"Slaget om det svarte hullet". Kapittel fra en bok

kort om meg: "ved lyden av en fløyte mister han viljen når han hører om sorte hull og annet kosmos." Dessverre fikk jeg ikke utdanning ved Fysisk fakultet, så jeg snakker om boken utelukkende som humanist (søk etter faktafeil og misoppfatninger i teksten til mod off).

Å skrive bøker om kvantemekanikk kan nå være morsomt. Gluoner, kvarker, ormehull, varm kvarksuppe, kvanteskjelv og andre begreper leker «stå opp barn, stå i ring», arrangerer en runddans rundt hovedtema: svarte hull. Stephen Hawking, en superstjerne i vitenskapens verden, ser på svarte hull som informasjonsspisere, ikke beholdere der informasjon lagres på forespørsel. Forfatteren av boken forsvarer teorien om lagring-arkiv på forespørsel, presentere svart hull noe sånt som et blekkgods uten søl (mens Hawking holder seg til shredder-teorien). Hvor tungt arkivert kan informasjon falle inn i sorte hull? Susskind skriver at selv en murstein på ett kilo stort sett er et tomrom som kan komprimeres til størrelsen på et knappenålshode og til og med til størrelsen av et virus. Svarte hull er ikke bare ekstremt komprimerte stjerner, men også de ultimate reservoarene for informasjon, der all informasjon er tettpakket, som kanonkuler stablet i rader (unntatt mindre størrelse trettifire størrelsesordener). Det er rundt dette – tettpakket informasjon og entropi – at all kvantetyngdekraft dreier seg.

I lang tid trodde fysikere at sorte hull er evige, som diamanter, ubevegelige og jobber bare for å motta informasjon. Men Susskind siterer argumentene til forskjellige forskere som, den ene etter den andre, tilbakeviser mange av de vanlige fakta om sorte hull. En vitenskapsmann som Dennis Skiama konkluderte med det sorte hull fordamper: elektromagnetisk stråling bærer bort noe av det sorte hullets masse. Bekenstein gjettet at sorte hull har entropi, og Hawking gjettet at de har temperatur. En annen egenskap ved sorte hull er at de selv er i stand til å bevege seg. Hvis du plasserer et svart hull i gravitasjonsfeltet til en annen masse, vil det akselerere som alle andre massive objekter. Det kan til og med falle ned i et større sort hull. Hvem kalte dem i det hele tatt hull? John Wheeler. Før ham ble fenomenet kalt mørke (svarte) stjerner.

Ethvert navn som er ukjent for leseren vil bli kommentert av forfatteren på en veldig direkte måte, for eksempel: «Den sjarmerende dansken Aage, før han flyttet til USA, var Niels Bohrs assistent i København. Han forgudet kvantemekanikk og levde og åndet Bohrs filosofi." Susskind vil dele sine observasjoner om hvem av fysikerne i en alder av sytti som foretrakk å tenke på jenter i bikini i stedet for å snakke om vitenskap, og hvordan de oppførte seg. For eksempel om Feynman: «Jeg møtte en løve, og han skuffet meg ikke» og «Feynmans ego var brutalt, men ved siden av ham var det veldig gøy».

Fordelen med Susskinds bok er at han tillater seg å ikke stå på seremoni med ord, kan si at det vitenskapelige bildet av det attende århundres verden var ganske kjedelig, usikkerhetsprinsippet er en merkelig og dristig uttalelse, og en ideell krystall, som en ideell BMW, har ingen entropi i det hele tatt. Bildespråket og uttrykksfullheten i teksten hans er imidlertid verdifull det er et par fakta som betegner betydningen av boken. Den første er en bagatell, et "påskeegg": uten anførselstegn er det et veldig lyst direkte sitat fra Hawking "Jeg ble sterkt anbefalt å begrense meg til en enkelt formel: E = mc2. Jeg ble fortalt at for hver ekstra ligning ville salget av boken falle med ti tusen eksemplarer. Og den andre er litt mer alvorlig: etter å ha lest teksten, er det en følelse av at Susskind, som gikk inn i kampen med Hawking, aldri en gang hadde en ekte diskusjon med ham, og bare "kjempet" i fantasien.

Kapittel etter kapittel forteller Susskind om hvordan tankene hans sjelden beveget seg bort fra personen til Stephen Hawking, historien er mer og mer som en besettelse, paralleller trekkes med romanen "Moby Dick", bare i motsetning til Akabs besettelse, var ikke Susskinds besettelse. en hundre tonns hval, men var "hundre pund teoretisk fysiker i en stol med motor. I vedlegget er det en skanning av et dokument som bekrefter faktumet om Hawkings tvist med en tredjepart om et emne som ligner på "konfrontasjonen" Hawking / Susskind (og til slutt innrømmet Hawking nederlag). Vel, hvis du tilgir vitenskapsmannen for hans paniske fanatisme, kan du lære mye interessant informasjon fra boken om sorte hull, strengteori og kvantemekanikk.

«I dag er det feil å si at sorte hull ikke sender ut noe lys. Ta en røykfylt kjele, varm den opp til noen hundre grader, så begynner den å lyse rødt. Fortsatt varmere, og gløden blir oransje, deretter gul og til slutt en lys blåhvit. Det er merkelig at, i henhold til definisjonen av fysikere, er solen en svart kropp. Hvor rart, vil du si: det er vanskelig å forestille seg noe lenger fra svart enn solen. Faktisk sender solens overflate ut stor mengde lys, men det reflekterer ikke noe. Dette gjør det til en svartkropp for en fysiker."

P.S. Jeg lærte først om det faktum at entropi vokser fra sangen "Civil Defense"; hvis jeg leser flere oppslagsverk, da ville jeg ha visst mer undertekst om "solens svarte farge" (se sitatet "solen er svart kropp" ovenfor).

Hva skjer når en gjenstand faller ned i et sort hull? Forsvinner han sporløst? For rundt tretti år siden uttalte en av de ledende forskerne av fenomenet sorte hull, den nå kjente britiske fysikeren Stephen Hawking, at det er akkurat det som skjer. Men det viser seg at et slikt svar truer alt vi vet om fysikk og universets grunnleggende lover. Forfatteren av denne boken, den fremragende amerikanske fysikeren Leonard Susskind, kranglet i mange år med Stephen Hawking om naturen til sorte hull, helt til han til slutt, i 2004, innrømmet feilen sin. Strålende og bemerkelsesverdig lett å lese, denne boken forteller den overbevisende historien om denne tiår lange vitenskapelige kontroversen som radikalt har endret måten fysikere ser på virkelighetens natur. Det nye paradigmet førte til den fantastiske konklusjonen at alt i vår verden - denne boken, hjemmet ditt, deg selv - bare er et slags hologram projisert fra kantene av universet. Boken er inkludert i Library of the Dynasty Foundation. Dynasty Foundation for Non-Commercial Programs ble grunnlagt i 2001 av Dmitry Borisovich Zimin, ærespresident i Vimpelcom. Prioriterte områder Stiftelsens aktiviteter er støtte til grunnleggende vitenskap og utdanning i Russland, popularisering av vitenskap og utdanning. The Library of the Dynasty Foundation er et prosjekt fra Foundation for publisering av moderne populærvitenskapelige bøker valgt av ekspertforskere.

Del 1. Den kommende stormen
1. Første torden

San Francisco, 1983.

