtedeks.

Igat lugejale võõrast nime kommenteerib autor väga otsekoheselt, näiteks: „Võluv taanlane Aage oli enne Ameerika Ühendriikidesse kolimist Niels Bohri assistent Kopenhaagenis. Ta jumaldas kvantmehaanikat ning elas ja hingas Bohri filosoofiat. Susskind jagab oma tähelepanekuid selle kohta, kes seitsmekümneaastastest füüsikutest eelistas teadusest rääkimise asemel bikiinides tüdrukuid mõtiskleda ja kuidas nad käitusid. Näiteks Feynmani kohta: "Ma kohtasin lõvi ja ta ei valmistanud mulle pettumust" ja "Feynmani ego oli jõhker, kuid tema kõrval oli see väga lõbus."

Susskindi raamatu eelis on see, et ta lubab endale sõnadega tseremoonial mitte seista, võib öelda, et teaduslik pilt XVIII sajandi maailmast oli üsna tuim, määramatuse printsiip on kummaline ja jultunud väide, ja ideaalsel kristallil, nagu ideaalsel BMW-l, pole entroopiat üldse. Tema teksti kujundlikkus ja ilmekus on aga väärtuslik on paar fakti, mis näitavad raamatu olulisust. Esimene on tühiasi, “lihavõttemuna”: ilma jutumärkideta on väga särav otsetsitaat Hawkingilt “Mul soovitati tungivalt piirduda ühe valemiga: E = mc2. Mulle öeldi, et iga lisavõrrandiga langeb raamatu müük kümne tuhande eksemplari võrra. Ja teine on veidi tõsisem: pärast teksti lugemist jääb tunne, et Hawkingiga lahingusse astunud Susskind pole temaga kordagi päriselt arutlenud, “võideldes” vaid oma kujutluses.

Peatükk peatüki järel räägib Susskind sellest, kuidas tema mõtted liikusid harva eemale Stephen Hawkingi isikust, lugu on aina rohkem nagu kinnisidee, paralleele tõmmatakse romaaniga "Moby Dick", ainult et erinevalt Ahabi kinnisideest ei olnud Susskindi kinnisidee. sajatonnine vaal, kuid oli "sada kilo kaaluv teoreetiline füüsik mootoriga toolil. Manuses on skaneeritud dokument, mis kinnitab Hawkingi vaidluse fakti kolmanda osapoolega teemal, mis sarnaneb Hawkingi / Susskindi "vastasseisule" (ja lõpuks tunnistas Hawking lüüasaamist). Noh, kui andestada teadlasele tema meeletu fanatismi, võite raamatust õppida palju huvitavat teavet mustade aukude, stringiteooria ja kvantmehaanika kohta.

«Täna on vale väita, et mustad augud ei kiirga valgust. Võta suitsune pott, kuumuta see paarisaja kraadini ja see hakkab punaselt hõõguma. Ikka kuumem ja kuma muutub oranžiks, seejärel kollaseks ja lõpuks säravaks sinakasvalgeks. On uudishimulik, et füüsikute määratluse kohaselt on Päike must keha. Kui imelik, ütlete te: mustast on raske ette kujutada midagi kaugemal kui Päike. Tõepoolest, Päikese pind kiirgab suur summa valgus, aga see ei peegelda midagi. See teeb sellest füüsiku jaoks musta keha."

P.S. Sellest, et entroopia kasvab, sain esimest korda teada laulust "Civil Defense"; kui ma loen rohkem entsüklopeediaid, siis oleksin teadnud rohkem allteksti "päikese musta värvi" kohta (vt tsitaati "päike on must keha" ülalpool).

Mis juhtub, kui objekt kukub musta auku? Kas ta kaob jäljetult? Umbes kolmkümmend aastat tagasi nentis üks musta augu fenomeni juhtivaid uurijaid, nüüdseks kuulus Briti füüsik Stephen Hawking, et just nii see juhtub. Kuid selgub, et selline vastus ohustab kõike, mida me füüsikast ja universumi põhiseadustest teame. Selle raamatu autor, väljapaistev Ameerika füüsik Leonard Susskind vaidles aastaid Stephen Hawkingiga mustade aukude olemuse üle, kuni lõpuks 2004. aastal tunnistas ta oma viga. See geniaalne ja märkimisväärselt kergesti loetav raamat jutustab haarava loo sellest aastakümneid kestnud teadusvaidlusest, mis muutis radikaalselt seda, kuidas füüsikud reaalsuse olemust näevad. Uus paradigma viis vapustava järelduseni, et kõik meie maailmas – see raamat, sinu kodu, sina ise – on vaid omamoodi hologramm, mis projitseeritakse universumi servadest. Raamat on lisatud Dynasty Foundationi raamatukogusse. Mitteäriliste programmide dünastia fondi asutas 2001. aastal VimpelComi aupresident Dmitri Borisovitš Zimin. Prioriteetsed valdkonnad Sihtasutuse tegevuseks on fundamentaalteaduse ja hariduse toetamine Venemaal, teaduse ja hariduse populariseerimine. Dünastia Fondi raamatukogu on fondi projekt ekspertteadlaste valitud kaasaegsete populaarteaduslike raamatute väljaandmiseks.

1. osa. Tulev torm
1. Esimene äike

San Francisco, 1983.

Selleks ajaks, kui Jack Rosenbergi häärberi pööningul toimus esimene kokkupõrge, olid ähvardavad sõjapilved kogunenud juba üle 80 aasta. Jack, tuntud ka kui Werner Erhard, oli guru, libe poepidaja ja natuke pettur. Kuni 1970. aastate alguseni oli ta lihtsalt Jack Rosenberg, entsüklopeediamüüja. Kuid ühel päeval, kui ta sõitis üle Golden Gate'i silla, tabas teda ilmutus. Ta päästab maailma ja saab tänu sellele tohutult rikkaks. Vaja on vaid lahedat nime ja uus lähenemine asja juurde. Nimi oleks Werner (Werner Heisenbergi järgi) Erhard (Saksa poliitiku Ludwig Erhardi järgi) ja uus lähenemine oleks Erhardi koolitusseminarid, est. Ja tal õnnestus, kui mitte maailma päästa, siis vähemalt rikkaks saada. Tuhanded häbelikud, ebakindlad inimesed maksid sadu dollareid kurnavate räuskamiste eest Werneri enda või mõne tema paljudest õpilastest kuueteisttunnistel motivatsiooniseminaridel, mille ajal (kuulujuttude järgi) oli keelatud isegi tualetis käia.

See oli palju odavam ja kiirem kui psühhoteraapia ning kuidagi toimis. Inimesed tulid häbelike ja ebakindlatena ning pärast seminare nägid nad välja tugevad, enesekindlad ja sõbralikud – täpselt nagu Werner: Pole tähtis, et mõnikord tundusid nad värisevate kätega maniakkrobotitena. Nad tundsid end paremini. "Treeningust" sai isegi Burt Reynoldsi väga naljaka filmi "Semi-Tough" teema. Werner oli pidevalt ümbritsetud meeletutest EST-i fännidest. "Orjad" on ehk liiga palju tugev sõna Nimetagem neid vabatahtlikeks. ECT-koolituse saanud kokad valmistasid talle süüa, autojuhid sõidutasid teda mööda linna ringi, tema mõis oli täis kõikvõimalikke teenijaid. Kuid iroonilisel kombel oli Werner ise ka marutõbi – füüsikafänn.

Tasuta allalaadimine e-raamat mugavas vormingus, vaadake ja lugege:
Laadige kiiresti ja tasuta alla raamat The Battle of the Black Hole, my battle with Stephen Hawking kvantmehaanika jaoks ohutu maailma eest, Susskind L. - fileskachat.com.

Laadige alla fail number 1 - fb2
Laadige alla fail nr 2 - rtf
Allpool saate osta seda raamatut parima soodushinnaga koos kohaletoimetamisega kogu Venemaal.

Leonard Susskind

Musta augu lahing

Minu võitlus Stephen Hawkingiga turvalise maailma nimel kvantmehaanika

Mis annab nendele võrranditele elu sisse ja loob universumi, mida nad võiksid kirjeldada?

- Stephen Hawking

Sissejuhatus

Nii palju grookida ja tuli alustada peaaegu nullist.

