Knygos Ištrauka: „Dabar: Laiko Fizika“ (Jav, 2016 M.)

{h1}

Ištrauka iš ričardo a. Mullerio knygos „dabar: laiko fizika“.

Šiuo metu jūs skaitote žodį „dabar“. Bet ką tai reiškia? Kuo efemeriškas momentas „dabar“ toks ypatingas? Jo mįslingasis pobūdis pagyrė filosofus, kunigus ir šiuolaikinius fizikus nuo Augustino iki Einšteino ir už jo ribų. Einšteinas parodė, kad laiko tėkmei įtakos turi ir greitis, ir sunkis, tačiau jis nusivylė nepaaiškinęs „dabar“ prasmės. Neabejotinai mįslingas: kodėl bėga laikas? Kai kurie fizikai atsisakė bandymo suprasti ir laiko tėkmę pavadinti iliuzija, tačiau žymusis eksperimentinis fizikas Richardas A. Mulleris protestuoja. Jis sako, kad fizika turėtų paaiškinti realybę, o ne paneigti. Filme „Dabar: Laiko fizika“ Mulleris daro ne tik skylutes ankstesnėms idėjoms; jis kuria savo revoliucinę teoriją, kuri leidžia išbandyti prognozes. Jis pradeda pateikdamas tvirtą ir nepaprastai aiškų savo teorijos fizinių elementų paaiškinimą: reliatyvumas, entropija, įsipainiojimas, antimaterija ir Didysis sprogimas. Paskui pastatytą sceną jis atskleidžia stulbinantį kelią į priekį. Žemiau yra ištrauka iš Mullerio „Dabar: Laiko fizika“ (W. W. Norton & Company, 2016).

Knygos ištrauka: „Dabar: laiko fizika“ (JAV, 2016 m.): ištrauka

Fizikai dažnai glumina savo lygtis. Ne visada lengva pastebėti padarinius, net ir dramatiškiausius. Norėdami padėti suprasti savo pačių matematiką, jie pažvelgia į kraštutinius atvejus, norėdami pamatyti, kas atsitiks. Ir nė viena ekstremali situacija šioje ekstremalioje aplinkoje nėra juodųjų skylių kraštutinumas. Žvilgsnis į juodąsias skyles suteikia mums svarbių įžvalgų apie labai savitus laiko aspektus.

Jei apeinate nedidelę juodąją skylę (saulės masę) iš protingo atstumo - tarkime, tūkstantį mylių -, jūs nieko ypatingo nepajusite. Esate orbitoje apie masyvų objektą, kurio nematote. Kadangi esate orbitoje, jaučiatės nesvarūs, lygiai taip pat, kaip jaučiasi visi aplink orbitą skriejantys astronautai. Jūs nesate čiulpti; juodosios skylės (nepaisant populiariosios mokslinės fantastikos) jūsų neįtraukia. Jei jūs orbituotumėte aplink saulę, tokiu artimu atstumu būtumėte jos viduje ir per milijoną sekundės sekundę sudegtumėte iki traškios, bet juodoji skylė yra tamsu. (Mikroskopinės juodosios skylės spinduliuoja, bet iš didžiųjų jų labai mažai.)

Atstumas aplink jūsų orbitą yra 2,9 karto didesnis už jūsų radialinės koordinatės reikšmę - 1 000 mylių. Jei draugas skrieja skylę, bet iš kitos pusės eina priešinga kryptimi, tada jūs susitiksite po to, kai kiekvienas pereisite ketvirčio orbitą. Bet kai tavo draugas yra visiškai priešais tave, tiesus atstumas tarp tavęs yra begalinis. Šalia juodosios skylės yra daug vietos.