Da den første trefningen fant sted på loftet til Jack Rosenbergs herskapshus, hadde de truende krigsskyene samlet seg i mer enn 80 år. Jack, også kjent som Werner Erhard, var en guru, en sleip butikkeier og litt av en svindler. Fram til begynnelsen av 1970-tallet var han bare Jack Rosenberg, en leksikonselger. Men en dag, da han kjørte over Golden Gate Bridge, kom en åpenbaring over ham. Han vil redde verden og vil takket være dette bli enormt rik. Alt som trengs er et kult navn og ny tilnærming til punktet. Navnet ville være Werner (etter Werner Heisenberg) Erhard (etter den tyske politikeren Ludwig Erhard), og den nye tilnærmingen ville være Erhards Training Seminars, est. Og han lyktes, om ikke i å redde verden, i det minste i å bli rik. Tusenvis av sjenerte, usikre mennesker betalte hundrevis av dollar for utmattende rabalder på seksten timer lange motivasjonsseminarer av Werner selv eller en av hans mange studenter, der det (ifølge rykter) var forbudt til og med å gå på toalettet.

Det var mye billigere og raskere enn psykoterapi, og på en eller annen måte fungerte det. Folk kom inn sjenerte og usikre, og etter seminarene så de sterke, trygge og vennlige ut – akkurat som Werner: Never mind at de noen ganger virket som gale roboter med skjelvende hender. De følte seg bedre. «Training» ble til og med gjenstand for en veldig morsom film «Semi-Tough» av Burt Reynolds. Werner var konstant omringet av vanvittige EST-fans. «Slaver» er kanskje for mye sterkt ord La oss kalle dem frivillige. ECT-utdannede kokker laget maten hans, sjåfører kjørte ham rundt i byen, herskapshuset hans var fylt med alle slags tjenere. Men ironisk nok var Werner selv også en rabiat fan - en fysikkfan.

Gratis nedlasting e-bok i et praktisk format, se og les:
Last ned boken The Battle of the Black Hole, min kamp med Stephen Hawking for en verden som er trygg for kvantemekanikk, Susskind L. - fileskachat.com, rask og gratis nedlasting.

Last ned fil nummer 1 - fb2
Last ned fil #2 - rtf
Nedenfor kan du kjøpe denne boken til den beste rabatterte prisen med levering i hele Russland.

Leonard Susskind

Svart hull kamp

Min kamp med Stephen Hawking for en verden trygg for kvantemekanikk

Hva blåser liv inn i disse ligningene og skaper universet som de kunne beskrive?

- Stephen Hawking

Introduksjon

Så mye å grok, og måtte starte nesten fra scratch.

- Robert Heinlein. Fremmed i de fremmedes land

Et sted på den østafrikanske savannen jakter en middelaldrende løvinne middagen hennes. Hun ville ha foretrukket langsomme byttedyr av alderdom, men alt som er der er bare en ung, frisk antilope. De oppmerksomme øynene til offeret er ideelt plassert på sidene av hodet, slik at i påvente av et angrep, holdes under observasjon hele omliggende område. Øynene til et rovdyr, derimot, ser rett frem, fokuserer på byttet og estimerer avstanden.

Denne gangen savnet antilopens "vidvinkelskannere" et rovdyr som kom innenfor kasteavstand. De sterke bakbena til løvinnen presser henne mot det redde byttet. Den evige jakten begynner igjen.

Selv om den er belastet av mange år, er den store katten en utmerket sprinter. Til å begynne med reduseres gapet, men fra plutselige bevegelser opplever de kraftige musklene til løvinnen oksygen sult og svekkes gradvis. Snart vinner antilopens naturlige utholdenhet: på et tidspunkt endrer den relative hastigheten til katten og byttet tegn, etterslepet som krympet før begynner å vokse. Løvinnen føler at formuen hennes har forrådt henne, Hennes Kongelige Majestet innrømmer nederlag og vender tilbake til sitt bakhold i buskene.

For femti tusen år siden finner en sliten jeger en steinfylt inngang til en hule. Flytter du et tungt hinder får du et trygt sted å hvile. I motsetning til sine apelignende forfedre, står jegeren oppreist. Men i denne posisjonen skyver han steinblokken uten hell. Ved å velge en mer passende vinkel, setter han bena lenger unna. Når posisjonen til kroppen hans er nesten horisontal, begynner hovedkomponenten av den påførte kraften å virke i riktig retning. Steinen beveger seg.

Avstand? Hastighet? Skiltbytte? Hjørne? Styrke? komponent? Hvilke utrolig komplekse beregninger foregår i hjernen til en jeger, enn si en katt? Disse tekniske konseptene finnes ofte i fysikklærebøker på videregående skole. Hvor lærte katten å måle ikke bare byttets hastighet, men enda viktigere, relativ hastighet? Tok jegeren fysikktimer for å forstå kraftbegrepet? Og mer trigonometri for å bruke sinus og cosinus for å beregne komponentene?

Sannheten er selvfølgelig at alle komplekse livsformer har innebygde instinktive begreper om fysikk som er hard-wired av evolusjon inn i deres nervesystem. Uten denne forhåndsinstallerte fysiske "programvaren" ville det vært umulig å overleve. Mutasjoner og naturlig utvalg har gjort oss alle til fysikere, til og med dyr. Den store størrelsen på hjernen hos mennesker har tillatt disse instinktene å utvikle seg til konsepter som vi opererer bevisst.

Selvblinkende

Faktisk er vi alle klassisk fysikere. Vi "føler" kraft, fart og akselerasjon. Robert Heinlein, i science fiction-romanen Alien in Alien Land (1961), laget ordet "grok" for å uttrykke denne dypt intuitive, nesten fysiologiske forståelsen av fenomenet. Jeg spiller styrke, fart og akselerasjon. Jeg groker 3D-plass. Jeg grokker tiden og tallet 5. Banene til en stein eller en pil egner seg til grok. Men min standard innebygde groker bryter sammen når jeg prøver å bruke den på ti-dimensjonal romtid, eller på tallet 10 1000, eller enda verre, på elektronenes verden og Heisenbergs usikkerhetsprinsipp.

Med ankomsten av det 20. århundre har vår intuisjon falt i en kolossal ulykke; fysikken fant seg plutselig forvirret over helt ukjente fenomener. Min farfar var allerede ti år gammel da Albert Michelson og Edward Morley oppdaget at jordens banebevegelse gjennom en hypotetisk eter ikke kunne registreres. Elektron ble oppdaget da min bestefar var i tjueårene; da han fylte tretti, ble publisert spesiell teori relativiteten til Albert Einstein, og da han krysset terskelen til middelalderen, oppdaget Heisenberg usikkerhetsprinsippet. Ingen måte kunne den evolusjonære pressen føre til utviklingen av en intuitiv forståelse av verdener så radikalt forskjellige fra det vi er vant til. Men noe i vår nervesystemer, i det minste for noen av oss, viste seg å være klar for en fantastisk blinking, som ikke bare tillot å være interessert i obskure fenomener, men også å lage matematiske abstraksjoner, noen ganger helt kontraintuitive, for å forklare og manipulere disse fenomenene.

Hastigheten til den første forårsaket behovet for å blinke - enorm fart konkurrerer med selve lyset. Ingen dyr før det tjuende århundre beveget seg raskere enn hundre miles per time (160 km/t), og selv etter dagens standarder er lyshastigheten så stor at for alle unntatt forskere ser det ikke ut til å bevege seg i det hele tatt, men vises rett og slett umiddelbart når den er slått på. Gamle mennesker trengte ikke fastvare for å operere med ultrahøye hastigheter, for eksempel lysets hastighet.

Blinkende i spørsmålet om hastighet oppstod plutselig. Einstein var ikke en mutant; I ti år, i fullstendig uklarhet, slet han med å erstatte sin gamle Newtonske fastvare. Men det må ha virket for datidens fysikere som en ny type mennesker plutselig dukket opp blant dem - noen som var i stand til å se verden ikke som et tredimensjonalt rom, men som et firedimensjonalt rom. romtid.