- Robert Heinlein. Võõras võõraste maal

Kusagil Ida-Aafrika savannis jahib keskealine lõvi oma õhtusööki. Ta oleks eelistanud vanaduse aeglast saaki, kuid kõik, mis seal on, on ainult noor särtsakas antiloop. Ohvri tähelepanelikud silmad on ideaalselt asetatud tema pea külgedele, nii et rünnakut oodates jälgige kogu ümbritsev ala. Kiskja silmad seevastu vaatavad otse ette, keskendudes saagile ja hinnates kaugust.

Seekord jäid antiloopi "lainurkskannerid" mööda kiskjast, kes sattus viskekaugusesse. Lõvi tugevad tagajalad suruvad teda hirmunud saagi poole. Igavene tagaajamine algab uuesti.

Kuigi aastaid koormatud, on suur kass suurepärane sprinter. Alguses vahe väheneb, kuid äkilistest liigutustest kogevad lõvi võimsad lihased hapnikunälga ja nõrgenevad järk-järgult. Peagi võidab antiloopi loomulik vastupidavus: ühel hetkel muutub kassi ja tema saagi suhteline kiirus märke, varem vähenenud mahajäämus hakkab kasvama. Lõvi tunneb, et tema varandus on ta reetnud, Tema Kuninglik Majesteet tunnistab lüüasaamist ja naaseb oma varitsusele põõsastesse.

Viiskümmend tuhat aastat tagasi leiab väsinud jahimees kividega täidetud sissepääsu koopasse. Kui liigutad rasket takistust, saad turvalise puhkepaiga. Erinevalt oma ahvilaadsetest esivanematest seisab jahimees püsti. Kuid selles asendis lükkab ta rahnu edutult. Sobivama nurga valides paneb ta jalad kaugemale. Kui tema keha asend on peaaegu horisontaalne, hakkab rakendatava jõu põhikomponent toimima õiges suunas. Kivi liigub.

Kaugus? Kiirus? Kas märki muuta? Nurk? Tugevus? komponent? Millised uskumatult keerulised arvutused toimuvad jahimehe ajus, rääkimata kassist? Neid tehnilisi mõisteid leidub tavaliselt keskkooli füüsikaõpikutes. Kust õppis kass mõõtma mitte ainult saagi kiirust, vaid, mis veelgi olulisem, suhtelist kiirust? Kas jahimees võttis füüsikatunde, et mõista jõu mõistet? Ja veel trigonomeetriat siinuste ja koosinuste kasutamiseks komponentide arvutamiseks?

Tõde on muidugi see, et kõikidel keerulistel eluvormidel on sisseehitatud instinktiivsed füüsikakontseptsioonid, mis on evolutsiooni käigus nende närvisüsteemi külge kinnitatud. Ilma selle eelinstallitud füüsilise "tarkvarata" oleks võimatu ellu jääda. Mutatsioonid ja looduslik valik on teinud meist kõik füüsikud, isegi loomad. Inimese aju suur suurus on võimaldanud neil instinktidel areneda kontseptsioonideks, mida me teadlikult kasutame.

Isevilguv

Tegelikult oleme me kõik klassikaline füüsikud. Me “tunneme” jõudu, kiirust ja kiirendust. Robert Heinlein võttis ulmeromaanis "Tulnukas võõramaal" (1961) kasutusele sõna "grok", et väljendada seda sügavalt intuitiivset, peaaegu füsioloogilist arusaama nähtusest. Mängin jõudu, kiirust ja kiirendust. Ma otsin 3D-ruumi. Grokin aega ja numbrit 5. Kivi või noole trajektoorid sobivad grokiks. Kuid minu standardne sisseehitatud groker läheb katki, kui proovin seda rakendada kümnemõõtmelisele aegruumile või arvule 10 1000 või veel hullem, elektronide maailmale ja Heisenbergi määramatuse printsiibile.

20. sajandi tulekuga on meie intuitsioon sattunud kolossaalsesse õnnetusse; füüsika avastas end ootamatult hämmingus täiesti võõraste nähtuste pärast. Minu isapoolne vanaisa oli juba kümneaastane, kui Albert Michelson ja Edward Morley avastasid, et Maa orbitaalset liikumist hüpoteetilise eetri kaudu ei saa registreerida. Elektron avastati, kui mu vanaisa oli kahekümnendates; kui ta sai kolmkümmend, avaldati eriline teooria Albert Einsteini relatiivsusteooria ja kui ta ületas keskea läve, avastas Heisenberg määramatuse printsiibi. Evolutsiooniline ajakirjandus ei saa kuidagi kaasa tuua intuitiivse arusaama kujunemisest maailmadest, mis erinevad nii radikaalselt sellest, millega oleme harjunud. Aga midagi meie sees närvisüsteemid osutus vähemalt mõnele meist valmis fantastiliseks sähvatuseks, võimaldades mitte ainult tundmata huvi ebaselgete nähtuste vastu, vaid ka luua matemaatilisi abstraktsioone, mis on mõnikord täiesti intuitiivsed, et neid nähtusi selgitada ja manipuleerida.

Esimese kiirus tingis vilkumise vajaduse - tohutu kiirus konkureerides valguse endaga. Ükski loom ei liikunud enne kahekümnendat sajandit kiiremini kui sada miili tunnis (160 km/h) ja isegi tänapäevaste standardite järgi on valguse kiirus nii suur, et kõigile peale teadlaste ei paista ta üldse liikuvat, kuid lihtsalt ilmub sisselülitamisel koheselt. Muistsed inimesed ei vajanud püsivara, et töötada ülisuurtel kiirustel, näiteks valguse kiirusel.

Kiiruse küsimuse vilkumine tekkis ootamatult. Einstein ei olnud mutant; Kümme aastat nägi ta täielikus teadmatuses vaeva, et välja vahetada oma vana Newtoni püsivara. Kuid tolleaegsetele füüsikutele võis tunduda, et ootamatult ilmus nende sekka uut tüüpi inimene – keegi, kes on võimeline nägema maailma mitte kolmemõõtmelise, vaid neljamõõtmelisena. aegruum.

Seejärel võitles Einstein veel kümme aastat, seekord kõigi füüsikute silme all, et ühendada see, mida ta nimetas erirelatiivsusteooriaks, Newtoni gravitatsiooniteooriaga. Nende jõupingutuste tulemuseks oli üldine relatiivsusteooria, mis muutis põhjalikult kõiki meie traditsioonilisi ideid geomeetria kohta. Aegruum on muutunud plastiliseks, võimeliseks painduma ja voltida. See reageerib aine olemasolule mõnevõrra nagu kummileht, mis koormuse all longus. Varem oli aegruum passiivne, selle geomeetrilised omadused- muutmata. AT üldine teooria Relatiivsusteoorias muutub aegruumist aktiivne mängija: seda võivad deformeerida massiivsed objektid, nagu planeedid ja tähed, kuid seda on võimatu ette kujutada ilma keeruka lisamatemaatikata.

Aastal 1900, viis aastat enne Einsteini ilmumist, algas teine veelgi hämmastavam paradigma muutus pärast avastust, et valgus koosneb osakestest, mida nimetatakse footoniteks või mõnikord ka valguskvantideks. Footoniteooria valgus oli vaid tulevase revolutsiooni kuulutaja; vaimsed harjutused sellel teel osutusid palju abstraktsemaks kui kõik, mida kunagi varem kohatud oli. Kvantmehaanika on rohkem kui uus seadus loodus. See põhjustas muudatuse klassikalise loogika reeglites ehk tavapärastes mõttereeglites, mida iga terve mõistusega inimene arutlemisel kasutab. Ta tundus hull. Aga hull või mitte, füüsikud on suutnud end uue loogika järgi, mida nimetatakse kvantiks, uuesti värskendada. Neljandas peatükis selgitan kõike, mida peate kvantmehaanika kohta teadma. Ole valmis kukkumiseks. Seda juhtub igaühega.