Jei sušaudysite savo retrorketus, sustabdydami savo orbitos judesį, jūs tikrai būsite įvilkti į skylę, lygiai taip pat, kaip ir jūs - į bet kokį masyvų daiktą. (Palydovai nukreipia orbitą būtent taip: šaudydami retrokrotažus ir leisdami gravitacijai juos patraukti.) Prieš eidami dešimt minučių į tinkamą rėmą, prieš būdami dešimt minučių vyresni, pasieksite juodosios skylės paviršių, ties Schwarzschildo spindulys (aptartas 3 skyriuje). Dabar kai kurie stulbinantys rezultatai, susiję su laiku. Pataikius į šį paviršių, praėjus dešimčiai minučių nuo kritimo pradžios, laikas, matuojamas aplink orbitos stoties rėmą, pasieks begalybę. * [1]

Teisingai. Patekimas į juodąją skylę, matuojant nuo kažkieno rėmo, yra begalinis. Nuo jūsų įsibėgėjančio rėmo užtrunka tik dešimt minučių. Per vienuolika minučių laikas lauke praėjo iki begalybės ir už jos ribų.

Tai absurdas! Galima, bet klasikinėje reliatyvumo srityje tai tiesa. Žinoma, nėra jokio būdo patirti galimą paradoksą, nes begalybė yra laikas lauke, o įžengus į juodąją skylę, esi ten amžinai. Išmatuojamo prieštaravimo nėra. Tai yra pavyzdys, ką fizikai vadina cenzūra. Absurdo yra nepastebima, taigi jis tikrai nėra absurdas.

Ar jus tenkina atsakymas „už begalybės, bet cenzūruojamas“? Aš įtariu, kad ne. Manau, kad tai nuliūdino. Bet viskas apie laiką man atrodo pribloškianti. Mes susidursime su dar vienu absurdišku, bet cenzūruotu rezultatu, turinčiu kvantinių bangų funkcijas ir įsipainiojimą. Šie pavyzdžiai užginčija mūsų realybės jausmą ir palieka nepatenkintą jausmą. Kaip sakė Nyčė: Kai ilgai žvelgi į bedugnę, bedugnė taip pat žvelgia atgal į tave.

Juodos skylės nesiurbia

Grįžkime prie mano teiginio, kad juodosios skylės tavęs neįsiurbia, kad tu skrieji juodąją skylę lygiai taip, kaip skrieji aplink bet kurią kitą masę. Tarkime, kad Merkurijus skriejo pro juodąją skylę, kurios masė buvo tokia pati kaip saulės. Kuo orbita būtų kitokia? Pagal populiarų įsitikinimą, juodoji skylė užmaskuotų mažytę planetą. Pagal bendrą reliatyvumą, orbitoje nebus jokio skirtumo. Žinoma, Merkurijui nebebus karšta, nes intensyvų saulės spinduliavimą pakeis vėsus juodosios skylės tamsumas.

Šiuo metu gyvsidabris skrieja saulės spinduliu per radialinį 36 milijonų mylių atstumą. Tarkime, kad jūs skriejote saule už 1 mln. Mylių nuo jos centro, tiesiai virš saulės paviršiaus. Be karščio ir galbūt traukdami nuo saulės atmosferos, jūs skristumėte aplink apskritą orbitą ir grįžtumėte į savo pradinį tašką maždaug per dešimt valandų. Dabar pakeiskite saulę saulės masės juodąja skyle. Jūs vis tiek skristumėte orbitą per dešimt valandų. Tuo atstumu gravitacija būtų tapati saulės spinduliams. Prieš pastebėdami specialiuosius efektus, turite būti labai arti juodosios skylės. Kaip ir bet kuri žvaigždė, kuo arčiau, tuo greičiau turite judėti, kad liktumėte žiedinėje orbitoje. Paprastai, jūs nematysite daug skirtumų, kol nebūsite taip arti, kad jūsų orbitos greitis artės prie šviesos greičio.

Saulės maksimalus gravitacijos koeficientas yra paviršiuje, kaip ir Žemės. Eikite žemiau paviršiaus, o masė, kuri jus traukia, masė, esanti žemiau jūsų, yra mažesnė nei paviršiaus. Pačiame saulės centre gravitacija yra lygi nuliui.

Tačiau juodosios skylės paviršius yra arti centro. Remiantis Schwarzschildo lygtimi, kurią pateikiau anksčiau, saulės juodosios skylės spindulys gali būti apskaičiuotas kaip maždaug 2 mylios. 10 mylių atstumu, norėdami likti orbitoje, turėsite judėti šviesos greičiu trečdaliu; jūsų orbitos periodas būtų viena tūkstantosios sekundės dalis. Tokiomis sąlygomis skaičiavimams atlikti turime naudoti reliatyvumą.