Så kjempet Einstein i ytterligere ti år, denne gangen i alle fysikeres syn, for å forene det han kalte spesiell relativitet med Newtons gravitasjonsteori. Resultatet av disse anstrengelsene var den generelle relativitetsteorien, som i stor grad endret alle våre tradisjonelle ideer om geometri. Rom-tid har blitt plastisk, i stand til å bøye og brette seg. Den reagerer på tilstedeværelsen av materie litt som en gummiduk som synker under belastning. Tidligere var rom-tid passiv, sin geometriske egenskaper- uendret. PÅ generell teori I relativitetsteorien blir romtiden en aktiv spiller: den kan deformeres av massive objekter som planeter og stjerner, men dette er umulig å forestille seg uten kompleks tilleggsmatematikk.

I 1900, fem år før Einstein dukket opp på scenen, begynte et annet enda mer fantastisk paradigmeskifte med oppdagelsen av at lys består av partikler kalt fotoner, eller noen ganger lyskvanter. Foton teori lyset var bare en varsler om den kommende revolusjonen; mentale øvelser på denne veien viste seg å være mye mer abstrakte enn noe som noen gang hadde vært påtruffet før. Kvantemekanikk er mer enn ny lov natur. Det forårsaket en endring i reglene for klassisk logikk, det vil si de vanlige tankereglene som enhver tilregnelig person bruker i resonnement. Hun virket gal. Men gal eller ikke, fysikere har vært i stand til å gjenoppfriske seg i samsvar med den nye logikken, som kalles kvante. I kapittel 4 vil jeg forklare alt du trenger å vite om kvantemekanikk. Gjør deg klar til å bli slått ned. Det skjer med alle.

Relativitet og kvantemekanikk har mislikt hverandre helt fra begynnelsen. Forsøk på å tvangsgifte dem fikk katastrofale konsekvenser - for hvert spørsmål som ble stilt av fysikere, ga matematikken ut monstrøse uendeligheter. Det tok et halvt århundre å forene kvantemekanikk med spesiell relativitet, men til slutt ble de matematiske inkompatibilitetene eliminert. På begynnelsen av 1950-tallet la Richard Feynman, Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga og Freeman Dyson grunnlaget for foreningen spesiell relativitetsteori og kvantemekanikk, kalt kvanteteori Enger. men generell relativitetsteorien (Einsteins syntese av den spesielle relativitetsteorien med Newtons gravitasjonsteori) og kvantemekanikk forble uforsonlige, og åpenbart ikke på grunn av mangel på fredsskapende innsats. Feynman, Steven Weinberg, Bryce De Witt og John Wheeler prøvde å kvantisere Einsteins ligninger, men alle endte opp med matematisk absurditet. Kanskje dette ikke var overraskende. Kvantemekanikk styrte verden av veldig lette objekter. Tyngdekraften, tvert imot, så ut til å ha betydning bare for svært tunge ansamlinger av materie. Det så ut til at det ikke var noe lett nok til at kvantemekanikk var essensielt, og samtidig ingenting tungt nok til at tyngdekraften kunne tas i betraktning. Som et resultat anså mange fysikere i andre halvdel av det tjuende århundre søket etter en slik enhetlig teori for å være en fåfengt øvelse, egnet bare for gale forskere og filosofer.

Leonard Susskind

Svart hull kamp

Min kamp med Stephen Hawking for en verden trygg for kvantemekanikk

Hva blåser liv inn i disse ligningene og skaper universet som de kunne beskrive?

- Stephen Hawking

Introduksjon

Så mye å grok, og måtte starte nesten fra scratch.

- Robert Heinlein. Fremmed i de fremmedes land

Et sted på den østafrikanske savannen jakter en middelaldrende løvinne middagen hennes. Hun ville ha foretrukket langsomme byttedyr av alderdom, men alt som er der er bare en ung, frisk antilope. De oppmerksomme øynene til offeret er ideelt plassert på sidene av hodet, for å holde hele området rundt under observasjon i påvente av et angrep. Øynene til et rovdyr, derimot, ser rett frem, fokuserer på byttet og estimerer avstanden.

Denne gangen savnet antilopens "vidvinkelskannere" et rovdyr som kom innenfor kasteavstand. De sterke bakbena til løvinnen presser henne mot det redde byttet. Den evige jakten begynner igjen.

Sannheten er selvfølgelig at alle komplekse livsformer har innebygde instinktive ideer om fysikk som er hard-wired av evolusjon inn i deres nervesystem. Uten denne forhåndsinstallerte fysiske "programvaren" ville det vært umulig å overleve. Mutasjoner og naturlig utvalg har gjort oss alle til fysikere, til og med dyr. Den store størrelsen på hjernen hos mennesker har tillatt disse instinktene å utvikle seg til konsepter som vi opererer bevisst.

Selvblinkende

Faktisk er vi alle klassisk fysikere. Vi "føler" kraft, fart og akselerasjon. Robert Heinlein, i science fiction-romanen Alien in Alien Land (1961), laget ordet "grok" for å uttrykke denne dypt intuitive, nesten fysiologiske forståelsen av fenomenet. Jeg spiller styrke, fart og akselerasjon. Jeg groker 3D-plass. Jeg grokker tiden og tallet 5. Banene til en stein eller en pil egner seg til grok. Men min standard innebygde groker bryter sammen når jeg prøver å bruke den på ti-dimensjonal romtid, eller på tallet 101000, eller enda verre, på elektronenes verden og Heisenbergs usikkerhetsprinsipp.

Med ankomsten av det 20. århundre har vår intuisjon falt i en kolossal ulykke; fysikken fant seg plutselig forvirret over helt ukjente fenomener. Min farfar var allerede ti år gammel da Albert Michelson og Edward Morley oppdaget at jordens banebevegelse gjennom en hypotetisk eter ikke kunne registreres. Elektron ble oppdaget da min bestefar var i tjueårene; da han fylte tretti ble Albert Einsteins spesielle relativitetsteori publisert, og da han krysset terskelen til middelalderen, oppdaget Heisenberg usikkerhetsprinsippet. Ingen måte kunne den evolusjonære pressen føre til utviklingen av en intuitiv forståelse av verdener så radikalt forskjellige fra det vi er vant til. Men noe i nervesystemene våre, i det minste noen av oss, viste seg å være klar for en fantastisk omkobling, som ikke bare tillot å være interessert i obskure fenomener, men også å lage matematiske abstraksjoner, noen ganger helt kontraintuitive, for å forklare og manipulere disse fenomenene .

Hastigheten til den første forårsaket behovet for blinking - en enorm hastighet som konkurrerer med lyset selv. Ingen dyr før det tjuende århundre beveget seg raskere enn hundre miles per time (160 km/t), og selv etter dagens standarder er lyshastigheten så stor at for alle unntatt forskere ser det ikke ut til å bevege seg i det hele tatt, men vises rett og slett umiddelbart når den er slått på. Gamle mennesker trengte ikke fastvare for å operere med ultrahøye hastigheter, for eksempel lysets hastighet.

Så kjempet Einstein i ytterligere ti år, denne gangen i alle fysikeres syn, for å forene det han kalte spesiell relativitet med Newtons gravitasjonsteori. Resultatet av disse anstrengelsene var den generelle relativitetsteorien, som i stor grad endret alle våre tradisjonelle ideer om geometri. Rom-tid har blitt plastisk, i stand til å bøye og brette seg. Den reagerer på tilstedeværelsen av materie litt som en gummiduk som synker under belastning. Tidligere var rom-tid passiv, dens geometriske egenskaper uendret. I generell relativitet blir romtid en aktiv spiller: den kan deformeres av massive objekter som planeter og stjerner, men dette er umulig å forestille seg uten kompleks tilleggsmatematikk.