Relatiivsusteooria ja kvantmehaanika on algusest peale teineteisele vastumeelt tundnud. Katsed neid sunniviisiliselt "abielluda" tõid kaasa hukatuslikud tagajärjed – iga füüsikute esitatud küsimuse kohta andis matemaatika välja koletu lõpmatuse. Kvantmehaanika erirelatiivsusteooriaga ühitamiseks kulus pool sajandit, kuid lõpuks suudeti matemaatilised vastuolud kõrvaldada. 1950. aastate alguseks panid Richard Feynman, Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga ja Freeman Dyson ühinemisele aluse eriline relatiivsusteooria ja kvantmehaanika, nn kvantteooria väljad. Kuid üldine relatiivsusteooria (Einsteini süntees erirelatiivsusteooriast Newtoni gravitatsiooniteooriaga) ja kvantmehaanika jäid ühitamatuks ning seda ilmselgelt mitte rahuvalvepüüdluste puudumise tõttu. Feynman, Steven Weinberg, Bryce De Witt ja John Wheeler püüdsid Einsteini võrrandeid kvantifitseerida, kuid kõik lõppesid matemaatilise absurdiga. Võib-olla polnud see üllatav. Kvantmehaanika valitses väga kergete objektide maailmas. Vastupidi, gravitatsioon näis olevat oluline ainult väga raskete ainekogumite puhul. Tundus, et pole midagi piisavalt kerget, et kvantmehaanika oleks hädavajalik, ja samal ajal pole midagi piisavalt rasket, et gravitatsiooni arvesse võtta. Seetõttu pidasid paljud füüsikud 20. sajandi teisel poolel sellise ühtse teooria otsimist mõttetuks harjutuseks, mis sobib ainult hullunud teadlastele ja filosoofidele.

Leonard Susskind

Musta augu lahing

Minu võitlus Stephen Hawkingiga kvantmehaanika jaoks ohutu maailma nimel

Mis annab nendele võrranditele elu sisse ja loob universumi, mida nad võiksid kirjeldada?

- Stephen Hawking

Sissejuhatus

Nii palju grookida ja tuli alustada peaaegu nullist.

- Robert Heinlein. Võõras võõraste maal

Kusagil Ida-Aafrika savannis jahib keskealine lõvi oma õhtusööki. Ta oleks eelistanud vanaduse aeglast saaki, kuid kõik, mis seal on, on ainult noor särtsakas antiloop. Ohvri tähelepanelikud silmad on ideaalselt paigutatud tema pea külgedele, et hoida rünnakut oodates kogu ümbruskonda. Kiskja silmad seevastu vaatavad otse ette, keskendudes saagile ja hinnates kaugust.

Seekord jäid antiloopi "lainurkskannerid" mööda kiskjast, kes sattus viskekaugusesse. Lõvi tugevad tagajalad suruvad teda hirmunud saagi poole. Igavene tagaajamine algab uuesti.

Tõde on muidugi see, et kõigil keerulistel eluvormidel on füüsikast sisseehitatud instinktiivsed ideed, mis on evolutsiooni käigus nende närvisüsteemi külge kinnitatud. Ilma selle eelinstallitud füüsilise "tarkvarata" oleks võimatu ellu jääda. Mutatsioonid ja looduslik valik on teinud meist kõik füüsikud, isegi loomad. Inimese aju suur suurus on võimaldanud neil instinktidel areneda kontseptsioonideks, mida me teadlikult kasutame.

Isevilguv

Tegelikult oleme me kõik klassikaline füüsikud. Me “tunneme” jõudu, kiirust ja kiirendust. Robert Heinlein võttis ulmeromaanis "Tulnukas võõramaal" (1961) kasutusele sõna "grok", et väljendada seda sügavalt intuitiivset, peaaegu füsioloogilist arusaama nähtusest. Mängin jõudu, kiirust ja kiirendust. Ma otsin 3D-ruumi. Grokin aega ja numbrit 5. Kivi või noole trajektoorid sobivad grokiks. Kuid minu standardne sisseehitatud groker läheb katki, kui proovin seda rakendada kümnemõõtmelisele aegruumile või arvule 101000 või veel hullem, elektronide maailmale ja Heisenbergi määramatuse printsiibile.

20. sajandi tulekuga on meie intuitsioon sattunud kolossaalsesse õnnetusse; füüsika avastas end ootamatult hämmingus täiesti võõraste nähtuste pärast. Minu isapoolne vanaisa oli juba kümneaastane, kui Albert Michelson ja Edward Morley avastasid, et Maa orbitaalset liikumist hüpoteetilise eetri kaudu ei saa registreerida. Elektron avastati, kui mu vanaisa oli kahekümnendates; kui ta oli kolmekümneaastane, avaldati Albert Einsteini erirelatiivsusteooria ja kui ta ületas keskea läve, avastas Heisenberg määramatuse printsiibi. Evolutsiooniline ajakirjandus ei saa kuidagi kaasa tuua intuitiivse arusaama kujunemisest maailmadest, mis erinevad nii radikaalselt sellest, millega oleme harjunud. Kuid miski meie närvisüsteemis, vähemalt mõned meist, osutus valmis fantastiliseks ümberpaigutamiseks, võimaldades mitte ainult olla huvitatud ebaselgetest nähtustest, vaid ka luua matemaatilisi abstraktsioone, mis on mõnikord täiesti intuitiivsed, et neid nähtusi selgitada ja manipuleerida. .

Esimese kiirus tekitas vajaduse vilkumise järele – tohutu kiirus, mis konkureerib valgusega. Ükski loom ei liikunud enne kahekümnendat sajandit kiiremini kui sada miili tunnis (160 km/h) ja isegi tänapäevaste standardite järgi on valguse kiirus nii suur, et kõigile peale teadlaste ei paista ta üldse liikuvat, kuid lihtsalt ilmub sisselülitamisel koheselt. Muistsed inimesed ei vajanud püsivara, et töötada ülisuurtel kiirustel, näiteks valguse kiirusel.

Seejärel võitles Einstein veel kümme aastat, seekord kõigi füüsikute silme all, et ühendada see, mida ta nimetas erirelatiivsusteooriaks, Newtoni gravitatsiooniteooriaga. Nende jõupingutuste tulemuseks oli üldine relatiivsusteooria, mis muutis põhjalikult kõiki meie traditsioonilisi ideid geomeetria kohta. Aegruum on muutunud plastiliseks, võimeliseks painduma ja voltida. See reageerib aine olemasolule mõnevõrra nagu kummileht, mis koormuse all longus. Varem oli aegruum passiivne, selle geomeetrilised omadused ei muutunud. Üldrelatiivsusteoorias muutub aegruumist aktiivne mängija: seda võivad deformeerida massiivsed objektid, nagu planeedid ja tähed, kuid seda on võimatu ette kujutada ilma keerulise lisamatemaatikata.

Aastal 1900, viis aastat enne Einsteini ilmumist, algas teine veelgi hämmastavam paradigma muutus pärast avastust, et valgus koosneb osakestest, mida nimetatakse footoniteks või mõnikord ka valguskvantideks. Valguse footoniteooria oli vaid tulevase revolutsiooni kuulutaja; vaimsed harjutused sellel teel osutusid palju abstraktsemaks kui kõik, mida kunagi varem kohatud oli. Kvantmehaanika on midagi enamat kui uus loodusseadus. See põhjustas muudatuse klassikalise loogika reeglites ehk tavapärastes mõttereeglites, mida iga terve mõistusega inimene arutlemisel kasutab. Ta tundus hull. Aga hull või mitte, füüsikud on suutnud end uue loogika järgi, mida nimetatakse kvantiks, uuesti värskendada. Neljandas peatükis selgitan kõike, mida peate kvantmehaanika kohta teadma. Ole valmis kukkumiseks. Seda juhtub igaühega.

Relatiivsusteooria ja kvantmehaanika on algusest peale teineteisele vastumeelt tundnud. Katsed neid sunniviisiliselt "abielluda" tõid kaasa hukatuslikud tagajärjed – iga füüsikute esitatud küsimuse kohta andis matemaatika välja koletu lõpmatuse. Kvantmehaanika erirelatiivsusteooriaga ühitamiseks kulus pool sajandit, kuid lõpuks suudeti matemaatilised vastuolud kõrvaldada. 1950. aastate alguseks panid Richard Feynman, Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga ja Freeman Dyson ühinemisele aluse eriline relatiivsusteooria ja kvantmehaanika, mida nimetatakse kvantväljateooriaks. Kuid üldine relatiivsusteooria (Einsteini süntees erirelatiivsusteooriast Newtoni gravitatsiooniteooriaga) ja kvantmehaanika jäid ühitamatuks ning seda ilmselgelt mitte rahuvalvepüüdluste puudumise tõttu. Feynman, Steven Weinberg, Bryce De Witt ja John Wheeler püüdsid Einsteini võrrandeid kvantifitseerida, kuid kõik lõppesid matemaatilise absurdiga. Võib-olla polnud see üllatav. Kvantmehaanika valitses väga kergete objektide maailmas. Vastupidi, gravitatsioon näis olevat oluline ainult väga raskete ainekogumite puhul. Tundus, et pole midagi piisavalt kerget, et kvantmehaanika oleks hädavajalik, ja samal ajal pole midagi piisavalt rasket, et gravitatsiooni arvesse võtta. Seetõttu pidasid paljud füüsikud 20. sajandi teisel poolel sellise ühtse teooria otsimist mõttetuks harjutuseks, mis sobib ainult hullunud teadlastele ja filosoofidele.