Pasiekti šviesos greitį ir peržengti begalybę

Kai patenkate į juodąją skylę, laikas progresuoja labai lėtai ir, nors atstumas aplink orbitą gali būti nedidelis, tarp jūsų ir skylės yra daug vietos. Erdvė paprastai fizikos studentams vaizduojama su tokia schema, kaip parodyta 7.1 paveiksle. Pagalvokite apie šią schemą kaip juodąją skylę 2D erdvėje (paviršiuje). Pati juodoji skylė yra centre, žemiau kur nukreipta išlenkta erdvė.

Tai yra naudinga diagrama, tačiau ji yra šiek tiek klaidinanti, nes tai reiškia, kad erdvė turi lenkti į kitą dimensiją (šiai diagramai tai yra tas aspektas, kuri eina žemyn), kad tilptų didžiuliai atstumai šalia juodosios skylės. Tiesą sakant, tokio matmens nereikia; erdvė tiesiog suspaudžiama dėl relativistinio ilgio sutrumpėjimo. Diagrama taip pat naudojama populiariuose filmuose vaizduojant juodąsias skyles. Kai Jodie Foster patenka į kontaktinį kirminą, jis labai panašus į diagramą, pateiktą 7.1 paveiksle. (Kirminų skylės atrodo kaip dvi beveik juodos skylės, sujungtos prieš pasiekiant Schwarzschild spindulį; kris viena, iškris kita.)

7.1 pav. 2D juodosios skylės vaizdavimas. Atstumas iki juodosios skylės, matuojamas per laiką, per kurį reikia lengvai ją pasiekti, yra begalinis, nors atstumas, einantis aplink ją, yra toks pat kaip įprastoje erdvėje.

7.1 pav. 2D juodosios skylės vaizdavimas. Atstumas iki juodosios skylės, matuojamas per laiką, per kurį reikia lengvai ją pasiekti, yra begalinis, nors atstumas, einantis aplink ją, yra toks pat kaip įprastoje erdvėje.

Kreditas: Richardas A. Mulleris

Tiesą sakant, juodoji skylė atrodytų visai ne taip, kaip schema. Jei kiti dalykai nepatektų į jus, tai atrodytų kaip visiškai juoda sfera.

Atsižvelgiant į šį įspėjimą, diagrama yra naudinga. Tai iliustruoja pagrindines juodųjų skylių ypatybes ir gali būti naudojama atsakant į keletą paprastų klausimų, tokių kaip: Kiek jis yra iš išorės (palyginti plokščias regionas) iki juodosios skylės paviršiaus? Atsakymas yra begalybė. Išmatuokite palei krentantį paviršių į skylę ir jūs eisite žemyn amžinai. Juodosios skylės spindulį pataikysite tik apačioje, bet tai be galo toli.

Jei tai juodosios skylės paviršiaus begalybė, ką turėjau omenyje sakydamas, kad esi 10 mylių atstumu? Aš pripažįstu, kad buvau klaidinamas. Aš naudojau įprastas koordinates. Radialinė koordinatė r apibrėžiama sakydama, kad atstumas aplink juodąją skylę yra 2πr, kaip ir įprastoje erdvėje. 7.1 paveiksle įprastos x, y koordinatės pavaizduotos tinklelio linijomis. Atkreipkite dėmesį, kiek toli jie patenka į skylę; didelis atstumas tarp jų rodo, kad ten yra daug vietos. Fizikai šias lygtis naudoja įprastomis koordinatėmis, tačiau jie turi omenyje, kad atstumas tarp 3 mylių ir 4 mylių žymeklio iš tiesų gali būti 1 000 mylių. Kadangi įprastinė geometrija čia neveikia, negalime apskaičiuoti atstumo tarp dviejų taškų, tiesiog paėmę koordinačių skirtumą.

Tiesą sakant, nėra juodų skylių

Įtartinų juodųjų skylių sąrašus galite rasti astrofizikos knygose ir internete. Vikipedijos straipsnyje „Juodųjų skylių sąrašas“ nurodoma daugiau nei septyniasdešimt. Štai laimikis: turime pagrindo manyti, kad nė vienas iš jų nėra juodosios skylės.

