Φορτισμένη μαύρη τρύπα. Μαύρες τρύπες με ηλεκτρικό φορτίο. Μαύρες τρύπες στο σύμπαν
Η έννοια της μαύρης τρύπας είναι γνωστή σε όλους - από μαθητές μέχρι ηλικιωμένους, χρησιμοποιείται στη λογοτεχνία επιστημονικής και φαντασίας, στα κίτρινα μέσα ενημέρωσης και σε επιστημονικά συνέδρια. Αλλά δεν γνωρίζουν όλοι τι ακριβώς είναι αυτές οι τρύπες.
Από την ιστορία των μαύρων τρυπών
1783Η πρώτη υπόθεση για την ύπαρξη ενός τέτοιου φαινομένου όπως μια μαύρη τρύπα διατυπώθηκε το 1783 από τον Άγγλο επιστήμονα John Michell. Στη θεωρία του, συνδύασε δύο δημιουργίες του Νεύτωνα - οπτική και μηχανική. Η ιδέα του Michell ήταν η εξής: εάν το φως είναι ένα ρεύμα από μικροσκοπικά σωματίδια, τότε, όπως όλα τα άλλα σώματα, τα σωματίδια θα πρέπει να βιώσουν την έλξη ενός βαρυτικού πεδίου. Αποδεικνύεται ότι όσο πιο μαζικό είναι το αστέρι, τόσο πιο δύσκολο είναι για το φως να αντισταθεί στην έλξη του. 13 χρόνια μετά τον Μισέλ, ο Γάλλος αστρονόμος και μαθηματικός Laplace πρότεινε (πιθανότατα ανεξάρτητα από τον Βρετανό ομόλογό του) μια παρόμοια θεωρία.
1915Ωστόσο, όλα τα έργα τους έμειναν στα αζήτητα μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα. Το 1915, ο Albert Einstein δημοσίευσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και έδειξε ότι η βαρύτητα είναι μια καμπυλότητα του χωροχρόνου που προκαλείται από την ύλη, και λίγους μήνες αργότερα, ο Γερμανός αστρονόμος και θεωρητικός φυσικός Karl Schwarzschild τη χρησιμοποίησε για να λύσει ένα συγκεκριμένο αστρονομικό πρόβλημα. Ερεύνησε τη δομή του καμπυλωμένου χωροχρόνου γύρω από τον Ήλιο και ανακάλυψε ξανά το φαινόμενο των μαύρων οπών.
(Ο John Wheeler επινόησε τον όρο «μαύρες τρύπες»)
1967Ο Αμερικανός φυσικός John Wheeler περιέγραψε ένα χώρο που μπορεί να τσαλακωθεί, σαν ένα κομμάτι χαρτί, σε ένα απειροελάχιστο σημείο και όρισε τον όρο «Μαύρη Τρύπα».
1974Ο Βρετανός φυσικός Stephen Hawking απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες, αν και καταπίνουν ύλη χωρίς επιστροφή, μπορούν να εκπέμπουν ακτινοβολία και τελικά να εξατμιστούν. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται «ακτινοβολία Χόκινγκ».
2013Η τελευταία έρευνα για τα πάλσαρ και τα κβάζαρ, καθώς και η ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου, κατέστησαν επιτέλους δυνατή την περιγραφή της ίδιας της έννοιας των μαύρων τρυπών. Το 2013, το νέφος αερίου G2 έφτασε πολύ κοντά στη μαύρη τρύπα και είναι πιθανό να απορροφηθεί από αυτήν, η παρατήρηση της μοναδικής διαδικασίας παρέχει μεγάλες ευκαιρίες για νέες ανακαλύψεις των χαρακτηριστικών των μαύρων τρυπών.
(Ογκώδες αντικείμενο Τοξότης A *, η μάζα του είναι 4 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο, πράγμα που συνεπάγεται ένα σμήνος αστεριών και το σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας)
2017. Μια ομάδα επιστημόνων από τη συνεργασία πολλών χωρών του Event Horizon Telescope, που συνδέει οκτώ τηλεσκόπια από διαφορετικά σημεία των ηπείρων της Γης, πραγματοποίησε παρατηρήσεις μιας μαύρης τρύπας, η οποία είναι ένα υπερμεγέθη αντικείμενο και βρίσκεται στον γαλαξία M87, τον αστερισμό της Παρθένου. Η μάζα του αντικειμένου είναι 6,5 δισεκατομμύρια (!) ηλιακές μάζες, γιγαντιαίες φορές μεγαλύτερη από το τεράστιο αντικείμενο Τοξότης A *, για σύγκριση, η διάμετρος είναι ελαφρώς μικρότερη από την απόσταση από τον Ήλιο στον Πλούτωνα.
Οι παρατηρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε διάφορα στάδια, ξεκινώντας από την άνοιξη του 2017 και κατά τις περιόδους του 2018. Η ποσότητα των πληροφοριών υπολογίστηκε σε petabyte, τα οποία στη συνέχεια έπρεπε να αποκρυπτογραφηθούν και να ληφθεί μια γνήσια εικόνα ενός εξαιρετικά απομακρυσμένου αντικειμένου. Ως εκ τούτου, χρειάστηκαν άλλα δύο ολόκληρα χρόνια για να προ-σαρώσει όλα τα δεδομένα και να τα συνδυάσει σε ένα σύνολο.
2019Τα δεδομένα αποκωδικοποιήθηκαν με επιτυχία και εμφανίστηκαν, δημιουργώντας την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας.
(Η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας στον γαλαξία M87 στον αστερισμό της Παρθένου)
Η ανάλυση εικόνας σάς επιτρέπει να βλέπετε τη σκιά του σημείου χωρίς επιστροφή στο κέντρο του αντικειμένου. Η εικόνα ελήφθη ως αποτέλεσμα παρεμβολομετρικών παρατηρήσεων με μια πολύ μεγάλη γραμμή βάσης. Αυτές είναι οι λεγόμενες σύγχρονες παρατηρήσεις ενός αντικειμένου από πολλά ραδιοτηλεσκόπια, που διασυνδέονται από ένα δίκτυο και βρίσκονται σε διαφορετικά μέρη του πλανήτη, κατευθυνόμενα προς μία κατεύθυνση.
Τι είναι πραγματικά οι μαύρες τρύπες;
Μια λακωνική εξήγηση του φαινομένου ακούγεται κάπως έτσι.
Μια μαύρη τρύπα είναι μια χωροχρονική περιοχή της οποίας η βαρυτική έλξη είναι τόσο ισχυρή που κανένα αντικείμενο, συμπεριλαμβανομένων των ελαφρών κβαντών, δεν μπορεί να φύγει από αυτήν.