Horatio – taevas ja maa peal
On palju asju, millest sa pole isegi unistanud.
Teadus.

Esimene vihje millegi musta augu laadsele ilmus 18. sajandi lõpus, kui suur prantsuse füüsik Pierre-Simon de Laplace ja inglise vaimulik John Mitchell väljendasid sama tähelepanuväärset ideed. Kõik tolle aja füüsikud olid astronoomia vastu tõsiselt huvitatud. Kõik, mis taevakehade kohta teada oli, paljastas valgus, mida nad kiirgasid või, nagu Kuu ja planeetide puhul, peegeldusid. Kuigi Mitchelli ja Laplace’i ajaks oli Isaac Newtoni surmast möödas pool sajandit, jäi ta ikkagi füüsika mõjukaimaks tegelaseks. Newton uskus, et valgus koosneb pisikestest osakestest – kehakestest, nagu ta neid nimetas – ja kui jah, siis miks ei võiks valgus kogeda gravitatsiooni mõju? Laplace ja Mitchell mõtlesid, kas võiks olla tähte, mis on nii massiivne ja tihe, et valgus ei saaks oma gravitatsioonilisest tõmbejõust üle. Kas sellised tähed, kui nad on olemas, peavad olema absoluutselt tumedad ja seetõttu nähtamatud?

Nimetagem mis tahes massiivset taevakeha ajutiselt täheks, olgu see siis planeet, asteroid või päris täht. Maa on lihtsalt väike täht, Kuu on veel väiksem täht jne Newtoni gravitatsiooniseaduse järgi on tähe gravitatsioonijõud võrdeline tema massiga, seega on loomulik, et ka põgenemiskiirus sõltub tähe massil. Kuid mass on vaid pool lugu. Teine pool on tähe raadius. Kujutage ette, et seisate peal maa pind ja sel ajal hakkab teatud jõud Maad kokku suruma, vähendades selle suurust, kuid ilma massi kaotamata. Kui jääte pinnale, viib kokkusurumine teid eranditult kõigile Maa aatomitele lähemale. Massile lähenedes suureneb selle gravitatsiooni mõju. Teie kaal – gravitatsiooni funktsioon – suureneb ja, nagu võite arvata, muutub Maa gravitatsioonist üle saamine üha raskemaks. See näide illustreerib fundamentaalset füüsikalist mustrit: tähe kokkutõmbumine (ilma massi kadumiseta) suurendab põgenemiskiirust.

Kujutage nüüd ette täpselt vastupidist olukorda. Mingil põhjusel Maa paisub, nii et te liigute massist eemale. Pinnal olev gravitatsioon muutub nõrgemaks, mis tähendab, et sellest on lihtsam välja murda. Mitchelli ja Laplace'i püstitatud küsimus oli, kas tähel võib olla nii suur mass ja nii väike suurus, et põgenemiskiirus ületaks valguse kiiruse.

Kui Mitchell ja Laplace esimest korda neid prohvetlikke mõtteid väljendasid, oli valguse kiirus (tähistatud tähega c) on tuntud juba üle saja aasta. Taani astronoom Ole Römer tegi 1676. aastal kindlaks, et see on kolossaalne kogus – 300 000 km (see on umbes seitse pööret ümber Maa) ühe sekundiga:

c= 300 000 km/s.

Sellise kolossaalse kiiruse juures on valguse hoidmiseks vaja ülisuurt või äärmiselt kontsentreeritud massi, kuid pole nähtavat põhjust, miks sellist asja ei võiks eksisteerida. Mitchelli raportis Kuninglik Ühing esimene mainimine objektidest, mida John Wheeler hiljem mustadeks aukudeks nimetas.

Teid võib üllatada, et kõigi jõudude seas peetakse gravitatsiooni äärmiselt nõrgaks. Kuigi rasvunud tõstja ja kõrgushüppaja tunnevad end erinevalt, on lihtne katse, mis demonstreerib, kui nõrk gravitatsioon tegelikult on. Alustame sellest kerge kaal: olgu selleks väike vahtpolüstüroolipall. Ühel või teisel viisil anname sellele staatilise elektrilaengu. (Võite seda lihtsalt kampsunile hõõruda.) Nüüd riputage see lakke niidi külge. Kui see lõpetab pöörlemise, ripub niit vertikaalselt. Nüüd too rippuva palli juurde teine samalaadne laetud objekt. Elektrostaatiline jõud tõrjub peatatud koormuse, põhjustades nööri kallutamise.

Sama efekti saab saavutada magnetiga, kui rippraskus on rauast.

Nüüd eemaldage elektrilaeng või magnet ja proovige rippuvat koormust kõrvale juhtida, tuues selle poole väga raskeid esemeid. Nende gravitatsioon tõmbab koormust, kuid mõju on nii nõrk, et seda pole võimalik märgata. Gravitatsioon on elektri- ja magnetjõududega võrreldes äärmiselt nõrk.

Aga kui gravitatsioon on nii nõrk, siis miks ei saa te Kuule hüpata? Fakt on see, et Maa tohutu mass, 6·10 24 kg, kompenseerib kergesti gravitatsiooni nõrkust. Kuid isegi selle massi korral on Maa pinnalt põgenemise kiirus väiksem kui üks kümnetuhandik valguse kiirusest. Põgenemise kiiruse suurendamiseks c, mille leiutasid Mitchell ja Laplace tume täht peaks olema vapustavalt massiivne ja vapustavalt tihe.

Suuruste skaala aimu saamiseks vaatame erinevate taevakehade põgenemiskiirusi. Maa pinnalt lahkumiseks alguskiirus umbes 11 km / s, mis, nagu juba märgitud, on umbes 40 000 km / h. Maise standardi järgi on see väga kiire, kuid võrreldes valguse kiirusega on see nagu teo liikumine.

Asteroidil oleks teil palju suurem võimalus pinnalt lahkuda kui Maal. 1,5 km raadiusega asteroidi põgenemiskiirus on umbes 2 m/s: piisab vaid hüppamisest. Teisest küljest on päike rohkem maad nii suuruse kui kaalu poolest. Need kaks tegurit toimivad vastupidises suunas. Suur mass muudab Päikese pinnalt lahkumise keeruliseks ja suur raadius, vastupidi, muudab selle lihtsamaks. Mass aga võidab ja põgenemiskiirus eest päikese pind umbes viiskümmend korda rohkem kui maa peal. Kuid see jääb siiski palju väiksemaks kui valguse kiirus.

Kuid Päike ei püsi oma praeguses suuruses igavesti. Lõpuks saab tähel kütus otsa ja rõhk, mis teda punnitab, sisemise kuumuse toel nõrgeneb. Nagu hiiglaslik kruustang, hakkab gravitatsioon tähte kokku suruma murdosani selle algsest suurusest. Kuskil viie miljardi aasta pärast põleb Päike läbi ja kukub kokku nn valge kääbus mille raadius on umbes sama kui Maa oma. Selle pinnalt lahkumiseks oleks vaja kiirust 6400 km/s – palju, kuid siiski vaid 2% valguse kiirusest.

Kui Päike oleks veidi – poolteist korda – raskem, pigistaks lisamass teda tugevamini kui enne valge kääbuse seisundit. Tähe elektronid tõmbuksid prootoniteks, moodustades uskumatult tiheda neutronite palli. Neutrontäht on nii tihe, et ainult üks teelusikatäis selle ainest kaalub mitu miljardit tonni. Aga ka neutrontäht veel ei soovi tume; põgenemiskiirus selle pinnalt on juba lähedal valguse kiirusele (umbes 80% c), kuid siiski pole sellega võrdne.

