Czarne dziury i horyzont zdarzeń - wytłumaczone

in engrave •  6 months ago  (edited)

Zostałem poproszony o "łopatologiczne" opisanie, czym jest horyzont zdarzeń oraz osobliwość czarnej dziury. Odpowiedź wyszła mi nieco rozbudowana, więc zapraszam za dobry kwadrans czytania ( ͡° ͜ʖ ͡°).

Wytłumaczenie łopatologiczne zawsze będzie nosiło ze sobą jakieś przekłamania.Na potrzeby tego wprowadzenia opiszę najprostszy przykład czarnej dziury: kulistej, niekręcącej się, stojącej w miejscu oraz obserwowanej przez obserwatora znajdującego się daleko od niej.

Horyzont zdarzeń w wersji naiwnej

Z definicji, horyzont zdarzeń jest wyznaczany przez promień Schwarzchilda. Czym to dokładnie jest, wspomnę później, a teraz zastosuję analogię (i tu pojawia się pewne przekłamanie, jeśli ktoś chce być ścisły, jednak na razie musimy na to nie zważać). Jeśli, stojąc sobie na podwórku, podrzucisz kamień pionowo w górę, poleci on z pewną prędkością początkową, zacznie zwalniać, zatrzyma się na ułamek sekundy i zacznie na Ciebie spadać, o ile się nie odsunąłeś zawczasu. Wszystko, co wyleci z powierzchni Ziemi z jakąś niedostateczną prędkością początkową, zostanie wyhamowane przez grawitację planety, zatrzymane i przyciągnięte z powrotem w stronę jej środka masy. Co zrobić, żeby ciśnięty przez Ciebie kamień nigdy nie opadł na Ziemię? Rzucić go z taką prędkością początkową, by grawitacja Ziemi nie wyhamowała go nigdy, w dowolnie długim czasie. W praktyce liczy się prędkość takiego wyrzutu tak, by został wyhamowany w nieskończonej odległości (nieskończoności będą nam jeszcze tu towarzyszyły). W przypadku naszej planety taka prędkość to 11.2 km/s, co znaczy, że jeśli nadasz pociskowi prędkość 40 320 km/h pionowo w górę stojąc na podwórku, to ten już nigdy na Ziemię nie wróci. Ta prędkość początkowa obiektu ciśniętego nosi nazwę prędkość ucieczki (albo druga prędkość kosmiczna). Rzecz jasna, łatwiej będzie oderwać się na zawsze od Ziemi będąc już daleko od niej, bowiem prędkość ucieczki maleje z pierwiastkiem odległości do środka masy, od której chcemy uciec. Na przykład na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która orbituje 400 km nad naszymi głowami, prędkość ucieczki z Ziemi wynosi już 10.85 km/s (o ile się nie machnąłem przy liczeniu ;)). Także tym łatwiej będzie uciec od jakiegoś ciała, im dalej już od niego będziemy, a zarazem tym trudniej będzie uciec, im to ciało będzie bardziej masywne.

Horyzont zdarzeń Isaaca Newtona

Ten wstęp był potrzebny jako analogia do następnego eksperymentu myślowego. Jak wiesz, światło porusza się z prędkością 300 000 km/s. Tyle że nikt nie "rzucił" fotonem, ani nic fotonu nie napędza. Ta "prędkość" światła jest jego naturalną własnością, tak jak własnością materii jest masa, albo własnością protonu jest ładunek elektryczny. Możesz sobie teraz wyobrazić, że jest jakieś egzotyczny punkt w przestrzeni, w którym przyspieszenie grawitacyjne jest niemalże nieskończenie duże. Nie przejmuj się teraz, czy takie miejsca w ogóle istnieją, o tym za chwilę. Na bazie opowiadania ze wstępu domyślasz się już, że wpływ grawitacji będzie malał, jeśli obserwator będzie znajdował się coraz dalej od tego egzotycznego punktu z bajeczną grawitacją. Dajmy na to, że będąc tuż nad tym punktem, prędkość ucieczki będzie wynosiła 1 000 000 km/s. Jakąś odległość dalej od tego punktu prędkość ucieczki będzie już mniejsza: na przykład 600 000 km/s (tak samo jak na ISS jest mniejsza prędkość ucieczki, niźli z powierzchni Ziemi). Oddalając się w wyobraźni od tego centrum grawitacji znajdziemy w końcu taką odległość od niego, że prędkość ucieczki czegokolwiek od tego punktu, startując z miejsca, gdzie w tej chwili się znajdujemy, będzie wynosiła 300 000 km/s. To tyle samo, ile wynosi prędkość światła. Analogicznie do rzucania kamieniem, możemy "strzelić" fotonem w kierunku przeciwnym do tego egzotycznego punktu. Co się stanie? W klasycznym (i wadliwym, ale to tylko przybliżenie) rozumowaniu, foton zawiśnie sobie w przestrzeni: z jednej strony będzie przyciągany grawitacyjnie do egzotycznego punktu, a z drugiej strony wciąż będzie miał swoją naturalną prędkość 300 000 km/s. Taką trójwymiarową powierzchnię w przestrzeni, która mogłaby być hipotetycznie zbudowana z takich zawiśniętych fotonów, nazywamy horyzontem zdarzeń.