Μια μαύρη τρύπα ήταν κάποτε ένα τεράστιο αστέρι. Όσο οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις διατηρούν υψηλή πίεση στα έντερά του, όλα παραμένουν φυσιολογικά. Όμως με την πάροδο του χρόνου, η παροχή ενέργειας εξαντλείται και το ουράνιο σώμα, υπό την επίδραση της δικής του βαρύτητας, αρχίζει να συρρικνώνεται. Το τελικό στάδιο αυτής της διαδικασίας είναι η κατάρρευση του αστρικού πυρήνα και ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας.
- 1. Εκτόξευση πίδακα μαύρης τρύπας με υψηλή ταχύτητα
- 2. Ένας δίσκος ύλης μεγαλώνει σε μαύρη τρύπα
- 3. Μαύρη τρύπα
- 4. Λεπτομερές σχήμα της περιοχής της μαύρης τρύπας
- 5. Μέγεθος των νέων παρατηρήσεων που βρέθηκαν
Η πιο κοινή θεωρία λέει ότι υπάρχουν παρόμοια φαινόμενα σε κάθε γαλαξία, συμπεριλαμβανομένου του κέντρου του Γαλαξία μας. Η τεράστια βαρύτητα της τρύπας είναι ικανή να συγκρατήσει αρκετούς γαλαξίες γύρω της, εμποδίζοντάς τους να απομακρυνθούν ο ένας από τον άλλο. Η «περιοχή κάλυψης» μπορεί να είναι διαφορετική, όλα εξαρτώνται από τη μάζα του αστεριού που έχει μετατραπεί σε μαύρη τρύπα και μπορεί να είναι χιλιάδες έτη φωτός.
Ακτίνα Schwarzschild
Η κύρια ιδιότητα μιας μαύρης τρύπας είναι ότι οποιαδήποτε ύλη εισέρχεται σε αυτήν δεν μπορεί ποτέ να επιστρέψει. Το ίδιο ισχύει και για το φως. Στον πυρήνα τους, οι τρύπες είναι σώματα που απορροφούν πλήρως όλο το φως που πέφτει πάνω τους και δεν εκπέμπουν το δικό τους. Τέτοια αντικείμενα μπορούν οπτικά να εμφανίζονται ως θρόμβοι απόλυτου σκότους.
- 1. Κινούμενη ύλη με τη μισή ταχύτητα του φωτός
- 2. Δακτύλιος φωτονίων
- 3. Εσωτερικός δακτύλιος φωτονίων
- 4. Ο ορίζοντας γεγονότων σε μια μαύρη τρύπα
Με βάση τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, εάν ένα σώμα πλησιάσει μια κρίσιμη απόσταση από το κέντρο της τρύπας, δεν μπορεί πλέον να επιστρέψει. Αυτή η απόσταση ονομάζεται ακτίνα Schwarzschild. Το τι ακριβώς συμβαίνει σε αυτή την ακτίνα δεν είναι γνωστό με βεβαιότητα, αλλά υπάρχει η πιο κοινή θεωρία. Πιστεύεται ότι όλη η ύλη μιας μαύρης τρύπας συγκεντρώνεται σε ένα απείρως μικρό σημείο και στο κέντρο της υπάρχει ένα αντικείμενο με άπειρη πυκνότητα, το οποίο οι επιστήμονες ονομάζουν μοναδική διαταραχή.
Πώς πέφτει σε μια μαύρη τρύπα
(Στην εικόνα, η μαύρη τρύπα του Τοξότη Α* μοιάζει με ένα εξαιρετικά φωτεινό σύμπλεγμα φωτός)
Όχι πολύ καιρό πριν, το 2011, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα νέφος αερίου, δίνοντάς του το απλό όνομα G2, το οποίο εκπέμπει ασυνήθιστο φως. Μια τέτοια λάμψη μπορεί να δώσει τριβή σε αέριο και σκόνη, που προκαλείται από τη δράση της μαύρης τρύπας Τοξότης Α* και η οποία περιστρέφεται γύρω της με τη μορφή ενός δίσκου προσαύξησης. Έτσι, γινόμαστε παρατηρητές του εκπληκτικού φαινομένου της απορρόφησης ενός νέφους αερίου από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.
Σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες, η πλησιέστερη προσέγγιση σε μια μαύρη τρύπα θα συμβεί τον Μάρτιο του 2014. Μπορούμε να αναδημιουργήσουμε μια εικόνα του πώς θα διαδραματιστεί αυτό το συναρπαστικό θέαμα.
- 1. Όταν εμφανίζεται για πρώτη φορά στα δεδομένα, ένα σύννεφο αερίου μοιάζει με μια τεράστια μπάλα αερίου και σκόνης.
- 2. Τώρα, από τον Ιούνιο του 2013, το σύννεφο απέχει δεκάδες δισεκατομμύρια χιλιόμετρα από τη μαύρη τρύπα. Πέφτει σε αυτό με ταχύτητα 2500 km / s.
- 3. Το σύννεφο αναμένεται να περάσει τη μαύρη τρύπα, αλλά οι παλιρροϊκές δυνάμεις που προκαλούνται από τη διαφορά στην έλξη που επενεργούν στις μπροστινές και τις πίσω άκρες του νέφους θα το κάνουν να επιμηκύνεται όλο και περισσότερο.
- 4. Αφού σπάσει το σύννεφο, το μεγαλύτερο μέρος του πιθανότατα θα ενωθεί με τον δίσκο προσαύξησης γύρω από τον Τοξότη Α*, δημιουργώντας ωστικά κύματα σε αυτόν. Η θερμοκρασία θα ανέλθει σε αρκετά εκατομμύρια βαθμούς.
- 5. Μέρος του σύννεφου θα πέσει κατευθείαν στη μαύρη τρύπα. Κανείς δεν γνωρίζει τι ακριβώς θα συμβεί με αυτήν την ουσία, αλλά αναμένεται ότι κατά τη διαδικασία της πτώσης θα εκπέμψει ισχυρά ρεύματα ακτίνων Χ και κανείς άλλος δεν θα τη δει.
Βίντεο: μαύρη τρύπα καταπίνει ένα σύννεφο αερίου
(Προομοίωση υπολογιστή για το πόσο από το νέφος αερίου G2 θα καταστραφεί και θα καταναλωθεί από τη μαύρη τρύπα Τοξότης Α*)
Τι υπάρχει μέσα σε μια μαύρη τρύπα
Υπάρχει μια θεωρία που υποστηρίζει ότι μια μαύρη τρύπα μέσα είναι πρακτικά άδεια και όλη η μάζα της είναι συγκεντρωμένη σε ένα απίστευτα μικρό σημείο που βρίσκεται στο κέντρο της - μια μοναδικότητα.