Kui kokkuvarisev täht on veelgi raskem, näiteks viis korda suurem kui Päikese mass, siis isegi tihe neutronpall ei suuda survelisele gravitatsioonilisele tõmbele vastu seista. Viimase sissepoole suunatud plahvatuse tulemusena kukub täht kokku singulaarsus - peaaegu lõpmatu tihedusega punkt ja hävitav jõud. Selle pisikese tuuma põgenemiskiirus on mitu korda suurem kui valguse kiirus. Nii ilmub tume täht või, nagu me täna ütleme, must auk.

Einsteinile ei meeldinud idee mustadest aukudest nii palju, et ta eitas nende olemasolu, väites, et need ei saa kunagi tekkida. Kuid meeldib Einsteinile või mitte, mustad augud on reaalsus. Tänapäeval uurivad astronoomid neid hõlpsalt, mitte ainult üksikuid kokkuvarisenud tähti, vaid ka galaktikate tsentrites asuvaid musti hiiglasi, mis on tekkinud miljonite ja isegi miljardite tähtede ühinemisel.

Päike ei ole piisavalt massiivne, et iseenesest mustaks auguks kokku kukkuda, aga kui teda aidata, pigistades ta kosmilises haardes 3 km raadiusesse, muutuks see mustaks auguks. Võiks ju arvata, et kui hiljem haaret lõdvendada, pumbatakse see uuesti, näiteks 100 km-ni, kuid tegelikult on juba hilja: Päikese aine läheb omamoodi olekusse. vabalangus. Pind ületab kiiresti ühe miili, ühe meetri, ühe sentimeetri raadiuse. Enne singulaarsuse moodustumist pole võimalik peatuda ja see kokkuvarisemine on pöördumatu.

Kujutage ette, et oleme musta augu lähedal, kuid teises punktis kui singulaarsus. Kas sellest punktist väljuv valgus suudab mustast august lahkuda? Vastus sõltub nii musta augu massist kui ka konkreetsest kohast, kust valgus oma teekonda alustab. Kujutletav kera nimega horisont, jagab universumi kaheks osaks. Horisondi seest tulev valgus imetakse paratamatult musta auku, kuid väljastpoolt silmapiiri tulev valgus võib mustast august lahkuda. Kui Päike peaks ühel päeval muutuma mustaks auguks, oleks selle horisondi raadius umbes 3 km.

Horisondi raadiust nimetatakse Schwarzschildi raadius osa astronoom Karl Schwarzschildist, kes oli esimene, kes uuris mustade aukude matemaatikat. Schwarzschildi raadius sõltub musta augu massist; tegelikult on see sellega otseselt võrdeline. Näiteks kui Päikese mass asendatakse tuhande Päikese massiga, ei ole 3 või 5 km kauguselt kiirguval valguskiirel võimalust põgeneda, kuna horisondi raadius suureneb tuhat korda, kuni kolm tuhat kilomeetrit.

Massi ja Schwarzschildi raadiuse proportsionaalsus on esimene asi, mida füüsikud mustade aukude kohta teada said. Maa on umbes miljon korda vähem massiivne kui Päike, seega on selle Schwarzschildi raadius miljon korda väiksem kui Päikesel. Et muutuda tumedaks täheks, tuleks see jõhvika suuruseks kokku suruda. Võrdluseks: meie galaktika keskel varitseb hiiglaslik must auk, mille Schwarzschildi raadius on umbes 150 000 000 km – umbes sama kui Maa orbiitümber päikese. Ja mujal universumis on veelgi suuremaid koletisi.

Tides ja 2000 miili mees

Mis paneb mered tõusma ja langema, justkui hingaksid nad iga päev kaks korda sügavalt sisse? Asi on muidugi Kuus, aga kuidas ta seda teeb ja miks kaks korda päevas? Selgitan nüüd, aga kõigepealt räägin 2000-miilise mehe kukkumisest.

Kujutage ette 2000 miili (3200 km) kõrguvat hiiglast, kes kukub esimesena kosmosest Maale.

kaugel sisse avatud ruum gravitatsioon on nõrk, nii nõrk, et ta ei tunne midagi. Maale lähenedes tekib aga tema pikas kehas kummaline tunne: see pole aga mitte kukkumise, vaid pingetunne.

Asi pole hiiglase kiirenduses Maa suunas. Tema ebamugavuse põhjuseks on see, et gravitatsioon ruumis ei ole ühtlane. Maast kaugel puudub see peaaegu täielikult. Kuid mida lähemale jõuab, gravitatsioon suureneb. 2000-miilisele mehele tekitab see probleeme isegi siis, kui ta on vabalanguses. Vaeseke on nii pikk, et tema jalad on palju tugevamini tõmmatud kui pea. Netoefekt on ebameeldiv tunne, justkui tõmmataks tema jalgu ja pead vastupidises suunas.

Võib-olla oleks ta saanud pinget vältida, kukkudes horisontaalselt, jalad ja pea samal kõrgusel. Kuid kui hiiglane seda proovib, ootab teda ees veel üks ebamugavus: pingetunne asendub samaväärse kitsendustundega. Ta tunneb, et pea surutakse vastu jalgu.

Et mõista, miks see juhtub, kujutage hetkeks ette, et Maa on lame. Nooltega vertikaalsed jooned näitavad gravitatsioonijõudude suunda, tõmmates loomulikult otse alla.

Pealegi on gravitatsiooni tõmbejõud täpselt sama. 2000-miilisel mehel poleks sellistes tingimustes probleeme vertikaalselt või horisontaalselt kukkuda – vähemalt seni, kuni ta vastu maad tabab.

Kuid maa pole lame. Muutub nii selle gravitatsiooni jõud kui ka suund. Ühes suunas tõmbamise asemel tõmbab gravitatsioon otse planeedi keskpunkti suunas, nagu siin näidatud:

See tekitab horisontaalselt kukkudes hiiglasele uusi probleeme. Tema peale ja jalgadele mõjuvad jõud ei ole samad, kuna gravitatsioon, mis tõmbab neid maa keskpunkti poole, surub ta pea vastu jalgu, tekitades kummalise pigistava tunde.

Tuleme tagasi ookeani loodete küsimuse juurde. Kaks korda päevas mere tõusu ja languse põhjus on sama, mis tekitab ebamugavust 2000-miilisele inimesele: gravitatsiooni ebaühtlus. Ainult sisse sel juhul See on Kuu gravitatsioon, mitte Maa gravitatsioon. kuu atraktsioon sellel on kõige tugevam mõju ookeanidele sellel küljel, mis on Maa poole suunatud Kuu poole, ja nõrgim vastaspool. Võib tunduda, et Kuu peaks kudema lähiküljele ühe ookeaniküüru, kuid see on viga. Samal põhjusel, et pea pikk mees tõmbub ta jalgadest eemale, Maa kahelt küljelt - lähedalt ja kaugelt - ulatub selle pinnast kõrgemale vesi. Üks viis seda mõista on mõelda, et lähedasel küljel tõmbab Kuu vett Maast eemale ja kaugemal tõmbub Maa veest eemale. Tulemuseks on kaks küüru Maa vastaskülgedel, mis on suunatud Kuu poole ja sellest eemale. Samal ajal kui Maa teeb nende kühmude all ühe pöörde, kogeb selle pinna iga punkt kaks loodet.

Gravitatsioonilise külgetõmbe suuruse ja suuna muutustest põhjustatud deformeerivaid jõude nimetatakse loodete jõud, mille põhjustajaks on Kuu, Maa, Päike või mõni muu massiivne taevakeha. Kas normaalsuuruses inimene võib näiteks hüppelaualt vette hüpates mõõnajõude tunda? Ei, aga ainult sellepärast, et oleme nii väikesed, et maapealne gravitatsiooniväli keha sees praktiliselt ei muutu.

Laskumine allmaailma

Ta laskus läbi metsase tee kuristiku pimedusse.

- Dante. Jumalik komöödia

Päikesemassiga musta auku langeva inimese jaoks ei ole loodete jõud enam nii nõrk. Musta augu tillukesse ruumalasse surutud tohutu mass muudab horisondi lähedal gravitatsiooni mitte ainult väga tugevaks, vaid ka äärmiselt ebahomogeenseks. Ammu enne Schwarzschildi raadiusele lähenemist, rohkem kui 100 000 km kaugusel mustast august, põhjustavad loodete jõud äärmist ebamugavust. Nagu 2000-miiline mees, oled sa liiga suur musta augu kiiresti muutuva gravitatsioonivälja jaoks. Selleks ajaks, kui lähened horisondile, oled sa deformeerunud – peaaegu nagu hambapasta torust välja pressitud.