I 1900, fem år før Einstein dukket opp på scenen, begynte et annet enda mer fantastisk paradigmeskifte med oppdagelsen av at lys består av partikler kalt fotoner, eller noen ganger lyskvanter. Fotonteorien om lys var bare en forvarsel om den kommende revolusjonen; mentale øvelser på denne veien viste seg å være mye mer abstrakte enn noe som noen gang hadde vært påtruffet før. Kvantemekanikk er mer enn en ny naturlov. Det forårsaket en endring i reglene for klassisk logikk, det vil si de vanlige tankereglene som enhver tilregnelig person bruker i resonnement. Hun virket gal. Men gal eller ikke, fysikere har vært i stand til å gjenoppfriske seg i samsvar med den nye logikken, som kalles kvante. I kapittel 4 vil jeg forklare alt du trenger å vite om kvantemekanikk. Gjør deg klar til å bli slått ned. Det skjer med alle.

Relativitet og kvantemekanikk har mislikt hverandre helt fra begynnelsen. Forsøk på å tvangsgifte dem fikk katastrofale konsekvenser - for hvert spørsmål som ble stilt av fysikere, ga matematikken ut monstrøse uendeligheter. Det tok et halvt århundre å forene kvantemekanikk med spesiell relativitet, men til slutt ble de matematiske inkompatibilitetene eliminert. På begynnelsen av 1950-tallet la Richard Feynman, Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga og Freeman Dyson grunnlaget for foreningen spesiell relativitetsteori og kvantemekanikk, kalt kvantefeltteori. men generell relativitetsteorien (Einsteins syntese av den spesielle relativitetsteorien med Newtons gravitasjonsteori) og kvantemekanikk forble uforsonlige, og åpenbart ikke på grunn av mangel på fredsskapende innsats. Feynman, Steven Weinberg, Bryce De Witt og John Wheeler prøvde å kvantisere Einsteins ligninger, men alle endte opp med matematisk absurditet. Kanskje dette ikke var overraskende. Kvantemekanikk styrte verden av veldig lette objekter. Tyngdekraften, tvert imot, så ut til å ha betydning bare for svært tunge ansamlinger av materie. Det så ut til at det ikke var noe lett nok til at kvantemekanikk var essensielt, og samtidig ingenting tungt nok til at tyngdekraften kunne tas i betraktning. Som et resultat anså mange fysikere i andre halvdel av det tjuende århundre søket etter en slik enhetlig teori for å være en fåfengt øvelse, egnet bare for gale forskere og filosofer.

Horatio - i himmel og jord
Det er mange ting du aldri har drømt om.
Vitenskap.

Det første hintet til noe som et sort hull dukket opp på slutten av 1700-tallet, da den store franske fysikeren Pierre-Simon de Laplace og den engelske geistlige John Mitchell uttrykte den samme bemerkelsesverdige ideen. Alle fysikerne på den tiden var seriøst interessert i astronomi. Alt som var kjent om himmellegemene ble avslørt av lyset de sendte ut eller, som i tilfellet med månen og planetene, reflektert. Selv om det på tiden til Mitchell og Laplace hadde gått et halvt århundre siden Isaac Newtons død, forble han fortsatt den mest innflytelsesrike figuren innen fysikk. Newton mente at lys var bygd opp av bittesmå partikler – blodlegemer, som han kalte dem – og i så fall, hvorfor skulle ikke lyset oppleve tyngdekraftens virkning? Laplace og Mitchell lurte på om det kunne være en stjerne så massiv og tett at lyset ikke kunne overvinne gravitasjonskraften. Må slike stjerner, hvis de eksisterer, være absolutt mørke og derfor usynlige?

La oss midlertidig kalle ethvert massivt himmellegeme for en stjerne, enten det er en planet, en asteroide eller en ekte stjerne. Jorden er bare en liten stjerne, Månen er en enda mindre stjerne osv. I følge Newtons tyngdelov er gravitasjonskraften til en stjerne proporsjonal med massen, så det er helt naturlig at rømningshastigheten også avhenger på stjernens masse. Men masse er bare halve kampen. Den andre halvparten er stjernens radius. Tenk deg at du står på jordens overflate og på dette tidspunktet begynner en viss kraft å komprimere jorden, redusere størrelsen, men uten å miste masse. Hvis du holder deg på overflaten, vil kompresjonen bringe deg nærmere alle jordens atomer uten unntak. Når man nærmer seg en masse, øker effekten av dens tyngdekraft. Vekten din - en funksjon av tyngdekraften - vil øke, og som du kanskje gjetter, vil det bli stadig vanskeligere å overvinne jordens tyngdekraft. Dette eksemplet illustrerer et grunnleggende fysisk mønster: sammentrekningen av en stjerne (uten tap av masse) øker rømningshastigheten.

Forestill deg nå den stikk motsatte situasjonen. Av en eller annen grunn utvider jorden seg slik at du beveger deg bort fra massen. Tyngdekraften på overflaten vil bli svakere, noe som betyr at det blir lettere å bryte ut av det. Spørsmålet som Mitchell og Laplace stilte var om en stjerne kunne ha så stor masse og så liten størrelse at rømningshastigheten oversteg lysets hastighet.

Da Mitchell og Laplace først uttrykte disse profetiske tankene, var lysets hastighet (angitt med bokstaven c) har vært kjent i over hundre år. Den danske astronomen Ole Römer i 1676 fastslo at det er en kolossal mengde - 300 000 km (det er omtrent syv omdreininger rundt jorden) på ett sekund:

c= 300 000 km/s.

Ved en slik kolossal hastighet kreves det en ekstremt stor eller ekstremt konsentrert masse for å holde lyset, men det er ingen åpenbar grunn til at noe slikt ikke kunne eksistere. I Mitchell-rapporten Royal Society den første omtalen av gjenstander som John Wheeler senere ville kalle sorte hull.

Det kan overraske deg at blant alle kreftene anses tyngdekraften for å være ekstremt svak. Selv om en overvektig løfter og en høydehopper kan føles annerledes, er det et enkelt eksperiment som viser hvor svak tyngdekraften egentlig er. La oss begynne med lett vekt: la det være en liten kule styrofoam. På en eller annen måte vil vi gi den en statisk elektrisk ladning. (Du kan bare gni den på en genser.) Heng den nå fra taket på en tråd. Når den slutter å spinne, vil tråden henge vertikalt. Ta nå en annen lignende ladet gjenstand til den hengende ballen. Den elektrostatiske kraften vil frastøte den suspenderte lasten, og få strengen til å vippe.

Samme effekt kan oppnås med en magnet hvis hengende vekt er laget av jern.

Fjern nå den elektriske ladningen eller magneten og prøv å avlede den hengende lasten ved å ta veldig tunge gjenstander mot den. Tyngdekraften deres vil trekke lasten, men effekten vil være så svak at den ikke kan merkes. Tyngdekraften er ekstremt svak sammenlignet med elektriske og magnetiske krefter.

Men hvis tyngdekraften er så svak, hvorfor kan du ikke hoppe til månen? Faktum er at jordens enorme masse, 6·10 24 kg, lett kompenserer for tyngdekraftens svakhet. Men selv med denne massen er flukthastigheten fra jordoverflaten mindre enn en ti tusendel av lysets hastighet. For å øke rømningshastigheten c, oppfunnet av Mitchell og Laplace mørk stjerne skal være forbløffende massiv og forbløffende tett.

For å få en følelse av størrelsesordenen, la oss se på rømningshastigheter for forskjellige himmellegemer. Å forlate jordens overflate starthastighet ca. 11 km/s, som, som allerede nevnt, er ca. 40 000 km/t. Etter jordiske standarder er dette veldig raskt, men sammenlignet med lysets hastighet er det som bevegelsen til en snegl.

På en asteroide ville du ha en mye bedre sjanse til å forlate overflaten enn på jorden. En asteroide med en radius på 1,5 km har en rømningshastighet på omtrent 2 m/s: bare å hoppe er nok. På den annen side er sola mer jord både når det gjelder størrelse og vekt. Disse to faktorene virker i motsatte retninger. En stor masse gjør det vanskelig å forlate solens overflate, og en stor radius tvert imot gjør det lettere. Massen vinner imidlertid, og rømningshastigheten for soloverflate omtrent femti ganger mer enn for jorden. Men den er fortsatt mye lavere enn lysets hastighet.