Σύμφωνα με μια άλλη θεωρία που υπάρχει εδώ και μισό αιώνα, ό,τι πέφτει σε μια μαύρη τρύπα πηγαίνει σε ένα άλλο σύμπαν που βρίσκεται στην ίδια τη μαύρη τρύπα. Τώρα αυτή η θεωρία δεν είναι η κύρια.
Και υπάρχει μια τρίτη, πιο σύγχρονη και επίμονη θεωρία, σύμφωνα με την οποία ό,τι πέφτει σε μια μαύρη τρύπα διαλύεται στις δονήσεις των χορδών στην επιφάνειά της, η οποία ορίζεται ως ο ορίζοντας γεγονότων.
Ποιος είναι λοιπόν ο ορίζοντας γεγονότων; Είναι αδύνατο να κοιτάξουμε μέσα σε μια μαύρη τρύπα ακόμα και με ένα υπερισχυρό τηλεσκόπιο, αφού ακόμη και το φως, που μπαίνει μέσα σε μια γιγάντια κοσμική χοάνη, δεν έχει καμία πιθανότητα να αναδυθεί πίσω. Ό,τι μπορεί με κάποιο τρόπο να θεωρηθεί βρίσκεται σε άμεση γειτνίαση.
Ο ορίζοντας γεγονότων είναι μια υπό όρους γραμμή της επιφάνειας από την οποία δεν μπορεί να διαφύγει τίποτα (ούτε αέριο, ούτε σκόνη, ούτε αστέρια, ούτε φως). Και αυτό είναι το πολύ μυστηριώδες σημείο χωρίς επιστροφή στις μαύρες τρύπες του Σύμπαντος.
Οι υπάρχουσες ιδέες για τις μαύρες τρύπες βασίζονται σε θεωρήματα που αποδεικνύονται μέσω της διαφορικής γεωμετρίας των πολλαπλών. Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων της θεωρίας είναι διαθέσιμη σε βιβλία και δεν θα τα επαναλάβουμε εδώ. Παραπέμποντας τον αναγνώστη για λεπτομέρειες σε μονογραφίες και συλλογές, καθώς και πρωτότυπες εργασίες και κριτικές, περιοριζόμαστε σε μια σύντομη απαρίθμηση των κύριων διατάξεων που διέπουν τις σύγχρονες ιδέες για τις μαύρες τρύπες.
Η πιο γενική οικογένεια λύσεων κενού των εξισώσεων του Αϊνστάιν, που περιγράφει στάσιμους ασυμπτωτικά επίπεδους χωροχρόνους με μη μοναδικό ορίζοντα γεγονότων και κανονικούς παντού έξω από τον ορίζοντα, έχει αξονική συμμετρία και συμπίπτει με την οικογένεια Kerr δύο παραμέτρων. Δύο ανεξάρτητες παράμετροι και ένα ορίζουν τη μάζα και τη γωνιακή ορμή της μαύρης τρύπας. Τα θεωρήματα που υποστηρίζουν αυτή τη δήλωση διατυπώθηκαν σε έργα για μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα και γενικεύτηκαν στη μέτρηση Kerr στο . Οι λύσεις των μη κενού εξισώσεων του Αϊνστάιν που περιγράφουν τις μαύρες τρύπες μπορούν να χαρακτηριστούν από μεγάλο αριθμό παραμέτρων. Έτσι, στην περίπτωση του συστήματος εξισώσεων Einstein-Maxwell, η οικογένεια των λύσεων Kerr-Newman διαθέτει τις αναφερόμενες ιδιότητες, η οποία έχει τέσσερις παραμέτρους όπου ηλεκτρικά, μαγνητικά φορτία, η μοναδικότητα αυτής της οικογένειας αποδείχθηκε στο . Υπάρχουν λύσεις στο σύστημα εξισώσεων Einstein-Yang-Mills που περιγράφουν μαύρες τρύπες που φέρουν φορτία μετρητή (έγχρωμα), καθώς και στο σύστημα Einstein-Yang-Mills-Higgs με αυθόρμητα σπασμένη συμμετρία, που περιγράφει σημεία βαρύτητας μονόπολα και δύονες που κρύβονται κάτω από το συμβάν ορίζοντας. Στην εκτεταμένη υπερβαρύτητα, έχουν βρεθεί λύσεις που περιγράφουν εξαιρετικά φορτισμένες μαύρες τρύπες με φερμιονική δομή. Είναι σημαντικό όλες οι αναφερόμενες λύσεις να είναι γνωστές για πεδία μηδενικής μάζας, τα οποία δεν μπορούν να έχουν τεράστια εξωτερικά πεδία μαύρης τρύπας.
Πεδίο Kerr-Newman
Αναβάλλοντας τη συζήτηση των λύσεων με φορτία μαγνητικού και μετρητή μέχρι την § 18, ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τη λύση Kerr-Newman που περιγράφει ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρικά φορτισμένο
μαύρη τρύπα. Στις συντεταγμένες Boyer-Lindqvist, το τετράγωνο του χωροχρονικού διαστήματος έχει τη μορφή
όπου εισάγεται η τυπική σημείωση
4-δυναμικό (-μορφή) του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, που ορίζεται από τη σχέση
για δεν διαφέρει από το δυναμικό ενός σημειακού φορτίου στον χώρο Minkowski. Ένας επιπλέον όρος ανάλογος του a συμπίπτει στο χωρικό άπειρο με το δυναμικό του μαγνητικού διπόλου.
Για τη μέτρηση Kerr-Newman, υπάρχουν τριάντα μη μηδενικά σύμβολα Christoffel, εκ των οποίων τα είκοσι δύο είναι ίσα ανά ζεύγη
όπου υποδεικνύεται
Τα σύμβολα Christoffel είναι ακόμη συναρτήσεις διαφοράς και δεν εξαφανίζονται στο ισημερινό επίπεδο της μετρικής Kerr. Τα υπόλοιπα στοιχεία συνδεσιμότητας είναι περίεργα ως προς την ανάκλαση στο επίπεδο, όπου παίρνουν μηδενικές τιμές. Είναι χρήσιμο να το έχουμε κατά νου όταν λύνουμε τις εξισώσεις της κίνησης των σωματιδίων.
Οι μη μηδενικές συνιστώσες του τανυστή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι ίσες με
που αντιστοιχεί στην υπέρθεση του πεδίου Coulomb και του μαγνητικού διπολικού πεδίου.