Musta augu horisondil on loodete jõududega toimetulemiseks kaks võimalust: kahandada ennast või muuta must auk suuremaks. Bakter ei märkaks loodete jõudu päikesemassilise musta augu horisondil, kuid te ei tunneks loodete jõudu ka miljoni päikesemassiga musta augu horisondil. See võib tunduda kummaline, kuna massiivsema musta augu gravitatsiooni mõju on tugevam. Kuid see otsus eirab olulist tõsiasja: suure musta augu horisont on nii suur, et see näib peaaegu tasane. Horisondi lähedal on gravitatsiooniväli väga tugev, kuid peaaegu ühtlane.

Kui olete Newtoni gravitatsiooniteooriaga mõnevõrra tuttav, saate arvutada loodete jõud tumeda tähe horisondil. Ja siis selgub, et mida suurem ja massiivsem see on, seda vähem on silmapiiril loodete jõude. Seetõttu oleks väga suure musta augu horisondi ületamine märkimisväärne sündmus. Kuid lõpuks pole isegi suurimates mustades aukudes loodete eest pääsu. Selle suurus lükkab paratamatut ainult edasi. Lõppkokkuvõttes on vältimatu singulaarsuse langemine sama kohutav kui mis tahes piinamine, mille Dante leiutas või Torquemada Hispaania inkvisitsiooni protsessides kasutas. (Mälu hüppab.) Ka kõige väiksem bakter rebeneb koos vertikaalne telg ja tasandatud horisontaalselt. Väikesed molekulid elavad kauem kui bakterid ja aatomid veidi kauem. Kuid varem või hiljem saab singulaarsus ülekaalu isegi ühe prootoni üle. Ma ei tea, kas Dantel on õigus, kui ta ütleb, et ükski patune ei pääse põrgupiinadest, aga ma olen üsna kindel, et miski ei suuda vastu seista musta augu singulaarsuse lähedal asuvatele koletutele loodete jõududele.

Kuid hoolimata singulaarsuse omaduste kummalisusest ja jõhkrusest ei sisalda see musta augu sügavaimaid saladusi. Teame, mis juhtub iga objektiga, millel õnnestub musta auku kukkuda – selle saatus on kadestamisväärne. Ent kas meile singulaarsus meeldib või mitte, ei jõua see paradoksaalsuse mõttes horisondilegi. Kaasaegses füüsikas pole peaaegu miski rohkem segadust tekitanud kui küsimus, mis juhtub mateeriaga, kui see läbi silmapiiri kukub? Kõik teie vastused on tõenäoliselt valed.

Mitchell ja Laplace elasid kaua enne Einsteini sündi ega saanud teada kahest avastusest, mille ta 1905. aastal tegi. Esimene neist oli erirelatiivsusteooria, mis põhineb põhimõttel: mitte midagi - ei valgus ega miski muu ei saa kunagi ületada valguse kiirust. Mitchel ja Laplace mõistsid, et valgus ei pääse tumeda tähe eest, kuid nad ei mõistnud, et see on millegi muu jaoks võimatu.

Einsteini teine avastus 1905. aastal oli see valgus tõesti koosneb osakestest. Vahetult pärast seda, kui Mitchell ja Laplace tutvustasid oma ideid tumedate tähtede kohta, langes Newtoni korpuskulaarne valguse teooria häbisse. On kogunenud tõendeid selle kohta, et valgus koosneb lainetest, nagu helilained või need, mis jooksevad üle merepinna. Aastaks 1865 oli James Clerk Maxwell näidanud, et valgus koosneb võnkumisest elektri- ja magnetväljad, mis levivad läbi ruumi valguse kiirusel ja korpuskulaarteooria on täielikult lakanud elumärke näitamast. Tundub, et seda ei mõelnud keegi elektromagnetlained võib meelitada ka gravitatsiooniga, nii et tumedad tähed unustati.

Unustatud, kuni astronoom Karl Schwarzschild lahendas 1917. aastal Einsteini uue üldise relatiivsusteooria võrrandid ja avastas uuesti tumedad tähed.

Samaväärsuse põhimõte

Nagu enamik Einsteini töödest, oli üldrelatiivsusteooria keeruline ja läbimõeldud, kuid see põhines äärmiselt lihtsatel vaatlustel. Tegelikult on need nii elementaarsed, et olid kõigile kättesaadavad, aga keegi ei teinud neid.

Einsteini stiil oli teha kõige lihtsamate mõttekatsetuste põhjal kaugeleulatuvaid järeldusi. (Isiklikult imetlen seda mõtteviisi rohkem kui ühtki teist.) Üldrelatiivsusteooria puhul kaasati mõtteeksperimendisse vaatleja liftis. Õpikud ajakohastavad sageli eksperimente, asendades lifti raketiga, kuid Einsteini ajastul olid liftid põnevad. uus tehnoloogia. Ta oli esimene, kes kujutas ette lifti, mis hõljub vabalt avakosmoses, eemal igasugustest graviteerivatest objektidest. Igaüks, kes on sellises liftis, kogeb täielikku kaaluta olekut ja mürsud lendavad mööda täiesti sirgete trajektooridega. püsikiirus. Sama juhtub valguskiirtega, kuid loomulikult valguse kiirusel.

Seejärel kujutas Einstein ette, mis juhtuks, kui lifti kiirendataks ülespoole, näiteks mõne kaugema ankru külge kinnitatud kaabli abil või põhja alla kinnitatud rakettidega. Reisijaid hakatakse põrandale suruma ja mürskude trajektoorid hakkavad alla painduma, moodustades paraboolsed orbiidid. Kõik saab olema täpselt sama, mis gravitatsiooni mõjul. Kõik on seda teadnud Galilei ajast peale, kuid Einsteini ülesanne oli muuta see lihtne tõsiasi võimsaks uueks. füüsiline põhimõte. Samaväärsuse printsiip ütleb, et gravitatsiooni mõjul ja kiirendusel pole absoluutselt vahet. Ükski lifti sees läbiviidav eksperiment ei võimalda eristada, kas lift on gravitatsiooniväljas paigal või kiireneb avakosmoses.

See iseenesest ei olnud üllatav, kuid sellel olid olulised tagajärjed. Ajal, mil Einstein sõnastas ekvivalentsuspõhimõtte, oli väga vähe teada, kuidas gravitatsioon mõjutab teisi nähtusi, nagu elektrivool, magnetite käitumine või valguse levik. Einsteini käsitluse järgi oleks pidanud alustama mõistmisest, kuidas kõiki neid nähtusi kiirendamine mõjutab. Samal ajal ei ilmunud tavaliselt ühtegi uus füüsika. Kõik, mida Einstein tegi, oli ette kujutada, millised teadaolevad nähtused näeksid välja kiirendavas liftis. Ja siis ütles samaväärsuse printsiip talle, milline on gravitatsiooni mõju.

Esimene näide käsitles valguse käitumist gravitatsiooniväljas. Kujutage ette valguskiirt, mis liigub horisontaalselt vasakult paremale üle lifti. Kui lift saaks vabalt eemalduda mis tahes graviteerivatest massidest, liiguks valgus täiesti sirgel horisontaalsel joonel.

Aga oletame nüüd, et lift kiirendab ülespoole. Valgus algab lifti vasakult küljelt horisontaalsuunas, kuid kuna lift kiirendab, siis teisele poole saabumise ajaks on valgusel allapoole liikuv komponent. Ühest vaatenurgast vaadatuna kiirendab lift ülespoole, teisalt aga tundub reisijatele, et valgus kiireneb allapoole.

Tegelikult kõverdub valguskiir samamoodi nagu väga kiire osakese trajektoor. See tulemus ei sõltu kuidagi sellest, kas valgus koosneb lainetest või osakestest; see on lihtsalt ülespoole suunatud kiirenduse mõju. Kuid Einstein arutles, et kui kiirendus põhjustab valguskiire tee paindumist, peaks painduma ka gravitatsioon. Tegelikult võime öelda, et gravitatsioon tõmbab valgust ligi ja paneb selle langema. See langeb täielikult kokku Mitchelli ja Laplace'i oletustega.