Men solen vil ikke forbli i sin nåværende størrelse for alltid. Til slutt vil stjernen gå tom for drivstoff, og trykket som buler den, støttet av indre varme, vil svekkes. Som en gigantisk skrustikke vil tyngdekraften begynne å komprimere stjernen til en brøkdel av dens opprinnelige størrelse. Et sted om fem milliarder år vil Solen brenne ut og kollapse i den såkalte hvit dverg med en radius omtrent som jordens. Å forlate overflaten vil kreve en hastighet på 6400 km/s - mye, men fortsatt bare 2% av lysets hastighet.

Hvis solen var litt – halvannen gang – tyngre, ville den ekstra massen presset den sterkere enn før tilstanden til en hvit dverg. Elektronene i stjernen ville klemme seg inn i protonene og danne en utrolig tett kule av nøytroner. En nøytronstjerne er så tett at bare en teskje av stoffet veier flere milliarder tonn. Men også nøytronstjerne ennå ikke ønsket mørk; rømningshastigheten fra overflaten er allerede nær lysets hastighet (ca. 80 % c), men fortsatt ikke lik det.

Hvis den kollapsende stjernen er enda tyngre, la oss si fem ganger solens masse, så kan ikke selv en tett nøytronkule motstå det komprimerende gravitasjonskraften. Som et resultat av den siste eksplosjonen innover vil stjernen kollapse inn singularitet - punkt med nesten uendelig tetthet og destruktiv kraft. Rømningshastigheten for denne lille kjernen er mange ganger lysets hastighet. Slik vises en mørk stjerne, eller, som vi sier i dag, et svart hull.

Einstein mislikte ideen om sorte hull så mye at han benektet muligheten for deres eksistens, og hevdet at de aldri kunne dannes. Men liker det Einstein eller ikke, svarte hull er en realitet. I dag studerer astronomer dem enkelt, ikke bare enkelt kollapsede stjerner, men også svarte kjemper som ligger i sentrum av galakser, dannet ved sammenslåing av millioner og til og med milliarder av stjerner.

Solen er ikke massiv nok til å kollapse i et sort hull på egen hånd, men hvis du hjelper den ved å klemme den i et kosmisk grep til en radius på 3 km, ville den blitt et sort hull. Du tror kanskje at hvis du senere løsner grepet, vil det blåses opp igjen, for eksempel til 100 km, men i virkeligheten vil det være for sent: Solens stoff vil gå inn i en slags tilstand fritt fall. Overflaten vil raskt overvinne en radius på én mil, én meter, én centimeter. Ingen stopp er mulig før en singularitet er dannet, og denne kollapsen er irreversibel.

Tenk deg at vi er nær et sort hull, men på et annet punkt enn singulariteten. Vil lyset, som forlater dette punktet, være i stand til å forlate det sorte hullet? Svaret avhenger både av massen til det sorte hullet og det spesifikke stedet som lyset begynner sin reise fra. En imaginær sfære kalt horisont, deler universet i to deler. Lys som kommer fra innsiden av horisonten vil uunngåelig bli sugd inn i det sorte hullet, men lys som kommer fra utenfor horisonten kan forlate det sorte hullet. Hvis solen en dag skulle bli et svart hull, ville dens horisontradius være omtrent 3 km.

Horisontradius kalles Schwarzschild radius en del av astronomen Karl Schwarzschild, som var den første som studerte matematikken til sorte hull. Schwarzschild-radiusen avhenger av massen til det sorte hullet; faktisk er det direkte proporsjonalt med det. For eksempel, hvis massen til solen erstattes av tusen solmasser, vil en lysstråle som sendes ut fra en avstand på 3 eller 5 km ikke ha en sjanse til å unnslippe, siden radiusen til horisonten vil øke tusen ganger, til tre tusen kilometer.

Proporsjonaliteten mellom masse og Schwarzschild-radius er det første fysikerne lærte om sorte hull. Jorden er omtrent en million ganger mindre massiv enn solen, så dens Schwarzschild-radius er en million ganger mindre enn solen. For å bli til en mørk stjerne, må den komprimeres til størrelsen på et tranebær. Til sammenligning: i sentrum av galaksen vår lurer et gigantisk sort hull med en Schwarzschild-radius på omtrent 150 000 000 km - omtrent det samme som jordbane rundt solen. Og i andre deler av universet er det enda større monstre.

Tides og 2000 Mile Man

Hva får havet til å stige og synke, som om de puster to dype inn hver dag? Poenget er selvfølgelig Månen, men hvordan gjør hun det og hvorfor to ganger om dagen? Jeg skal forklare nå, men først skal jeg snakke om fallet til den 2000 mil lange mannen.

Se for deg en gigant, 3200 km høy fra krone til tå, fallende fot først fra verdensrommet til jorden.

langt inn åpen plass tyngdekraften er svak, så svak at han ikke kan føle noe. Men når den nærmer seg jorden, oppstår en merkelig følelse i dens lange kropp: men dette er ikke en følelse av å falle, men en følelse av spenning.

Det handler ikke om akselerasjonen til kjempen i retning av jorden. Årsaken til ubehaget hans er at tyngdekraften i rommet ikke er ensartet. Langt fra jorden er den nesten helt fraværende. Men etter hvert som det kommer nærmere, øker tyngdekraften. For en mann på 2000 mil skaper dette problemer, selv når han er i fritt fall. Den stakkaren er så høy at bena hans trekkes mye sterkere enn hodet. Nettoeffekten er en ubehagelig følelse, som om bena og hodet hans blir trukket i motsatte retninger.

Kanskje kunne han unngått belastningen ved å falle horisontalt med føttene og hodet i samme høyde. Men når giganten prøver det, vil han møte en annen ulempe: følelsen av spenning erstattes av en lik følelse av innsnevring. Han kjenner hodet presset mot bena.

For å forstå hvorfor dette skjer, forestill deg et øyeblikk at jorden er flat. De vertikale linjene med piler indikerer retningen til gravitasjonskreftene, og trekker naturlig rett ned.

Dessuten er gravitasjonskraften nøyaktig den samme. En mann på 2000 mil under slike forhold ville ikke ha noe problem med å falle vertikalt eller horisontalt - i hvert fall til han treffer bakken.

Men jorden er ikke flat. Både kraften og tyngdekraften endres. I stedet for å trekke i én retning, trekker tyngdekraften rett mot midten av planeten, som vist her:

Dette skaper nye problemer for giganten når den faller horisontalt. Kraftene som virker på hodet og bena hans vil ikke være de samme, siden tyngdekraften trekker dem mot jordens senter vil presse hodet hans mot bena, og forårsake en merkelig klemmefølelse.

La oss gå tilbake til spørsmålet om havvann. Årsaken til havets stigning og fall to ganger daglig er den samme som forårsaker ubehag for en mann på 2000 mil: tyngdekraftens ujevnhet. Bare i denne saken Det er månens tyngdekraft, ikke jordens tyngdekraft. måneattraksjon den har den sterkeste effekten på havene på den siden av jorden som vender mot månen, og den svakeste på motsatt side. Det kan se ut til at månen skulle gyte en enkelt havpukkel på nærsiden, men dette er en feil. Av samme grunn som hodet høy mann blir trukket vekk fra føttene, stikker vann fra to sider av jorden - nær og fjern - ut over overflaten. En måte å forstå dette på er å tenke at på nærsiden trekker månen vann bort fra jorden, og på den andre siden trekker jorden seg vekk fra vannet. Resultatet er to pukler på hver sin side av jorden, vendt mot og bort fra månen. Mens jorden gjør én omdreining under disse puklene, opplever hvert punkt på overflaten to tidevann.