Το στοιχείο γραμμής (1) δεν εξαρτάται από τις συντεταγμένες, άρα τα διανύσματα
είναι Φονικά διανύσματα που δημιουργούν μετατοπίσεις στο χρόνο και περιστροφές γύρω από τον άξονα συμμετρίας. Φονικά διανύσματα και δεν είναι ορθογώνια μεταξύ τους
Η συμμετρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε σχέση με τους μετασχηματισμούς που δίνονται από τα διανύσματα Killing εκφράζεται στην ισότητα προς το μηδέν των παραγώγων Lie του 4-δυναμικού (3) κατά μήκος των διανυσματικών πεδίων (8),
Το διάνυσμα του χρόνου είναι παρόμοιο στην περιοχή που οριοθετείται από την ανισότητα
και γίνεται ισότροπο στην επιφάνεια της εργοσφαιρίας
που είναι ένα ελλειψοειδές της επανάστασης. Μέσα στην εργοσφαιρία, το διάνυσμα μοιάζει με το διάστημα, αλλά υπάρχει ένας γραμμικός συνδυασμός των διανυσμάτων Killing
που είναι ένα χρονοδιάνυσμα Killing μέσα στην εργοσφαιρία εάν η ανισότητα
Η επιφάνεια στην οποία συγχωνεύονται είναι ο ορίζοντας γεγονότων, η θέση του καθορίζεται από τη μεγάλη ρίζα της εξίσωσης
πού βρίσκουμε πού
Η τιμή παίζει το ρόλο της γωνιακής ταχύτητας της περιστροφής του ορίζοντα. σύμφωνα με το γενικό θεώρημα, δεν εξαρτάται από τη γωνία
Ο ορίζοντας γεγονότων είναι μια ισότροπη υπερεπιφάνεια της οποίας το χωρικό τμήμα έχει την τοπολογία μιας σφαίρας. Το εμβαδόν της δισδιάστατης επιφάνειας του ορίζοντα υπολογίζεται από τον τύπο
που οδηγεί στο αποτέλεσμα
Σύμφωνα με το θεώρημα του Hawking, η επιφάνεια του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας βυθισμένης σε ένα υλικό μέσο του οποίου ο τανυστής ενέργειας-ορμής ικανοποιεί τις συνθήκες κυριαρχίας ενέργειας δεν μπορεί να μειωθεί. Η μάζα και η ροπή περιστροφής της τρύπας μπορεί να μειωθούν μεμονωμένα, ενώ, έχοντας χάσει εντελώς τη ροπή περιστροφής, η μαύρη τρύπα θα αποδειχθεί ότι έχει μάζα τουλάχιστον
που έχει ονομαστεί «μη αναγώγιμη» μάζα μιας μαύρης τρύπας. Ο νόμος της μη μείωσης της περιοχής του ορίζοντα γεγονότων έχει κοινή φύση με τον νόμο της αυξανόμενης εντροπίας, μπορεί να συσχετιστεί με την απώλεια πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση της ύλης που βρίσκεται κάτω από τον ορίζοντα γεγονότων. Αν μια μαύρη τρύπα δεν είχε κάποια
εντροπία, τότε η απορρόφηση, ας πούμε, ενός θερμαινόμενου αερίου στον εξωτερικό χώρο θα οδηγούσε σε μείωση της εντροπίας. Η επίκληση κβαντικών θεωρήσεων εξαλείφει τον κίνδυνο αντίφασης με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, επειδή αποδεικνύεται ότι στην κβαντική βαρύτητα η εντροπία μιας μαύρης τρύπας είναι πράγματι ανάλογη με την επιφάνεια του ορίζοντα γεγονότων (21) σε μονάδες του τετράγωνο του μήκους Planck
Αυτό αντιστοιχεί επίσης σε παλαιότερους υπολογισμούς της επίδρασης της παραγωγής σωματιδίων σε μαύρες τρύπες στο πλαίσιο της ημικλασικής θεωρίας. Η συνολική εντροπία της μαύρης τρύπας και της απορροφούμενης ύλης δεν μειώνεται σε αυτή την περίπτωση, καθώς η μάζα (και, πιθανώς, η περιστροφική ροπή) της μαύρης τρύπας αυξάνεται κατά την απορρόφηση, με αποτέλεσμα η επιφάνεια της ο ορίζοντας γεγονότων αυξάνεται. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο παρονομαστής στο (23) είναι εξαιρετικά μικρός· επομένως, με μια μακροσκοπική αλλαγή στην περιοχή του ορίζοντα, η εντροπία της μαύρης τρύπας αλλάζει κατά πολύ μεγάλη τιμή.
Στον ορίζοντα γεγονότων, ένας γραμμικός συνδυασμός των συστατικών του 4-δυναμικού είναι σταθερός, που έχει την έννοια του ηλεκτροστατικού δυναμικού του ορίζοντα για έναν παρατηρητή που περιστρέφεται με τον ορίζοντα
Σταθερή είναι επίσης η ποσότητα που ονομάζεται «επιφανειακή βαρύτητα» μιας μαύρης τρύπας, η οποία είναι ίση με την επιτάχυνση (σε μονάδες χρόνου συντεταγμένων) ενός σωματιδίου που βρίσκεται σε ηρεμία στον ορίζοντα, σε αμετάβλητη μορφή
όπου το διάνυσμα προσδιορίζεται από τον τύπο (14). στο (δηλαδή, είναι ένας ισότροπος φορέας που βρίσκεται στην υπερεπιφάνεια
Ένα άλλο ισότροπο διάνυσμα κανονικοποιημένο από τη συνθήκη Για τη μέτρηση Kerr-Newman, η επιφανειακή βαρύτητα του ορίζοντα είναι
Μαύρες τρύπες
Ξεκινώντας από τα μέσα του XIX αιώνα. ανάπτυξη της θεωρίας του ηλεκτρομαγνητισμού, ο James Clerk Maxwell είχε πολλές πληροφορίες για τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Συγκεκριμένα, ήταν εκπληκτικό ότι οι ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις μειώνονται με την απόσταση με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως η δύναμη της βαρύτητας. Τόσο οι βαρυτικές όσο και οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις είναι δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας. Μπορούν να γίνουν αισθητά σε πολύ μεγάλη απόσταση από τις πηγές τους. Αντίθετα, οι δυνάμεις που ενώνουν τους πυρήνες των ατόμων - οι δυνάμεις των ισχυρών και αδύναμων αλληλεπιδράσεων - έχουν μικρή ακτίνα δράσης. Οι πυρηνικές δυνάμεις γίνονται αισθητές μόνο σε μια πολύ μικρή περιοχή που περιβάλλει τα πυρηνικά σωματίδια. Το μεγάλο εύρος ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων σημαίνει ότι, όντας μακριά από μια μαύρη τρύπα, μπορούν να γίνουν πειράματα για να διαπιστωθεί εάν αυτή η τρύπα είναι φορτισμένη ή όχι. Εάν μια μαύρη τρύπα έχει ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό) ή μαγνητικό φορτίο (που αντιστοιχεί στον βόρειο ή νεαρό μαγνητικό πόλο), τότε ένας παρατηρητής που βρίσκεται σε απόσταση μπορεί να ανιχνεύσει την ύπαρξη αυτών των φορτίων χρησιμοποιώντας ευαίσθητα όργανα. τέλη της δεκαετίας του 1960 και αρχές της δεκαετίας του 1970, οι αστροφυσικοί - θεωρητικοί έχουν εργαστεί σκληρά για το πρόβλημα: ποιες ιδιότητες των μαύρων οπών αποθηκεύονται και ποιες ιδιότητες χάνονται σε αυτές; Τα χαρακτηριστικά μιας μαύρης τρύπας που μπορεί να μετρηθεί από έναν μακρινό παρατηρητή είναι η μάζα της, φορτίο και τη γωνιακή του ορμή. Αυτά τα τρία κύρια χαρακτηριστικά διατηρούνται κατά τον σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας και καθορίζουν τη χωροχρονική γεωμετρία κοντά της. Με άλλα λόγια, εάν ρυθμίσετε τη μάζα, το φορτίο και τη γωνιακή ορμή μιας μαύρης τρύπας, τότε τα πάντα σχετικά με αυτήν θα είναι ήδη γνωστά - οι μαύρες τρύπες δεν έχουν άλλες ιδιότητες εκτός από τη μάζα, το φορτίο και τη γωνιακή ορμή. Έτσι οι μαύρες τρύπες είναι πολύ απλά αντικείμενα. είναι πολύ πιο απλά από τα αστέρια από τα οποία αναδύονται οι μαύρες τρύπες. Οι G. Reisner και G. Nordström ανακάλυψαν τη λύση των εξισώσεων του βαρυτικού πεδίου του Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει πλήρως μια «φορτισμένη» μαύρη τρύπα. Μια τέτοια μαύρη τρύπα μπορεί να έχει ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό) ή/και μαγνητικό φορτίο (που αντιστοιχεί στον βόρειο ή τον νότιο μαγνητικό πόλο). Αν τα ηλεκτρικά φορτισμένα σώματα είναι συνηθισμένα, τότε τα μαγνητικά φορτισμένα σώματα δεν είναι καθόλου. Τα σώματα που έχουν μαγνητικό πεδίο (για παράδειγμα, ένας συνηθισμένος μαγνήτης, μια βελόνα πυξίδας, η Γη) έχουν αναγκαστικά και βόρειο και νότιο πόλο ταυτόχρονα. Μέχρι πολύ πρόσφατα, οι περισσότεροι φυσικοί πίστευαν ότι οι μαγνητικοί πόλοι εμφανίζονται πάντα μόνο σε ζεύγη. Ωστόσο, το 1975 μια ομάδα επιστημόνων από το Μπέρκλεϋ και το Χιούστον ανακοίνωσαν ότι ανακάλυψαν ένα μαγνητικό μονόπολο σε ένα από τα πειράματά τους. Εάν επιβεβαιωθούν αυτά τα αποτελέσματα, τότε θα αποδειχθεί ότι μπορεί να υπάρχουν ξεχωριστά μαγνητικά φορτία, δηλ. ότι ο βόρειος μαγνητικός πόλος μπορεί να υπάρχει χωριστά από το νότο και αντίστροφα. Η λύση Reisner-Nordström επιτρέπει την ύπαρξη μονοπολικού μαγνητικού πεδίου σε μια μαύρη τρύπα. Ανεξάρτητα από το πώς απέκτησε το φορτίο της η μαύρη τρύπα, όλες οι ιδιότητες αυτού του φορτίου στη λύση Reisner-Nordström συνδυάζονται σε ένα χαρακτηριστικό - τον αριθμό Q. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι παρόμοιο με το γεγονός ότι η λύση Schwarzschild δεν εξαρτάται από το πώς το μαύρο η τρύπα απέκτησε τη μάζα της. Σε αυτή την περίπτωση, η χωροχρονική γεωμετρία στη λύση Reisner-Nordström δεν εξαρτάται από τη φύση του φορτίου. Μπορεί να είναι θετικό, αρνητικό, να αντιστοιχεί στον βόρειο ή τον νότιο μαγνητικό πόλο - μόνο η πλήρης τιμή του είναι σημαντική, η οποία μπορεί να γραφτεί ως |Q|. Έτσι, οι ιδιότητες μιας μαύρης τρύπας Reisner-Nordström εξαρτώνται μόνο από δύο παραμέτρους - τη συνολική μάζα της τρύπας M και το συνολικό φορτίο της|Q| (με άλλα λόγια από την απόλυτη τιμή του). Σκεπτόμενοι τις πραγματικές μαύρες τρύπες που θα μπορούσαν να υπάρχουν πραγματικά στο Σύμπαν μας, οι φυσικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η λύση Reisner-Nordström αποδεικνύεται ότι δεν είναι πολύ σημαντική, επειδή οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις είναι πολύ μεγαλύτερες από τις δυνάμεις της βαρύτητας. Για παράδειγμα, το ηλεκτρικό πεδίο ενός ηλεκτρονίου ή ενός πρωτονίου είναι τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το βαρυτικό τους πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι αν η μαύρη τρύπα είχε αρκετά μεγάλο φορτίο, τότε οι τεράστιες δυνάμεις ηλεκτρομαγνητικής προέλευσης θα διασκόρπιζαν γρήγορα προς όλες τις κατευθύνσεις το αέριο και τα άτομα που «επιπλέουν» στο διάστημα. Στο συντομότερο δυνατό χρονικό διάστημα, τα σωματίδια με το ίδιο πρόσημο φορτίου με τη μαύρη τρύπα θα δοκίμαζαν μια ισχυρή απώθηση και τα σωματίδια με το αντίθετο πρόσημο φορτίου θα είχαν μια εξίσου ισχυρή έλξη προς αυτήν. Προσελκύοντας σωματίδια με φορτίο αντίθετου πρόσημου, η μαύρη τρύπα θα γινόταν σύντομα ηλεκτρικά ουδέτερη. Επομένως, μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι πραγματικές μαύρες τρύπες έχουν μόνο ένα μικρό φορτίο. Για πραγματικές μαύρες τρύπες, η τιμή του |Q| πρέπει να είναι πολύ μικρότερη από το M. Πράγματι, από τους υπολογισμούς προκύπτει ότι οι μαύρες τρύπες που θα μπορούσαν πραγματικά να υπάρχουν στο διάστημα πρέπει να έχουν μάζα M τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από το |Q|.