Būdas, kuriuo astronomas nustato kandidatą į juodąsias skylutes, yra objektas, kuris yra labai masyvus, paprastai kelis kartus didesnis nei saulės, tačiau skleidžia mažai arba visai nespinduliuoja. Kai kurie iš kandidatų objektų skleidžia rentgeno spindulius, kurie, kaip manoma, rodo, kad patenka materijos gabalas (kometa? Planeta?), O jis išsisklaido ir įkaista dėl didelių gravitacijos skirtumų. per savo kūną, pakanka spinduliuoti rentgeno spinduliais. Kituose kandidatuose, vadinamuose supermasyviosiomis juodosiomis skylėmis, yra šimtai milijonų saulės masių.

Vienas iš tokių supermasyvių objektų yra mūsų pačių Paukščių Tako galaktikos centre. Mes matome žvaigždes, kurios skrieja labai arti šio centro ir juda bei greitėja labai greitai, tai rodo labai didelę masę. Bet nėra šviesos, todėl kas traukia šias žvaigždes, nėra pati žvaigždė. Fizikos teorijos rodo, kad toks didelis kaupimasis be išmetimo gali būti tik juodoji skylė.

Kodėl sakau, kad sąraše nėra tikrų juodųjų skylių? Prisiminkite skaičiavimus, rodančius, kad norint patekti į juodąją skylę reikia begalinio laiko. Panašus skaičiavimas rodo, kad juodosios skylės, išmatuotos mūsų laiko koordinatėje, susidarymas užima begalę laiko. Visą tą medžiagą reikia įveikti begaliniu atstumu. Taigi, jei visatos sukūrimo metu jau nebuvo juodųjų skylių, nebent tai būtų pirmykštės juodosios skylės, jos dar nepasiekė tikrosios juodosios skylės būsenos; nebuvo pakankamai laiko (iš mūsų išorės tinkamo rėmo), kad reikalas nukristų begaliniu atstumu, kuris apibūdina tikrą juodąją skylę. Ir nėra pagrindo manyti, kad kuris nors iš objektų yra pirmapradis (nors kai kurie žmonės spėlioja, kad vienas ar keli gali būti).

Aš esu šiek tiek pedantiškas. Patenka amžinai įkristi į juodąją skylę, tačiau pateksite gana toli tik per kelias minutes per tinkamą laiką, išmatuotą jūsų pačių krintančio laikrodžio. Iš išorinio rėmo niekada nepasieksite paviršiaus, tačiau santykinai trumpa tvarka būsite paversti į krepsą panašiu daiktu. Taigi tam tikra prasme tai vargu ar svarbu. Dėl šios priežasties 1990 m. Stephenas Hawkingas nusprendė sumokėti savo 1975 m. Statymą su Kipu Thorne'u ir pripažino, kad „Cygnus X-1“, rentgeno spindulių šaltinis „Cygnus“ žvaigždyne, iš tikrųjų buvo juodoji skylė. Techniškai Hawkingas buvo teisus, o ne Thorne'as. „Cygnus X-1“ yra 99,999 procentai kelio į juodąją skylę, tačiau visam laikui (atsižvelgiant į Hawkingo ir Thorne'o rėmus) reikės pereiti likusį kelią.

Viena konkreti kvantinė spraga gali apeiti mano teiginį, kad juodųjų skylių nėra. Nors pradinėje bendrojoje Einsteino reliatyvumo teorijoje juodoji skylė susiformuoja amžinai, reikia, kad ji „beveik“ susiformuotų per ilgai. Laikas nuo tada, kai krentanti medžiaga pasiekia dvigubai didesnį Schwarzschild spindulio dydį, iki tada, kai ji pasiekia mažą atstumą, kuriame yra dideli kvantiniai efektai (vadinami Plancko atstumu, apie ką mes aptarsime vėliau), yra mažesnė nei tūkstantosios dalies sekundė. Tuo metu mes nesitikime, kad įprasta bendra reliatyvumo teorija susitvarkys.