Deformasjonskreftene forårsaket av endringer i størrelsen og retningen til gravitasjonsattraksjon kalles tidevannskrefter, enten det er forårsaket av månen, jorden, solen eller andre massive himmellegeme. Kan en person av normal størrelse føle tidevannskrefter, for eksempel når han hopper fra et springbrett i vannet? Nei, men bare fordi vi er så små at det terrestriske gravitasjonsfeltet praktisk talt ikke endres i kroppen.

Nedstigning til underverdenen

Han gikk ned gjennom den skogkledde stien inn i avgrunnens mørke.

- Dante. Den guddommelige komedie

For en person som faller ned i et sort hull av solmasse, vil tidevannskreftene ikke lenger være så svake. Den enorme massen komprimert til det lille volumet av et sort hull gjør tyngdekraften nær horisonten ikke bare veldig sterk, men også ekstremt inhomogen. Lenge før man nærmer seg Schwarzschild-radius, mer enn 100 000 km fra det sorte hullet, vil tidevannskrefter forårsake ekstremt ubehag. Som en mann på 2000 mil, vil du være for stor for det raskt skiftende gravitasjonsfeltet til et svart hull. Når du nærmer deg horisonten, er du deformert - nesten som tannkrem presset ut av røret.

Det er to måter å håndtere tidevannskrefter ved horisonten til et sort hull: krympe deg selv, eller gjør det sorte hullet større. En bakterie ville ikke legge merke til tidevannskrefter ved horisonten til et sort hull med solmasse, men du ville heller ikke føle tidevannskrefter ved horisonten til et svart hull med millioner av solmasser. Dette kan virke rart, siden effekten av tyngdekraften til et mer massivt svart hull er sterkere. Men denne dommen ignorerer et viktig faktum: horisonten til et stort svart hull er så stor at det vil virke nesten flatt. Nær horisonten vil gravitasjonsfeltet være veldig sterkt, men nesten jevnt.

Hvis du er litt kjent med Newtonsk gravitasjonsteori, kan du beregne tidevannskreftene ved horisonten til en mørk stjerne. Og så viser det seg at jo større og mer massiv den er, jo mindre tidevannskrefter i horisonten. Derfor ville det å krysse horisonten til et veldig stort sort hull være en umerkelig hendelse. Men til syvende og sist, selv i de største sorte hullene, er det ingen flukt fra tidevannskrefter. Dens størrelse vil bare forsinke det uunngåelige. Til slutt vil det uunngåelige fallet til singulariteten være like forferdelig som enhver tortur oppfunnet av Dante eller brukt av Torquemada i prosessene til den spanske inkvisisjonen. (Hukommelsen dukker opp.) Selv den minste bakterien vil bli revet fra hverandre vertikal akse og flatet horisontalt. Små molekyler vil leve lenger enn bakterier, og atomer litt lenger. Men før eller siden vil singulariteten seire selv over et enkelt proton. Jeg vet ikke om Dante har rett når han sier at ingen synder kan unnslippe helvetes pinsler, men jeg er ganske sikker på at ingenting kan motstå de monstrøse tidevannskreftene i nærheten av singulariteten til et sort hull.

Men til tross for all merkeligheten og brutaliteten til singularitetens egenskaper, inneholder den ikke de dypeste mysteriene til et svart hull. Vi vet hva som skjer med ethvert objekt som klarer å falle ned i et svart hull - skjebnen er lite misunnelsesverdig. Uansett om vi liker singulariteten eller ikke, kommer den ikke engang nær horisonten når det gjelder paradoksalitet. I moderne fysikk har nesten ingenting skapt mer forvirring enn spørsmålet om hva som skjer med materie når den faller gjennom horisonten? Alle svarene dine vil sannsynligvis være feil.

Mitchell og Laplace levde lenge før Einstein ble født og kunne ikke ha visst om de to oppdagelsene han gjorde i 1905. Den første av disse var den spesielle relativitetsteorien, som er basert på prinsippet: ingenting - verken lys eller noe annet kan noen gang overskride lysets hastighet. Mitchel og Laplace forsto at lys ikke kunne unnslippe en mørk stjerne, men de skjønte ikke at dette var umulig for noe annet.

Einsteins andre oppdagelse, i 1905, var det lyset egentlig består av partikler. Kort tid etter at Mitchell og Laplace avanserte ideene sine om mørke stjerner, falt Newtons korpuskulære teori om lys i vanære. Det har samlet seg bevis på at lys består av bølger som lydbølger eller de som løper over havoverflaten. I 1865 hadde James Clerk Maxwell vist at lys var bygd opp av oscillerende elektriske og magnetiske felt, som forplanter seg gjennom rommet med lysets hastighet, og den korpuskulære teorien har helt sluttet å vise tegn på liv. Det ser ut til at ingen trodde det elektromagnetiske bølger kan også tiltrekkes av tyngdekraften, så mørke stjerner ble glemt.

Glemt inntil astronomen Karl Schwarzschild løste ligningene til Einsteins nye, generelle relativitetsteori i 1917 og gjenoppdaget mørke stjerner.

Ekvivalensprinsipp

Som de fleste av Einsteins arbeider var generell relativitetsteori kompleks og sofistikert, men den var basert på ekstremt enkle observasjoner. Faktisk er de så elementære at de var tilgjengelige for alle, men ingen har laget dem.

Det var Einsteins stil å trekke vidtrekkende konklusjoner fra de enkleste tankeeksperimentene. (Personlig beundrer jeg denne måten å tenke på mer enn noen annen.) Når det gjelder generell relativitetsteori, involverte tankeeksperimentet en observatør i en heis. Lærebøker moderniserer ofte eksperimenter ved å erstatte heisen med en rakett, men i Einstein-tiden var heiser spennende. ny teknologi. Han var den første som forestilte seg en heis som flyter fritt i verdensrommet, vekk fra graviterende objekter. Alle som er i en slik heis vil oppleve fullstendig vektløshet, og prosjektilene vil fly forbi i helt rette baner med konstant hastighet. Det samme vil skje med lysstråler, men selvfølgelig med lysets hastighet.

Einstein så for seg hva som ville skje hvis heisen ble akselerert oppover, for eksempel med en kabel festet til et fjernt anker, eller med raketter festet under bunnen. Passasjerer vil begynne å bli presset til gulvet, og prosjektilenes bane vil begynne å bøye seg ned og danne parabolske baner. Alt vil være nøyaktig det samme som under påvirkning av tyngdekraften. Alle har visst om dette siden Galileos dager, men det falt på Einstein å gjøre dette enkle faktum til en kraftig ny. fysisk prinsipp. Ekvivalensprinsippet sier at det absolutt ikke er noen forskjell mellom effekten av tyngdekraften og effekten av akselerasjon. Ingen eksperimenter utført inne i en heis vil gjøre det mulig å skille om en heis står i ro i et gravitasjonsfelt eller akselererer i verdensrommet.

Dette i seg selv var ikke overraskende, men det fikk viktige konsekvenser. På det tidspunktet Einstein formulerte ekvivalensprinsippet, var svært lite kjent om hvordan tyngdekraften påvirker andre fenomener som strømmen av elektrisitet, oppførselen til magneter eller forplantningen av lys. I følge den einsteinske tilnærmingen burde man ha startet med å forstå hvordan alle disse fenomenene påvirkes av akselerasjon. Samtidig dukket det vanligvis ikke opp noen ny fysikk. Alt Einstein gjorde var å forestille seg hvordan kjente fenomener ville se ut i en akselererende heis. Og så fortalte prinsippet om ekvivalens ham hva effekten av tyngdekraften ville være.

Det første eksemplet tok for seg lysets oppførsel i et gravitasjonsfelt. Se for deg en lysstråle som beveger seg horisontalt fra venstre til høyre over en heis. Hvis heisen var fri til å bevege seg bort fra gravitasjonsmasser, ville lyset beveget seg i en perfekt rett horisontal linje.