Siiski on mündil ka teine külg: kui kiirendus võib simuleerida gravitatsiooni mõju, siis võib see selle hävitada. Kujutage ette, et sama lift pole enam lõpmatult kaugel avakosmoses, vaid pilvelõhkuja tipus. Kui see seisab, jälgivad reisijad kõiki gravitatsiooni mõjusid, sealhulgas üle lifti liikuvate valguskiirte paindumist. Siis aga katkeb kaabel ja lift hakkab maa poole kiirendama. Lühikeseks vabalangemise ajaks tundub, et gravitatsioon lifti sees on täielikult kadunud. Reisijad hõljuvad salongis ringi, olles kaotanud üles-alla tunde. Osakesed ja valguskiired liiguvad täiesti sirgjooneliselt. See on samaväärsuse põhimõtte teine pool.

Jäätmed, pimedad ja mustad augud

Igaüks, kes üritab kirjeldada kaasaegne füüsika ilma matemaatilised valemid teab, kui kasulikud analoogid võivad olla. Näiteks on väga mugav arvata, et aatom on miniatuurne planeetide süsteem, ja tavalise Newtoni mehaanika kasutamine tumedate tähtede kirjeldamisel aitab neid, kes pole valmis sukelduma kõrgem matemaatikaüldine relatiivsusteooria. Kuid analoogiatel on oma piirangud ja tume täht musta augu analoogiana lakkab töötamast, kui lähete piisavalt sügavale. On veel üks, parem analoogia. Sain sellest teada ühelt kvant-mustade aukude mehaanika pioneeridelt Bill Unruhilt. Võib-olla meeldib ta mulle eriti seetõttu, et olen oma esimese eriala järgi torumees.

Kujutage ette lõputut madalat järve. Selle sügavus on vaid paar jalga, kuid see ulatub lõputult sisse horisontaaltasand. Pimedad kullesed elavad üle kogu järve, nad veedavad siin terve elu valgust nägemata, kuid kasutavad objektide asukoha määramiseks ja suhtlemiseks suurepäraselt heli. Kehtib üks murdumatu reegel: miski ei saa vees liikuda kiiremini kui helikiirusel. Enamiku ülesannete puhul pole see kiiruspiirang oluline, kuna kullesed liiguvad palju aeglasemalt.

Kuid järves on oht. Paljud kullesed avastavad, et põgenemiseks on liiga hilja ja keegi pole veel tagasi tulnud, et rääkida, mis temaga juhtus. Järve keskel on kanalisatsioon. Vesi siseneb selle kaudu maa-alusesse koopasse, kus see murdub surmavalt teravatele kividele.

Kui vaadata järve ülalt, on näha, et vesi liigub äravoolu suunas. Sellest eemal on vee kiirus tuvastamatu, kuid mida lähemale see jõuab, seda kiiremaks see muutub. Oletame, et äravool tühjendab vett nii kiiresti, et mingil kaugusel ulatub selle kiirus helikiiruseni. Veelgi lähemale äravoolule muutub vool ülehelikiiruseks. See on tõepoolest väga ohtlik aktsia.

Vees ujuvad kullesed, kes tunnevad ainult oma vedelat elupaika, ei tea kunagi, kui kiiresti nad tegelikult liiguvad; kõike nende ümber tõmbab vesi sama kiirusega. Suur oht seisneb selles, et need võivad tõmmata äravoolu ja surra teravatel kividel. Tegelikult on niipea, kui üks neist ületab raadiuse, mille juures voolukiirus ületab helikiirust, hukule. Olles läbinud selle tagasitulekupunkti, ei saa ta voolust üle ega saada isegi hoiatust teistele, kes selles veel on. turvaline piirkond(ükski helisignaal ei liigu vees kiiremini kui heli). Unruh nimetab sellist kanalisatsiooni ja selle tagasipääsupunkti. pime auk - kurt vaikimise mõttes, kuna sellest ei saa heli välja tulla.

Tagasipöördumispunkti üks huvitavamaid omadusi on see, et sellest läbi ujuv hooletu vaatleja ei märka alguses midagi ebatavalist. Puuduvad hoiatusmärgid ega sireenid, ei ole takistusi, mis teda peataks, ega miski, mis räägiks talle lähenevast ohust. Mingil hetkel tundub kõik imeline ja järgmisel hetkel ka. Punkti, kust tagasiteed pole, läbimine on mittesündmus.

Ja nüüd ujub äravoolu poole vabalt triiviv kulles nimega Alice, kes laulab laulu oma sõbrale Bobile, kes on eemale jäänud. Nagu kõigil tema pimedatel sugulastel, on ka Alice'il üsna kehv repertuaar. Ainus noot, mida ta laulda oskab, on keskmine oktaav C 262 vibratsiooniga sekundis või tehniline keel, 262 hertsi (Hz) . Kuni Alice on äravoolust eemal, on tema liikumine peaaegu märkamatu. Bob kuulab Alice'i häält ja kuuleb esimese oktaavi "C". Kuid kui Alice kiirust üles võtab, muutub heli madalamaks, vähemalt Bobi meelest; "do" muutub sõnaks "si", seejärel "la". Seda põhjustab nn Doppleri nihe, näete seda, kui see möödub ekspressrong koos vilega. Kui rong läheneb, kostab vile teile kõrgemalt kui kabiinis olevale juhile. Kui vile sinust möödub ja hakkab eemalduma, vaibub heli. Iga järgnev vibratsioon on sunnitud liikuma veidi kauem kui eelmine ja see jõuab teie kõrva väikese hilinemisega. Aeg järjestikuste vahel heli vibratsioonid suureneb ja kuulete madalamat sagedust. Veelgi enam, kui rong võtab sinust eemaldudes kiirust üles, muutub tajutav sagedus järjest madalamaks.

Sama juhtub ka Alice'i noodiga, kui see läheneb punktile, kust pole tagasipöördumist. Esiteks kuuleb Bob sagedust 262 Hz. Seejärel langeb see 200 Hz-ni, seejärel 100 Hz-ni, 50 Hz-ni jne. Heli, mis kiirgab väga lähedale tagasitulekupunktile, vaibub väga kaua; vee liikumine summutab peaaegu täielikult heli väljapoole suunatud kiirust, aeglustades selle peaaegu seiskumiseni. Peagi muutub heli nii madalaks, et ilma erivarustuseta Bob seda enam ei kuule.

Bobil võib olla spetsiaalne varustus helilainete fokuseerimiseks ja Alice'i kujutiste jäädvustamiseks, kui ta läheneb punktile, kust pole tagasipöördumist. Aga järjekindel helilained Bobi juurde jõudmine võtab aina kauem aega, muutes kõik Alice'i kohta aeglaseks. Tema hääl muutub madalamaks; tema käppade liigutused aeglustuvad peaaegu täielikult. Kõige viimane löök Bobi saag ulatub lõpmatuseni. Tegelikult tundub Bobile, et Alice'il kulub igavesti, et jõuda punkti, kust tagasiteed ei ole.

Samal ajal ei märka Alice midagi ebatavalist. Ta triivib rahulikult mööda punktist, kust pole tagasipöördumist, ega tunne aeglustumist ega kiirenemist. Ta mõistab ohtu alles hiljem, kukkudes juba surmavatele kividele. Siin näeme ühte neist põhijooned mustad augud: erinevad vaatlejad tajuvad paradoksaalselt samu sündmusi täiesti erineval viisil. Bob, saabuvate helide järgi otsustades tundub, et Alice'il kulub terve igavik, et jõuda punkti, kust enam tagasi ei pöördu, kuid Alice'i jaoks võib see juhtuda silmapilguga.

Tõenäoliselt olete juba arvanud, et tagasipöördumise punkt on musta augu horisondi analoog. Asendage heli valgusega (pidage meeles, et miski ei saa liikuda kiiremini kui valgus) ja saate väga täpse illustratsiooni Schwarzschildi musta augu omadustest. Nagu ka kanalisatsiooniga, ei saa kõik, mis on ületanud silmapiiri, enam põgeneda ega isegi jääda paigale. Oht mustas augus ei ole teravad kivid, vaid singulaarsus keskel. Kogu horisondi sees olev aine tõmbub kokku singulaarsuseks, kus see surutakse kokku lõpmatu rõhu ja tiheduseni.