Kas nutiks toliau? Tiesą sakant, mes iš tikrųjų nežinome. Daugelis žmonių dirba prie šios teorijos, tačiau dar niekas nebuvo pastebėta ir patikrinta. Įdomu tai, kad Hawkingas sumokėjo savo statymą su Thorne dėl to, ar „Cygnus X-1“ yra iš tikrųjų juodoji skylė; galbūt jis pajuto, kad tai yra taip arti, kad yra juodoji skylė, kad tai beveik nesvarbu, o galbūt jis įsitikino, kad kvantinės fizikos įtraukimas verčia abejoti begalinio laiko skaičiavimais.

Tai, kad juodosios skylės dar nėra egzistuojančios - bent jau „dar ne“ pagal išorinį kadrą - yra puikus taškas, apie kurią paprastai net neužsimenama niekam. Bet galbūt laimėsite lažybas pasinaudodami šiuo faktu „patikėk arba netiki“.

Dar viena „Lightspeed“ spraga

5 skyriuje pateikiau pavyzdį, parodantį, kaip tinkamai pagreitėjus 1 g atstumui, atstumas tarp jūsų ir tolimo objekto (matuojant tame pagreičio kadre) gali kisti 2,6 karto daugiau nei šviesos greitis. Naudodamiesi Lawrence'o Berkeley laboratorijos elektronų greitintuvu BELLA, galėtumėte pakeisti atstumą iki Sirijaus tinkamame elektronų rėmelyje, lygiaverčiu 8,6 milijardo kartų šviesos greičiu. Galite padaryti dar geriau. Galite pakeisti atstumus begaliniu greičiu. Štai kaip.

Įsivaizduokite, kad jūs ir aš esame keliomis pėdomis vienas nuo kito, erdvėje, nieko daugiau aplink. Tarkime, kad mūsų tinkami rėmai yra identiški, todėl tame kadre mes abu esame ramybėje. Dabar gaukite nedidelę pirmykštę (visiškai suformuotą) juodąją skylę, kuri gali sverti tik kelis svarus. Pasinerkite tiesiai į jus ir mane. Juodosios skylės gravitacinis patrauklumas nėra didesnis nei bet kurio kito objekto, kurio masė yra tokia pati, todėl nejaučiame jokių neįprastų jėgų. Kai yra juodoji skylė, tiesus atstumas tarp jūsų ir manęs tampa begalinis. Tai galite pamatyti juodosios skylės diagramoje. Pasikeitė atstumas tarp mūsų. Tačiau mūsų vietos nėra.

Ar mes „pajudėjome“? Ne. Ar pasikeitė atstumas tarp jūsų ir manęs? Taip. Nepaprastai. Erdvė yra skysta ir lanksti. Jis gali būti suspaustas ir ištemptas. Be galo didelė erdvės koncentracija gali lengvai judėti, nes jos masė gali būti nedidelė. Tai reiškia, kad atstumai tarp objektų gali kisti savavališkai dideliu greičiu, net šviesmečiais per sekundę ar greičiau. Atrodo, lyg jūs judėtumėte dideliu greičiu, nors iš tikrųjų visai nejudate.

Kaip jau minėjau anksčiau, šios sąvokos bus svarbios, kai vėlesniuose skyriuose aptarsime šiuolaikinę kosmologiją. Visų pirma, tai yra pagrindas infliacijos teorijai, kuri naudojama paaiškinti mįslingą paradoksą, kad Visata yra nepaprastai vienoda, net jei ji tokia didelė, kad niekada (matyt) neturėjo laiko nustatyti tokio vienodumo. Plačiau apie tai vėliau.

Kirmėlės

Kirmėlių skylė yra hipotetinis objektas, panašus į juodąją skylę, tačiau vietoj išlenktos erdvės, pasiekiančios objektą, kurio masė yra didžiulė, jis galų gale pasklinda ir iškyla kitoje vietoje. Paprasčiausias kirmgraužas yra labai panašus į dvi ne visai juodąsias skylutes, sujungtas šalia dugno. („Ne visai“ reiškia, kad per tam tikrą laiką galite įkristi ir iššauti iš kitos pusės.) Kad tai įvyktų, galite įsivaizduoti, kad erdvė yra sulankstyta taip, kad išliekant slieko skylė būtų perlenkta (žr. Paveikslą) 7.2). Tačiau nereikia to įsivaizduoti. Atminkite, kad gylis iki juodosios skylės dugno yra begalinis atstumas nuo išorinio atskaitos rėmo. Taigi, nors kirminų skylė nėra tokia gili, ji gali būti pakankamai gili, kad ją pasiektų bet kur.