Men anta nå at heisen akselererer oppover. Lyset starter på venstre side av heisen i horisontal retning, men fordi heisen akselererer, når den kommer på den andre siden, vil lyset ha en nedadgående bevegelseskomponent. Fra ett synspunkt akselererer heisen oppover, men på den annen side ser det ut for passasjerene som om lyset akselererer nedover.

Faktisk kurver lysstrålen på samme måte som banen til en veldig rask partikkel. Dette resultatet avhenger ikke på noen måte av om lys består av bølger eller av partikler; det er rett og slett effekten av akselerasjon oppover. Men, resonnerte Einstein, hvis akselerasjon får banen til en lysstråle til å bøye seg, bør tyngdekraften også gjøre det. Faktisk kan vi si at tyngdekraften tiltrekker seg lys og får det til å falle. Dette er fullstendig sammenfallende med gjetningene til Mitchell og Laplace.

Det er imidlertid en annen side av mynten: Hvis akselerasjon kan simulere effekten av tyngdekraften, kan den ødelegge den. Se for deg at den samme heisen ikke lenger er uendelig langt unna i verdensrommet, men på toppen av en skyskraper. Hvis den står, observerer passasjerene alle virkningene av tyngdekraften, inkludert bøyningen av lysstrålene som går over heisen. Men så ryker kabelen, og heisen begynner å akselerere mot bakken. For en kort stund med fritt fall ser det ut til at tyngdekraften inne i heisen har forsvunnet helt. Passasjerer flyter rundt i kabinen, etter å ha mistet følelsen av opp og ned. Partikler og lysstråler beveger seg i helt rette linjer. Dette er den andre siden av ekvivalensprinsippet.

Avfall, blinde og sorte hull

Alle som prøver å beskrive moderne fysikk uten matematiske formler vet hvor nyttige analogier kan være. For eksempel er det veldig praktisk å tenke at et atom er en miniatyr planetsystemet, og å bruke vanlig newtonsk mekanikk for å beskrive mørke stjerner hjelper de som ikke er klare til å dykke inn i høyere matematikk generell relativitetsteori. Men analogier har sine begrensninger, og en mørk stjerne som en svart hull-analogi slutter å virke hvis du går dypt nok. Det er en annen, bedre analogi. Jeg lærte om det fra en av pionerene innen kvantemekanikk for svarte hull, Bill Unruh. Kanskje jeg liker henne spesielt fordi jeg er rørlegger etter min første spesialitet.

Se for deg en endeløs grunn innsjø. Dens dybde er bare noen få meter, men den strekker seg i det uendelige inn horisontalt plan. Blinde rumpetroll bor over hele innsjøen, de tilbringer hele livet her uten å se lyset, men de bruker lyd perfekt for å lokalisere gjenstander og kommunisere. Det er én ubrytelig regel: ingenting kan bevege seg raskere i vann enn med lydens hastighet. For de fleste oppgaver er denne fartsgrensen ikke signifikant, siden rumpetroll beveger seg mye saktere.

Men det er fare i sjøen. Mange rumpetroll oppdager at det er for sent å rømme, og ingen har ennå kommet tilbake for å fortelle hva som skjedde med ham. Det er en kloakk i sentrum av innsjøen. Vann gjennom det kommer inn i en underjordisk hule, hvor det bryter på dødelige skarpe steiner.

Hvis du ser på innsjøen ovenfra, kan du se at vannet beveger seg mot avløpet. Bort fra det er vannets hastighet uoppdagelig, men jo nærmere det kommer, jo raskere blir det. La oss anta at avløpet drenerer vannet så raskt at hastigheten på et stykke når lydens hastighet. Enda nærmere avløpet blir strømmen supersonisk. Dette er virkelig en veldig farlig aksje.

Vannsvømmende rumpetroll, som bare er kjent med deres flytende habitat, vet aldri hvor raskt de faktisk beveger seg; alt rundt dem blir trukket av vannet i samme hastighet. Den store faren er at de kan trekkes i sluket og dø på skarpe steiner. Faktisk, så snart en av dem krysser radiusen der gjeldende hastighet overstiger lydhastigheten, er det dømt. Etter å ha passert dette punktet uten retur, vil han ikke være i stand til å overvinne strømmen, og heller ikke sende en advarsel til andre som fortsatt er i den. trygt område(ingen akustisk signal kan reise raskere enn lyd i vann). Unruh navngir en slik kloakk og dens point of no return. blindt hull - døv i betydningen stille, siden ingen lyd kan komme ut av det.

En av de mest interessante egenskapene til point of no return er at en uforsiktig observatør som svømmer gjennom det ikke vil merke noe utenom det vanlige med det første. Det er ingen advarselsskilt eller sirener, ingen hindringer for å stoppe ham, ingenting som forteller ham om forestående fare. På et tidspunkt ser alt ut til å være fantastisk, og i neste øyeblikk også. Å passere point of no return er en ikke-hendelse.

Og nå svømmer en frittdrivende rumpetroll ved navn Alice mot avløpet og synger en sang for vennen Bob, som har holdt seg på avstand. Som alle hennes blinde slektninger har Alice et ganske dårlig repertoar. Den eneste tonen hun kan synge er midtoktav C med 262 vibrasjoner per sekund, eller på teknisk språk, 262 hertz (Hz). Så lenge Alice er borte fra avløpet, er bevegelsen hennes nesten umerkelig. Bob lytter til lyden av Alices stemme og hører "C" i den første oktaven. Men etter hvert som Alice øker farten, blir lyden lavere, i hvert fall i Bobs sinn; "do" endres til "si", deretter til "la". Dette er forårsaket av den såkalte Dopplerskifte, du kan se den når den går forbi Ekspress tog med fløyte på. Når toget nærmer seg, høres lyden av fløyta høyere for deg enn for sjåføren i førerhuset. Når fløyta passerer deg og begynner å bevege seg bort, går lyden ned. Hver påfølgende vibrasjon blir tvunget til å reise litt lenger enn den forrige, og den når øret med en liten forsinkelse. Tid mellom påfølgende lydvibrasjonerøker og du hører en lavere frekvens. Dessuten, hvis toget øker hastigheten når det beveger seg bort fra deg, vil den oppfattede frekvensen bli lavere og lavere.

Det samme skjer med Alices musikknote når den nærmer seg point of no return. Først hører Bob en frekvens på 262 Hz. Deretter synker den til 200 Hz, deretter til 100 Hz, til 50 Hz osv. En lyd som sendes ut veldig nær punktet uten retur vil ta veldig lang tid å forsvinne; bevegelsen av vannet demper nesten fullstendig lydens utadgående hastighet, og bremser den nesten til å stoppe opp. Snart blir lyden så lav at uten spesialutstyr kan Bob ikke lenger høre den.

Bob kan ha spesialutstyr for å fokusere lydbølger og ta bilder av Alice når hun nærmer seg point of no return. Men konsekvent lydbølger det tar lengre og lengre tid å komme til Bob, noe som får alt om Alice til å se tregt ut. Stemmen hennes blir lavere; bevegelsene til potene hennes bremses nesten opp. Det aller siste slaget Bob så strekker seg til det uendelige. Faktisk virker det for Bob at det vil ta Alice for alltid å nå point of no return.

I mellomtiden merker ikke Alice noe uvanlig. Hun driver rolig forbi point of no return, og føler ingen nedgang eller fart. Hun innser faren først senere, da hun allerede faller på de dødelige steinene. Her ser vi en av viktige funksjoner sorte hull: forskjellige observatører, paradoksalt nok, oppfatter de samme hendelsene på helt forskjellige måter. Bob, å dømme etter de innkommende lydene, ser det ut til at det vil ta Alice en evighet å nå point of no return, men for Alice kan det skje på et øyeblikk.