Coś tu jest nie tak? To analogia!

Uważny czytelnik na pewno zauwazył i może czuć się nieswojo, że początkowy przykład opierał się na przyspieszeniu, a w przykładzie powyżej posłużyłem się bezpardonowo prędkością. To jest problem z analogiami. Na szczęście, w tym przypadku analogia jest całkiem sprawna, bo istnieje niesamowity, ale i całkiem poprawny matematycznie model, który opisuje czasoprzestrzeń wokół czarnej dziury jako... czterowymiarowy wodospad. Możemy sobie traz wyobrazić taki... Czasoprzestrzeniospad, którego "woda", tj. czasoprzestrzeń, leci w kierunku środka czernej dziury tym szybciej, im bliżej środka masy czarnej dziury się ona znajduje. W tym przypadku horyzont zdarzeń jest w miejscu, w którym prędkość "spadku czaasoprzestrzeni" na czarną dziurę wynosi 300 000 km/s. Czy Wy też wyobrażacie sobie teraz fotonołososia, który próbuje płynąć w górę czasoprzestrzeniospadu? Świetnie! Fotonołososie mają to do siebie, że poruszają się wyłącznie z prędkością światła, więc jeśli wypuścimy takiego gdzieś nad horyzontem zdarzeń, będzie mógł uciec z dala od czarnej dziury. Jeśli wystartujemy go spod horyzontu zdarzeń, to nie ważna jak usilnie będzie się starał, nurk czasoprzestrzeni pociągnie go "w dół". Ale jeśli wypuścimy fotonołososia idealnie na horyzonacie zdarzeń i nadamy mu zwrot przeciwny do nurtu, jego prędkość wspinaczki idealnie zrównoważy prędkość nurtu i będzie on w stałej odległości od środka masy czarnej dziury. Przychodzi mi do głowy skrzyżowanie Syzyfa i Prometeusza. Biedny fotonołosoś. Czarne dziury są bezlitosne.

Horyzont zdarzeń a brak czasu

Podsumujmy co z tego może wyciągnąć obserwator patrzący na horyzont zdarzeń z zewnątrz: każdy foton wysłany znad horyzontu zdarzeń może sobie polecieć w kosmos, bo nad horyzontem zdarzeń prędkość ucieczki jest mniejsza od 300 000 km/s. Każdy foton wystrzelony na horyzoncie zdarzeń prostopadle do niego w górę, zawisa. Każdy foton, który został wystrzelony pod horyzontem zdarzeń... hmm, no cóż, tego już nasz obserwator nie dostrzeże, więc możemy tylko gdybać, że taki foton opadnie na egzotyczny punkt w środku horyzontu zdarzeń. Czego pewnie już się domyśliłeś, ten obiekt, który jest zamknięty przez horyzont zdarzeń, nazywamy czarną dziurą, bo nic, nawet światło, nie może z uciec z jego grawitacyjnej klatki. To właściwie tyle, jeśli chodzi o horyzont zdarzeń sam w sobie. Efekty spowodowane przez grawitację są całkiem ciekawe: na przykład obserwator stojący daleko od czarnej dziury, który patrzy na kolegę opadającego na horyzont zdarzeń, będzie widział, że ten kolega spowalnia, zamiast przyspieszać (a spadając swobodnie, powinien przyspieszać). Tak się dzieje ze względu na dylatację czasu, czyli rozciąganie wymiaru czasowego przez grawitację. Taki obserwator nigdy nie zobaczy, że jego kolega opadł na horyzont zdarzeń. Jeśli będzie czekał nieskończenie długo, to zobaczy, że opadł on nieskończenie blisko horyzontu, ale nie na sam horyzont.

Jeśli chodzi o śmiałego kolegę, to nie musisz się martwić. Wpadnie pod horyzont zdarzeń. Jednakże świadkiem tego wydarzenia będzie wyłącznie on sam. Co więcej: jakby opadać na taką supermasywną czarną dziurę, to przejście przez horyzont zdarzeń jest dość gładkie i nawet się tego nie zauważy.

Horyzont zdarzeń... Ziemi?