Περνάμε τώρα στην ιστορία του πώς μια μαύρη τρύπα μπορεί να λειτουργήσει ως ηλεκτρική μηχανή (ηλεκτρικός κινητήρας, δυναμό, κ.λπ.).
Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να εξοικειωθούμε με τις εκπληκτικές ιδιότητες του ορίου μιας μαύρης τρύπας, που με
Ρύζι. 5. Γραμμές δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου ενός φορτίου κοντά σε μια μαύρη τρύπα. Τα συν και τα πλην υποδηλώνουν πλασματικά επιφανειακά φορτία στην άκρη μιας μαύρης τρύπας
από τη σκοπιά ενός εξωτερικού παρατηρητή, εκδηλώνεται ως «μεμβράνη», προικισμένη με ορισμένες ηλεκτρικές ιδιότητες.
Για να καταλάβετε τι διακυβεύεται εδώ, σκεφτείτε το ηλεκτρικό πεδίο ενός φορτίου που βρίσκεται κοντά σε μια μη περιστρεφόμενη αφόρτιστη μαύρη τρύπα. Όπως έχουμε ήδη πει, ο τρισδιάστατος χώρος κοντά σε μια μαύρη τρύπα είναι καμπύλος και επομένως οι γραμμές πεδίου αυτού του πεδίου φαίνονται πολύ ασυνήθιστες, όπως φαίνεται στο Σχ. 5. Αυτό το σχέδιο, φυσικά, είναι σχηματικό, αφού είναι αδύνατο να απεικονιστεί η διαμόρφωση των γραμμών σε καμπύλο χώρο σε ένα επίπεδο κομμάτι χαρτί. Βλέπουμε ότι μέρος των γραμμών πεδίου, λυγίζοντας, πηγαίνει στο διάστημα μακριά από τη μαύρη τρύπα. Άλλες γραμμές πεδίου ακουμπούν στη μαύρη τρύπα.
Αν το θέμα περιοριζόταν σε αυτό, τότε αυτό θα σήμαινε ότι η μαύρη τρύπα είναι φορτισμένη. Πράγματι, γνωρίζουμε ότι ο νόμος του Gauss δηλώνει ότι ο αριθμός των γραμμών δύναμης που διασχίζουν μια κλειστή επιφάνεια καθορίζει το συνολικό φορτίο μέσα σε αυτήν. Αλλά η μαύρη τρύπα μας ως σύνολο δεν είναι φορτισμένη. Αυτό σημαίνει ότι εάν υπάρχουν γραμμές δύναμης που εισέρχονται στη μαύρη τρύπα, τότε πρέπει να υπάρχουν γραμμές που βγαίνουν από αυτήν. Πράγματι, βλέπουμε στο σχήμα ότι οι γραμμές δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου βγαίνουν από τη μαύρη τρύπα από την πλευρά που είναι απέναντι από το φορτίο και απομακρύνονται από τη μαύρη τρύπα. Μια τέτοια περίπλοκη διαμόρφωση του πεδίου συνδέεται με μια ισχυρή καμπυλότητα του χώρου.
Οι γραμμές δύναμης στο σχ. 5 φαίνεται σαν η επιφάνεια της μαύρης τρύπας να είναι μια ηλεκτρικά αγώγιμη σφαίρα και η προσέγγιση της από έξω από το φορτίο προκαλεί πόλωση των ελεύθερων φορτίων στην ηλεκτρικά αγώγιμη σφαίρα. Χρεώσεις που έχουν αντίθετα
Ρύζι. 6. Πλανητικό επιφανειακό ρεύμα στα όρια μιας μαύρης τρύπας. Μαύρη τρύπα πεπλατυσμένη λόγω περιστροφής
σημάδι σε σύγκριση με το προσεγγιζόμενο, έλκονται από αυτό και συγκεντρώνονται στη μία πλευρά της σφαίρας. Τα φορτία του ίδιου σημείου με αυτό που πλησιάζει απωθούνται και μαζεύονται από την αντίθετη πλευρά (βλ. Εικ. 5). Μια τέτοια αναλογία μας επιτρέπει να υποθέσουμε υπό όρους ότι υπάρχουν (πλασματικά) φορτία στην επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας, στην οποία καταλήγουν οι γραμμές δύναμης του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου.
Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τη διαδικασία προσέγγισης ενός ηλεκτρικού φορτίου σε μια μαύρη τρύπα. Κατά την προσέγγιση του φορτίου, η κατανομή του πλασματικού επιφανειακού φορτίου της μαύρης τρύπας θα αλλάξει - τα φορτία του αντίθετου πρόσημου έλκονται σε ένα σημείο που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το φορτίο που πλησιάζει. Άρα, μπορούμε να υποθέσουμε ότι ένα (πλασματικό) ρεύμα ρέει στην επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας! Επιπλέον, μπορούμε να συσχετίσουμε την ισχύ αυτού του ρεύματος με την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου που δρα κατά μήκος της επιφάνειας της μαύρης τρύπας όταν πλησιάζει το φορτίο, όπως φαίνεται από έναν μακρινό παρατηρητή:
Αυτή η σχέση έχει τη μορφή του γνωστού νόμου του Ohm. Εδώ έχουμε υποδηλώσει με την (πλασματική) επιφανειακή αντίσταση της μαύρης τρύπας. Μια λεπτομερής εξέταση δείχνει ότι ή σε συνηθισμένες μονάδες είναι ίσο με 377 ohms.
Έτσι, ήδη η εξέταση των απλούστερων ηλεκτροδυναμικών προβλημάτων δείχνει ότι η επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας συμπεριφέρεται σαν μια μεμβράνη προικισμένη με ορισμένα
ηλεκτρικές ιδιότητες. Η εξέταση πιο περίπλοκων προβλημάτων επιβεβαιώνει αυτή την άποψη. Για παράδειγμα, αφήστε δύο ρεύματα φορτίων του αντίθετου πρόσημου να πέσουν σε διαφορετικά μέρη της επιφάνειας της μαύρης τρύπας (Εικ. 6), έτσι ώστε το συνολικό φορτίο της μαύρης τρύπας να μην αλλάξει. Τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι από το σημείο όπου πέφτουν τα θετικά φορτία Α μέχρι το σημείο όπου πέφτουν τα αρνητικά φορτία Β, ρέει ένα επιφανειακό ηλεκτρικό ρεύμα, όπως φαίνεται στο Σχ. 6.