7.2 pav. Konceptualus 2D kirminų vaizdavimas. Dvi beveik juodos skylės jungia du erdvės laiko regionus. Kritkite į vieną pusę, o iš kitos - iššokkite.

7.2 pav. Konceptualus 2D kirminų vaizdavimas. Dvi beveik juodos skylės jungia du erdvės laiko regionus. Kritkite į vieną pusę, o iš kitos - iššokkite.

Kreditas: Richardas A. Mulleris

Paprastų kirmgraužų problema yra ta, kad skaičiavimai rodo, kad jie nėra stabilūs. Manoma, kad apačioje nėra masės, kad būtų galima išlaikyti išlenktą vietą, ir tikimasi, kad slieko skylė žlugs greičiau, nei žmogus galėtų šaudyti per ją. Galbūt pavyks stabilizuoti sliekų skylę (pavyzdžiui, stabilizuoti anglies kasyklą statant stulpelius), tačiau dabartinė teorija sako, kad tam reikia kažko, ko dar nepamatėme, dalelės, turinčios neigiamą energiją. laukas. Toks laukas gali būti įmanomas, bent jau mes jo negalime atmesti, todėl mokslinę fantastiką kviečiame tęsti ir manyti, kad ateityje mums pavyks sukurti stabilius ir naudingus kirminus.

Kirmėlinės skylės yra dabartinė mokslinės fantastikos ortodoksija, skirta greitoms kelionėms, apimančioms daugelį šviesmečių. Net „Star Trek“ terminas „metmenų pavara“, taip pat naudojamas serijoje „Doctor Who“, rodo, kad 4D erdvės ir laiko visata yra sulenkta į penktąją dimensiją, priartindama tolimus objektus vienas prie kito. Tas pats pasakytina ir apie „Dune“ filmo versiją, kurioje gildija erdvei sulenkti naudoja specialią medžiagą, vadinamą prieskoniu. (Romane jie tiesiog įveikia atstumus greičiau nei šviesa, tačiau filmas įgauna relativistinį šio sugebėjimo pojūtį.)

Kirmgraužos taip pat žavi mokslinės fantastikos gerbėjus, nes kai kurie fizikai teigė, kad jie sudarys galimybes kelionėms atgal. Kai mes įsigilinsime į laiko tėkmės, dabarties ir laiko kelionių prasmę, pamatysite, kodėl nesutinku, kad praeidamas per slieko angą galėtų atlikti keliones atgal.

Man nuostabu, kad nors mes nežinome, kodėl teka laikas, galime tiksliai kalbėti apie santykinį laiko srautą skirtingose ​​vietose ir kad tokie srautai vyksta skirtingais tempais. Laikas ilgėja ir traukiasi, atsižvelgiant į fiziką. Kitas fizikos žingsnis taip pat nepaaiškino laiko tėkmės greičio, tačiau jis atkreipė dėmesį į paprastesnį jo krypties klausimą: Kodėl laikas teka į priekį, o ne atgal?


[1] * L. Susskind ir J. Lindesay aptaria šį begalinį kritimo laiką įvade apie juodąsias skylutes, informaciją ir stygų teorijos revoliuciją (2005), p. 22. Jie stebi „Fidos“ stebėtojus kritimo taku, kurie stebi objekto kritimą ir praneša pašaliniam asmeniui. "Remiantis šiuo požiūriu, dalelė niekada neperžengia horizonto, bet asimptotiškai artėja prie jo." Kvanto teorija galėtų įsivaizduojamai pakeisti šią išvadą.

Pirkite dabar: Laiko fizika „Amazon.com“ >

Autorinės teisės © 2016 m. Richardas A. Mulleris. Naudojamas leidus W. W. Norton & Company, Inc. Visos teisės saugomos.


Vaizdo Papildas: .




LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com