Surnud augu analoogia abil saab selgitada paljusid mustade aukude paradoksaalseid omadusi. Olgu näiteks, et Bob pole enam kulles, vaid astronaut peal kosmosejaam tiirlevad ohutus kauguses ümber musta augu. Horisondi poole kukkuv Alice ei laula – avakosmoses pole õhku, mis tema häält edasi kannaks –, vaid annab signaale sinise taskulambiga. Kukkudes näeb Bob valguse sageduse nihkumist sinisest, punaseks, infrapunaseks, mikrolaineteks ja lõpuks madala sagedusega raadiolaineteks. Alice ise näeb üha loidum välja, aeglustades peaaegu täieliku seiskumiseni. Bob ei näe teda kunagi üle silmapiiri; tema vaatenurgast võtaks Alice'il lõpmatult palju aega, et jõuda punkti, kust tagasiteed ei ole. Kuid Alice oma võrdlusraamistikus langeb rahulikult läbi silmapiiri ja hakkab tundma midagi kummalist, lähenedes ainult singulaarsusele.

Schwarzschildi musta augu horisont asub Schwarzschildi raadiuses. Kuigi Alice on pärast selle ületamist hukule määratud, on tal, nagu kullestel, veel veidi aega, enne kui ta singulaarsuses sureb. Aga kui palju täpsemalt? See sõltub musta augu suurusest, see tähendab massist. Mida suurem on mass, seda suurem on Schwarzschildi raadius ja seda rohkem on Alice'il aega jäänud. Päikese massiga mustas augus oleks sellel vaid kümme mikrosekundit. Mustas augus, mis asub galaktika keskel ja mille mass võib olla miljard korda suurem, on Alice'il miljard mikrosekundit, see tähendab umbes pool tundi. Võib ette kujutada veelgi suuremat musta auku, milles Alice võiks elada terve oma elu ja võib-olla on isegi mitu põlvkonda tema järeltulijatel aega vananeda ja surra, enne kui singulaarsus nad hävitab.

Loomulikult ei jõua Alice Bobi tähelepanekute kohaselt kunagi silmapiirile. Kellel siis õigus on? Kas see jõuab silmapiirini või mitte? Mis tegelikult toimub? Ja tõesti kas see? Füüsika on ju vaatlus- ja eksperimentaalne teadus, seega võiks eelistada Bobi usaldusväärseid tähelepanekuid, isegi kui need on Alice'i sündmuste kirjeldusega ilmselgelt vastuolus. (Pärast seda, kui oleme arutanud Jacob Bekensteini ja Stephen Hawkingi avastatud mustade aukude hämmastavaid kvantomadusi, pöördume tagasi Alice'i ja Bobi juurde.)

Valamu analoogia sobib hästi mitmeks otstarbeks, kuid nagu kõigil analoogial, on ka sellel omad piirid. Näiteks kui objekt kukub läbi horisondi, liidetakse selle mass musta augu massile. Massi suurenemine tähendab horisondi laienemist. Seda saab kindlasti modelleerida äravoolu analoogselt, näiteks paigaldades sellesse voolu voolu reguleerimiseks pumba. Iga kord, kui midagi kukub äravoolu, peaks pump võimsust veidi suurendama, kiirendades voolu ja lükates tagasivoolupunkti veidi kaugemale. Kuid selline mudel kaotab kiiresti oma lihtsuse.

Mustade aukude teine omadus on see, et nad ise on võimelised liikuma. Kui panna must auk mõne teise massi gravitatsioonivälja, siis see kiireneb nagu iga teine massiivne objekt. See võib isegi kukkuda suuremasse musta auku. Kui proovite tabada kõiki neid tõeliste mustade aukude omadusi kanalisatsiooni analoogias, muutub see keerulisemaks kui matemaatika, mida see väldib. Kuid vaatamata nendele piirangutele on aktsia mõistmiseks väga kasulik esitus põhiomadused mustad augud üldrelatiivsusteooria võrrandeid valdamata.

Mõned valemid neile, kes neid armastavad

Kirjutasin selle raamatu mitte-matemaatika lugejatele, kuid neile, kellele meeldib natuke matemaatikat, on siin mõned valemid ja nende tähendus selgitatud. Kui te pole huvitatud, minge lihtsalt aadressile järgmine peatükk. See ei ole eksam.

Newtoni gravitatsiooniseaduse järgi tõmbab iga objekt universumis kõiki teisi objekte ja gravitatsioonijõud. võrdeline nende masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga:

See on üks kuulsamaid füüsikalised võrrandid, on see peaaegu sama laialt tuntud kui E= mc 2 (see kuulus võrrand seostab energiat E massiga m ja valguse kiirus c).

Toide on vasakul F mis toimivad kahe massi, näiteks Kuu ja Maa või Maa ja Päikese vahel. Paremal pool on suur mass M ja vähem kaalu m. Näiteks Maa mass on 6 10 24 kg ja Kuu mass 7 10 22 kg. Masside vaheline kaugus on näidatud D. Kaugus Maast Kuuni on umbes 4 10 8 m.

Võrrandi viimane märge, G, on arvkonstant, mida nimetatakse Newtoni gravitatsioonikonstandiks. Seda väärtust ei saa tuletada puhtalt matemaatiliselt. Selle väärtuse leidmiseks on vaja mõõta kahe vahelise tõmbejõudu tuntud massid mingil teadaoleval kaugusel. Kui see on tehtud, saab arvutada mis tahes kahe massi vahel mis tahes vahemaa tagant mõjuva jõu. Irooniline, et Newton ei teadnud kunagi oma konstandi väärtust. Fakt on see, et gravitatsioon on nii nõrk ja suurusjärk G, vastavalt on nii väike, et seda ei saanud mõõta enne XIX lõpus sajandite jooksul. Selleks ajaks Inglise füüsik Henry Cavendish töötas välja geniaalse viisi üliväikeste jõudude mõõtmiseks. Cavendish leidis, et ühe meetri kaugusel eraldatud kilogrammide masside paari vahel mõjuv jõud on ligikaudu 6,7 x 10-11 njuutonit. (Newton on jõu ühik meetermõõdustik Si. See on umbes kümnendik ühe kilogrammi kaalust.) Seega on gravitatsioonikonstandi väärtus C-süsteemis:

G\u003d 6,7 × 10 -11.

Oma teooria tagajärgi uurides tegi Newton ühe olulise avastuse pöördruuduseaduse eriomaduste kohta. Kui mõõdate oma kaalu, osa gravitatsioonijõud Sind Maa poole tõmbab just sinu jalge all olev mass, osa sügaval Maa sees olevast massist ja osa Maa vastasküljel 12,5 tuhande kilomeetri kaugusel olevate masside panusest. Kuid tänu matemaatilisele imele võime eeldada, et kogu mass on koondunud ühte punkti otse planeedi geomeetrilisse keskpunkti.

See mugav fakt võimaldas Newtonil arvutada suure objekti põgenemiskiiruse, asendades selle laiendatud massi väikese massiivse punktiga. Ja siin on tulemus:

Märge. tõlge ) ja sellele on lisatud järgmine märge: "The American Heritage Dictionary of the inglise keel(4. väljaanne) defineerib mürsku kui "lasku, visatud või muul viisil liikuvat objekti, näiteks kuuli, millel puudub iseliikumisvõime". Kas mürsk võib olla üks valgusosake? Mitchelli ja Laplace’i sõnul on vastus jaatav.

Põgenemiskiirust nimetatakse ka teiseks kosmiliseks kiiruseks. Esiteks ruumi kiirus peetakse seda, mis on piisav, et siseneda Maa pinna lähedal asuvale ringikujulisele orbiidile. - Märge. tõlge

Põgenemiskiiruse mõiste on idealiseerimine, mis ignoreerib selliseid mõjusid nagu näiteks õhutakistus, mis eeldaks, et objekt liiguks palju kiiremini.

Päikese mass on umbes 210 30 kg. See mass on umbes miljon korda suurem kui Maa mass. Päikese raadius on umbes 70 000 km, see tähendab umbes sada maapealset.

Professor George Ellis tuletas mulle meelde muutuva voolu peensust. Sel juhul ei lange tagasipöördumispunkt täpselt kokku kohaga, kus vee kiirus langeb kokku heli kiirusega. Mustade aukude puhul on näilise ja tegeliku nähtavuse horisondi vahel sarnane väike erinevus.