Πρέπει για άλλη μια φορά να υπενθυμίσουμε στον αναγνώστη ότι στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν επιφανειακά φορτία και ρεύματα (όπως και η ίδια η επιφάνεια του υλικού) για μια μαύρη τρύπα. Εάν κάποιος παρατηρητής πέσει σε μια μαύρη τρύπα, τότε δεν συναντά καμία υλική επιφάνεια, κανένα φορτίο, κανένα ρεύμα όταν διασχίζει τον ορίζοντα. Η εισαγωγή αυτών των πλασματικών μεγεθών είναι απλώς μια οπτική μέθοδος αναπαράστασης της συμπεριφοράς των γραμμών πεδίου ενός ηλεκτρικού (και, όπως θα δούμε, επίσης μαγνητικού) πεδίου κοντά στο όριο μιας μαύρης τρύπας, από την οπτική γωνία ενός παρατηρητή. που βρίσκεται «μακριά από τη μαύρη τρύπα. Μια τέτοια αναπαράσταση είναι πολύ βολική, οπτική και επιτρέπει στη διαίσθησή μας, που είναι συνηθισμένη στην ανάλυση εργαστηριακών πειραμάτων με αγώγιμες σφαίρες, να λειτουργήσει. Αυτό μας επιτρέπει, χωρίς να καταφεύγουμε σε περίπλοκες ιδέες και υπολογισμούς σχετικά με τον καμπύλο τετραδιάστατο χωρόχρονο με τον οποίο ασχολείται η γενική σχετικότητα, να φανταστούμε τη συμπεριφορά μιας μαύρης τρύπας σε ορισμένες συνθήκες με σχετικά απλό τρόπο.
Στο μέλλον, θα χρησιμοποιήσουμε την περιγραφόμενη αναπαράσταση, χωρίς να προσδιορίζουμε κάθε φορά τη πλασματική έννοια των επιφανειακών φορτίων και ρευμάτων για μια μαύρη τρύπα.
Ας στραφούμε τώρα στην εξέταση του πώς μια μαύρη τρύπα μπορεί να παίξει το ρόλο διαφόρων στοιχείων ενός ηλεκτρικού κυκλώματος και ηλεκτρικών μηχανών. Αυτή η γραμμή έρευνας αναπτύσσεται τώρα ενεργά από τον Αμερικανό φυσικό Kip Thorne και τους συνεργάτες του. Φυσικά, δεν θα σταθούμε στις τεχνικές λεπτομέρειες των δομών, αλλά θα παρουσιάσουμε μόνο γενικά σχήματα.
Ποιο είναι το ηλεκτρικό φορτίο μιας μαύρης τρύπας; Για «κανονικές» μαύρες τρύπες αστρονομικής κλίμακας αυτή η ερώτηση είναι ανόητη και χωρίς νόημα, αλλά για μικροσκοπικές μαύρες τρύπες είναι αρκετά σχετική. Ας υποθέσουμε ότι μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα έφαγε λίγο περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια και απέκτησε αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Τι συμβαίνει όταν μια φορτισμένη μικροσκοπική μαύρη τρύπα βρίσκεται μέσα σε πυκνή ύλη;
Αρχικά, ας υπολογίσουμε χονδρικά το ηλεκτρικό φορτίο μιας μαύρης τρύπας. Ας αριθμήσουμε τα φορτισμένα σωματίδια που πέφτουν στη μαύρη τρύπα ξεκινώντας από την αρχή της tiryampamp που οδήγησε στην εμφάνισή της, και ας αρχίσουμε να αθροίζουμε τα ηλεκτρικά τους φορτία: πρωτόνιο - +1, ηλεκτρόνιο - -1. Σκεφτείτε αυτό ως μια τυχαία διαδικασία. Η πιθανότητα να λάβετε +1 σε κάθε βήμα είναι 0,5, οπότε έχουμε ένα κλασικό παράδειγμα τυχαίας βόλτας, δηλ. το μέσο ηλεκτρικό φορτίο μιας μαύρης τρύπας, εκφρασμένο σε στοιχειώδη φορτία, θα είναι ίσο με
Q = sqrt(2N/π)
όπου Ν είναι ο αριθμός των φορτισμένων σωματιδίων που απορροφώνται από τη μαύρη τρύπα.
Ας πάρουμε την αγαπημένη μας μαύρη τρύπα 14 κιλοτόνων και ας υπολογίσουμε πόσα φορτισμένα σωματίδια έφαγε.
N = M/m πρωτόνιο = 1,4*10 7 /(1,67*10 -27) = 8,39*10 33
Επομένως q = 7,31*10 16 στοιχειώδεις χρεώσεις = 0,0117 C. Φαίνεται λίγο - μια τέτοια φόρτιση περνά σε ένα δευτερόλεπτο μέσα από το νήμα ενός λαμπτήρα 20 watt. Αλλά για ένα στατικό φορτίο, η τιμή δεν είναι νοσηρή (ένα μάτσο πρωτονίων με τέτοιο συνολικό φορτίο ζυγίζει 0,121 νανογραμμάρια), και για ένα στατικό φορτίο ενός αντικειμένου μεγέθους ενός στοιχειώδους σωματιδίου, η τιμή είναι απλά γαμημένη.
Ας δούμε τι συμβαίνει όταν μια φορτισμένη μαύρη τρύπα μπει μέσα σε σχετικά πυκνή ύλη. Αρχικά, εξετάστε την απλούστερη περίπτωση - αέριο διατομικό υδρογόνο. Η πίεση θα θεωρηθεί ότι είναι ατμοσφαιρική και η θερμοκρασία ως θερμοκρασία δωματίου.
Η ενέργεια ιοντισμού ενός ατόμου υδρογόνου είναι 1310 kJ/mol ή 2,18*10 -18 ανά άτομο. Η ενέργεια του ομοιοπολικού δεσμού σε ένα μόριο υδρογόνου είναι 432 kJ/mol ή 7,18*10 -19 J ανά μόριο. Η απόσταση στην οποία πρέπει να συρθούν τα ηλεκτρόνια μακριά από τα άτομα, θα πάρουμε ως 10 -10 m, φαίνεται να είναι αρκετή. Έτσι, η δύναμη που ασκείται σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε ένα μόριο υδρογόνου κατά τη διάρκεια του ιονισμού πρέπει να είναι ίση με 5,10 * 10 -8 N. Για ένα ηλεκτρόνιο - 2,55 * 10 -8 N.
Σύμφωνα με το νόμο του Coulomb
R = sqrt(kQq/F)
Για μια μαύρη τρύπα 14 κιλοτόνων έχουμε R = sqrt (8,99*10 9 *0,0117*1,6*10 -19 /2,55*10 -8) = 2,57 cm.