Du har sikkert allerede gjettet at point of no return er en analog av horisonten til et svart hull. Bytt ut lyd med lys (husk at ingenting kan bevege seg raskere enn lyset), og du får en veldig nøyaktig illustrasjon av egenskapene til et Schwarzschild sort hull. Som med kloakken, kan alt som har krysset horisonten ikke lenger unnslippe eller til og med stå stille. Faren i et svart hull er ikke skarpe steiner, men en singularitet i sentrum. All materie innenfor horisonten trekkes sammen til singulariteten, hvor den vil bli komprimert til uendelig trykk og tetthet.

Bevæpnet med dødhullsanalogien kan mange av de paradoksale egenskapene til sorte hull avklares. La, for eksempel, Bob ikke lenger er en rumpetroll, men en astronaut på romstasjon kretser i trygg avstand rundt det sorte hullet. Alice, fallende mot horisonten, synger ikke - det er ingen luft i verdensrommet for å bære stemmen hennes - men gir signaler med en blå lommelykt. Når det faller, ser Bob lysskiftet i frekvens fra blått, til rødt, til infrarødt, til mikrobølger og til slutt til lavfrekvente radiobølger. Alice selv ser mer og mer sløv ut, og bremser nesten helt opp. Bob vil aldri se henne krysse horisonten; fra hans synspunkt ville det ta Alice uendelig lang tid å nå point of no return. Men Alice i sin referanseramme faller rolig gjennom horisonten og begynner å føle noe rart, bare nærmer seg singulariteten.

Horisonten til et Schwarzschild-svart hull ligger ved Schwarzschild-radiusen. Selv om Alice er dømt etter å ha krysset den, har hun fortsatt, som rumpetrollene, litt tid før hun dør i singulariteten. Men nøyaktig hvor mye? Det avhenger av størrelsen, det vil si massen, til det sorte hullet. Jo større masse, jo større Schwarzschild-radius og jo mer tid har Alice igjen. I et svart hull med massen til solen ville det bare ha ti mikrosekunder. I et svart hull, som ligger i sentrum av galaksen og kan ha en masse på en milliard ganger mer, vil Alice ha en milliard mikrosekunder, det vil si omtrent en halv time. Man kan tenke seg et enda større sort hull der Alice kunne leve hele livet og kanskje til og med flere generasjoner av hennes etterkommere rekker å bli gamle og dø før de blir ødelagt av singulariteten.

Selvfølgelig, ifølge Bobs observasjoner, vil Alice aldri nå horisonten. Så hvem har rett? Vil den nå horisonten eller ikke? Hva er det egentlig som skjer? Og egentlig enten det? Tross alt er fysikk observasjons- og eksperimentell vitenskap, så man foretrekker kanskje Bobs pålitelige observasjoner, selv om de er i tilsynelatende konflikt med Alices beretning om hendelser. (Vi kommer tilbake til Alice og Bob etter at vi har diskutert de fantastiske kvanteegenskapene til sorte hull oppdaget av Jacob Bekenstein og Stephen Hawking.)

Synkeanalogien er god til mange formål, men som alle analogier har den sine begrensninger. For eksempel, når et objekt faller gjennom horisonten, blir massen lagt til massen til det sorte hullet. En økning i masse betyr en utvidelse av horisonten. Dette kan sikkert modelleres i analogien til et avløp, for eksempel ved å installere en pumpe i det for å kontrollere strømmen. Hver gang noe faller i avløpet, bør pumpen øke effekten litt, øke hastigheten på strømmen og skyve punktet uten retur litt lenger. Men en slik modell mister raskt sin enkelhet.

En annen egenskap ved sorte hull er at de selv er i stand til å bevege seg. Hvis du legger et sort hull i gravitasjonsfeltet til en annen masse, vil det akselerere som alle andre massive objekter. Det kan til og med falle ned i et større sort hull. Hvis du prøver å fange alle disse egenskapene til ekte sorte hull i kloakkanalogien, blir det mer komplisert enn matematikken den unngår. Men til tross for disse begrensningene, er aksjen en veldig nyttig representasjon å forstå grunnleggende egenskaper sorte hull uten å mestre ligningene til generell relativitet.

Noen formler for de som elsker dem

Jeg skrev denne boken for ikke-matematiske lesere, men for de som liker litt matematikk, her er noen formler og deres betydning forklart. Hvis du ikke er interessert, bare gå til neste kapittel. Det er ikke en eksamen.

I følge Newtons tyngdelov tiltrekker hvert objekt i universet alle andre objekter, og tyngdekraften proporsjonal med produktet av massene deres og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem:

Dette er en av de mest kjente fysiske ligninger, er det nesten like kjent som E= mc 2 (denne berømte ligningen relaterer energien E med masse m og lysets hastighet c).

Strømmen er til venstre F som virker mellom to masser, som månen og jorden eller jorden og solen. På høyre side er det en stor masse M og mindre vekt m. For eksempel er jordens masse 6 10 24 kg, og månens masse er 7 10 22 kg. Avstanden mellom massene er angitt D. Avstanden fra jorden til månen er omtrent 4 10 8 m.

Den siste notasjonen i ligningen, G, er en numerisk konstant kalt den Newtonske gravitasjonskonstanten. Denne verdien kan ikke utledes rent matematisk. For å finne verdien, er det nødvendig å måle tiltrekningskraften mellom to kjente masser på en kjent avstand. Når dette er gjort, kan kraften som virker mellom to masser i en hvilken som helst avstand beregnes. Ironisk nok visste Newton aldri verdien av sin egen konstant. Faktum er at tyngdekraften er så svak, og størrelsen G, henholdsvis er så liten at den ikke kunne måles før sent XIXårhundrer. Innen den tid engelsk fysiker Henry Cavendish utviklet en genial måte å måle ekstremt små krefter på. Cavendish fant at kraften som virker mellom et par kilogrammasser adskilt med én meter er omtrent 6,7 x 10 -11 newton. (Newton er kraftenheten i metrisk system Si. Det er omtrent en tidel av vekten av ett kilo.) Dermed er verdien av gravitasjonskonstanten i C-systemet:

G\u003d 6,7 × 10 -11.

Mens han studerte konsekvensene av teorien hans, gjorde Newton en viktig oppdagelse angående de spesielle egenskapene til den omvendte kvadratloven. Når du måler din egen vekt, del tyngdekraftå trekke deg mot jorden skyldes massen rett under føttene dine, en del skyldes massen dypt inne i jorden, og en del er bidraget fra massene på motsatt side av jorden i en avstand på 12,5 tusen kilometer. Men takket være et matematisk mirakel kan vi anta at hele massen er konsentrert på ett punkt direkte i planetens geometriske sentrum.

Dette praktiske faktum tillot Newton å beregne rømningshastigheten til en stor gjenstand ved å erstatte dens utvidede masse med en liten massiv prikk. Og her er resultatet:

Merk. overs. ), og følgende merknad er gitt til den: "The American Heritage Dictionary of the engelske språk(4. utg.) definerer et prosjektil som "et skudd, kastet eller på annen måte drevet gjenstand, for eksempel en kule, som ikke har noen selvgående evne." Kan et prosjektil være en enkelt partikkel av lys? Ifølge Mitchell og Laplace er svaret ja.

Rømningshastigheten kalles også den andre kosmiske hastigheten. Først romfart det anses som det som er nok til å komme inn i en sirkulær bane nær jordoverflaten. - Merk. overs.

Forestillingen om rømningshastighet er en idealisering som ignorerer effekter som for eksempel luftmotstand, som ville kreve en mye høyere hastighet for et objekt.

Solens masse er omtrent 210 30 kg. Dette er omtrent en million ganger jordens masse. Solens radius er omtrent 70 000 km, det vil si omtrent hundre terrestriske.

Professor George Ellis minnet meg om en subtilitet om variabel flyt. I dette tilfellet faller ikke returpunktet nøyaktig sammen med stedet der vannhastigheten sammenfaller med lydhastigheten. Når det gjelder sorte hull, er det en lignende subtil forskjell mellom den tilsynelatende sikthorisonten og den sanne.