Czy tylko czarne dziury mogą mieć horyzont zdarzeń? No, z definicji to, co jest zamknięte przez horyzont zdarzeń, nazywamy czarną dziurą. A czarną dziurę można wyprodukować ze wszystkiego. Nawet z groszku konserwowego. Żeby to zrozumieć, musimy wrócić do początku opowieści, jakim była prędkość ucieczki. Na pokładzie ISS prędkość ucieczki z Ziemi jest 10.85 km/s. Na powierzchni Ziemi prędkość ucieczki z niej jest 11.2 km/s. Czy to znaczy, że jakby się dokopać do jądra Ziemi, to prędkość ucieczki byłaby nieskończenie wielka? No nie, bo w jądrze Ziemi będziemy przyciągani przez całą jej masę we wszystkich kierunkach, więc, jak na złość, będziemy w stanie nieważkości. Trzeba będzie wrócić na powierzchnię naszej planety, chwycić Ziemię po bokach (na przykład za USA i Indie), po czym ścisnąć tak, by masa całej Ziemi znalazła się w mniejszej objętości. Będzie z tego taka mniejsza, gęstsza Ziemia. Stojąc w miejscu, gdzie była kiedyś powierzchnia Ziemi, prędkość ucieczki wciąż będzie wynosiła 11.2 km/s (bo znajdujemy się ciągle w tej samej odległości od środka masy planety). Jednakże na powierzchni Ziemi, prędkość ucieczki wynosić już będzie więcej, dajmy 12.5 km/s. Jak widzisz, trzeba będzie po prostu ścisnąć masę Ziemi w odpowiednio małą objętość, aż na jej powierzchni prędkość ucieczki będzie wynosiła 300 000 km/s, co przyrówna powierzchnię Ziemi do horyzontu zdarzeń. Co się dalej będzie działo z materią planety? Materia nie ma jakieś naturalnej prędkości, jak to mają fotony, więc poddana będzie własnej grawitacji. Powierzchnia Ziemi będzie chciała się znaleźć bliżej swojego środka masy, co spowoduje, że Ziemia zacznie samograwitować (zapadać się sama w siebie). Nie wiemy, czy istnieje jakiś kres samozapadania się. Taki "końcowy produkt" materii, która się samozapadła w sobie pod horyzontem zdarzeń nazywamy osobliwością.

Każda materia może być zalążkiem czarnej dziury, bo posiada masę, a domeną masy jest grawitacja. Żeby dowiedzieć się, jaki ma być promień kuli, w której trzeba zamknąć daną masę, żeby wytworzyła ona horyzont zdarzeń, liczy się promień Schwarzschilda. Dla Ziemi wynosi on 9 milimetrów. Dla Słońca wynosi 3 kilometry. Dla ziarna groszku (siewnego, odmiany Cud Kalvedonu) promień Schwarzschilda jest równy 0.61 * 10 -20 metra, czyli jakieś sto tysięcy razy mniej od rozmiaru prostego jądra atomowego.

Na koniec:

  • w mechanice Newtona osobliwość jest punktem bez fizycznych rozmiarów
  • w kosmologii współczesnej osobliwość jest nieskończenie zakrzywioną czasoprzestrzenią
  • w kwantowych teoriach kosmologicznych osobliwość jest torusem (jak oponka)
  • w codziennym życiu osobliwość kosmiczna to tam, gdzie "Pan Bóg podzielił przestrzeń przez zero"



Bartłomiej


Ten wpis został opublikowany przeze mnie w pierwotnej formie na Mirkoblogu pod tagiem #astronomiaodkuchni. Obecnie zamieszczony na notaty.pl dzięki platformie dBlog.


Chcesz mi dać napiwek? Super! Możesz to zrobić na różne sposoby:
- głosując na ten wpis, jeśli jesteś w sieci Steem
- na Patronite - https://patronite.pl/debski
- BTC: 1MsXYZ3q2wLeh7YE3FD52mLuHadtXsF2Nn




Pierwotnie opublikowano na Notaty Obserwatora. Blog na Steem napędzany przez dBlog.

Authors get paid when people like you upvote their post.
If you enjoyed what you read here, create your account today and start earning FREE STEEM!
Sort Order:  

Świetny artykuł! Gratuluję i czekam na więcej :)

PS: Przydałby się jeszcze tag #polish dla lepszej widoczności posta ;)

Dzięki!
Prawdę mówiąc, musiałem sobie odświeżyć pamięć dotyczącą tagów. Ostatni raz coś tu zamieściłem bardzo dawno temu. Następne wpisy będą już w #polish :)

Tagi możesz edytować w dowolnej chwili (oprócz pierwszego tagu, on jest niezmienialny)

Hi! I am a robot. I just upvoted you! I found similar content that readers might be interested in:
https://www.wykop.pl/wpis/11261804/zostalem-poproszony-o-lopatologiczne-opisanie-czym/

Congratulations @debski! You have completed the following achievement on the Steem blockchain and have been rewarded with new badge(s) :

You published more than 10 posts. Your next target is to reach 20 posts.

You can view your badges on your Steem Board and compare to others on the Steem Ranking
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word STOP

Do not miss the last post from @steemitboard:

SteemitBoard supports the SteemFest⁴ Travel Reimbursement Fund.
Vote for @Steemitboard as a witness to get one more award and increased upvotes!

Ciekawy i dobrze napisany tekst, dowiedziałem się parę nowych rzeczy o czarnych dziurach.