Τα ηλεκτρόνια που σκίζονται από άτομα λαμβάνουν αρχική επιτάχυνση τουλάχιστον 1,40 * 10 32 m/s 2 (υδρογόνο), ιόντα - τουλάχιστον 9,68 * 10 14 m / s 2 (οξυγόνο). Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι όλα τα σωματίδια του απαιτούμενου φορτίου θα απορροφηθούν από τη μαύρη τρύπα πολύ γρήγορα. Θα ήταν ενδιαφέρον να υπολογίσουμε πόση ενέργεια σωματίδια του αντίθετου φορτίου θα έχουν χρόνο να ρίξουν στο περιβάλλον, αλλά η καταμέτρηση ολοκληρωμάτων σπάει :-(Δεν ξέρω πώς να το κάνω αυτό χωρίς ολοκληρώματα :-(Παρουσιαστικά, τα οπτικά εφέ θα ποικίλλουν από πολύ μικρή μπάλα αστραπή έως εντελώς αξιοπρεπή βολίδα.
Με άλλα διηλεκτρικά, μια μαύρη τρύπα κάνει περίπου το ίδιο πράγμα. Για το οξυγόνο η ακτίνα ιονισμού είναι 2,55 cm, για το άζωτο είναι 2,32 cm, για το νέον είναι 2,21 cm και για το ήλιο είναι 2,07 cm. Για τους κρυστάλλους, η διαπερατότητα είναι διαφορετική σε διαφορετικές κατευθύνσεις και η ζώνη ιονισμού θα έχει πολύπλοκο σχήμα. Για το διαμάντι, η μέση ακτίνα ιονισμού (με βάση την τιμή του πίνακα της σταθεράς διαπερατότητας) θα είναι 8,39 mm. Είμαι σίγουρος ότι είπα ψέματα για μικρά πράγματα σχεδόν παντού, αλλά η τάξη μεγέθους θα έπρεπε να είναι έτσι.
Έτσι, μια μαύρη τρύπα, έχοντας μπει σε ένα διηλεκτρικό, χάνει γρήγορα το ηλεκτρικό της φορτίο, χωρίς να παράγει ειδικά εφέ, εκτός από τη μετατροπή ενός μικρού όγκου διηλεκτρικού σε πλάσμα.
Αν χτυπήσει σε μέταλλο ή πλάσμα, μια σταθερή φορτισμένη μαύρη τρύπα εξουδετερώνει το φορτίο της σχεδόν αμέσως.
Τώρα ας δούμε πώς το ηλεκτρικό φορτίο μιας μαύρης τρύπας επηρεάζει αυτό που συμβαίνει σε μια μαύρη τρύπα στα έγκατα ενός αστεριού. Στο πρώτο μέρος της πραγματείας, δόθηκαν ήδη τα χαρακτηριστικά του πλάσματος στο κέντρο του Ήλιου - 150 τόνοι ανά κυβικό μέτρο ιονισμένου υδρογόνου σε θερμοκρασία 15.000.000 Κ. Προς το παρόν, αγνοούμε ευθαρσώς το ήλιο. Η θερμική ταχύτητα των πρωτονίων υπό αυτές τις συνθήκες είναι 498 km/s, ενώ τα ηλεκτρόνια πετούν με σχεδόν σχετικιστικές ταχύτητες – 21.300 km/s. Η σύλληψη ενός τόσο γρήγορου ηλεκτρονίου με τη βαρύτητα είναι σχεδόν αδύνατη, επομένως η μαύρη τρύπα θα αποκτήσει γρήγορα θετικό ηλεκτρικό φορτίο μέχρι να επιτευχθεί μια ισορροπία μεταξύ της απορρόφησης πρωτονίων και της απορρόφησης ηλεκτρονίων. Ας δούμε τι είδους ισορροπία θα είναι.
Η δύναμη της βαρύτητας που επενεργεί στο πρωτόνιο από την πλευρά της μαύρης τρύπας
F p \u003d (GMm p - kQq) / R 2
Η πρώτη "ηλεκτροδιάστημα" :-) ταχύτητα για μια τέτοια δύναμη προκύπτει από την εξίσωση
mv 1 2 /R = (GMm p - kQq)/R 2
v n1 = sqrt((GMm n - kQq)/mR)
Η δεύτερη «ηλεκτροκοσμική» ταχύτητα του πρωτονίου είναι
v n2 = sqrt(2)v 1 = sqrt(2(GMm n - kQq)/(m n R))
Επομένως, η ακτίνα απορρόφησης πρωτονίων είναι ίση με
R p = 2 (GMm p - kQq)/(m p v p 2)
Ομοίως, η ακτίνα απορρόφησης ηλεκτρονίων είναι
R e \u003d 2 (GMm e + kQq) / (m e v e 2)
Για να απορροφηθούν τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια με ίση ένταση, αυτές οι ακτίνες πρέπει να είναι ίσες, δηλ.
2(GMm p - kQq)/(m p v p 2) = 2(GMm e + kQq)/(m e v e 2)
Σημειώστε ότι οι παρονομαστές είναι ίσοι και μειώστε την εξίσωση.
GMm p - kQq = GMm e + kQq
Παραδόξως, τίποτα δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία του πλάσματος. Εμείς αποφασίζουμε:
Q \u003d GM (m p - m e) / (kq)
Αντικαθιστούμε τους αριθμούς και με έκπληξη παίρνουμε Q \u003d 5,42 * 10 -22 C - λιγότερο από το φορτίο ηλεκτρονίων.
Αντικαθιστούμε αυτό το Q σε R p = R e και με ακόμη μεγαλύτερη έκπληξη παίρνουμε R = 7,80 * 10 -31 - μικρότερη από την ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων για τη μαύρη τρύπα μας.
PREVED MEDVED
Το συμπέρασμα είναι η ισορροπία στο μηδέν. Κάθε πρωτόνιο που καταπίνεται από τη μαύρη τρύπα οδηγεί αμέσως στην κατάποση ενός ηλεκτρονίου και το φορτίο της μαύρης τρύπας γίνεται ξανά μηδέν. Η αντικατάσταση ενός πρωτονίου με ένα βαρύτερο ιόν δεν αλλάζει ουσιαστικά τίποτα - το φορτίο ισορροπίας δεν θα είναι τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερο από το στοιχειώδες, αλλά μία, οπότε τι;
Άρα, το γενικό συμπέρασμα είναι ότι το ηλεκτρικό φορτίο μιας μαύρης τρύπας δεν επηρεάζει σημαντικά τίποτα. Και φαινόταν τόσο δελεαστικό...
Στο επόμενο μέρος, αν ούτε ο συγγραφέας ούτε οι αναγνώστες βαρεθούν, θα εξετάσουμε μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα στη δυναμική - πώς ορμάει μέσα από τα έγκατα ενός πλανήτη ή αστεριού και καταβροχθίζει την ύλη στο δρόμο της.
