Wpis z mikrobloga

Zostałem poproszony o "łopatologiczne" opisanie, czym jest horyzont zdarzeń oraz osobliwość czarnej dziury. Odpowiedź wyszła mi nieco rozbudowana, więc zamiast komentarza dodaję cały wpis ( ͡° ͜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.

Napiszę najpierw o horyzoncie zdarzeń. 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, 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 dla wyhamowania obiektu 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, jeden czort). 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.

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 to 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.

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.

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 na USA i Indie), po czym ścisnąć tak, by masa całej Ziemi znalazła się w mniejszej objętości. 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

No, @Nedved, mam nadzieję, że to wystarczy jako odpowiedź na Twoje pytanie ( ͡º ͜ʖ͡º).

#ciekawostki #astronomia #fizyka
oraz mój tag: #astronomiaodkuchni, bo jednak #czarnedziury są powiązane jakoś z #kosmos
  • 182
  • Odpowiedz
@Al_Ganonim: Jeśli wziąć by tą analogię z lejkowatym wodospadem, to można by wtedy traktować masę jako coś co pochłania przestrzeń, a grawitacja byłaby tylko ubocznym efektem samego ruchu przestrzeni wynikającym z jej pochłaniania (wtedy ta hipotetyczna ciemna energia odpowiedzialna za rozszerzanie wszechświata byłaby kreowaniem nowej przestrzeni). Przy takiej interpretacji, horyzont zdarzeń byłby powierzchnią w którym prędkość przepływu przestrzeni byłaby równa prędkości światła.

Ciekami mnie jakby wyglądał następujący eksperyment: spadam do
  • Odpowiedz
@enron: dokładnie tak, wejde sobie w wolnej chwili w swoj profil i znajde wpis po komentarzach :P


@kamdz: hm, to mój wypok jakiś zepsuty jest bo nie mogę znaleźć nawet po nickach osób z którymi dyskutowałem :)
  • Odpowiedz
@albireoima: w miarę zbliżania się do horyzontu, kulka będzie coraz bardziej czerwona, aż w końcu przestaniesz widzieć jej światło, bo będzie ono wysyłane w promieniowaniu niewidocznym dla ludzkiego oka. Po przekroczeniu horyzontu zdarzeń fotony z kulki nie będą już leciały w Twoim kierunku.
  • Odpowiedz
@Al_Ganonim: No właśnie nie jestem tego pewien (tak jak opisałeś by było jeśli spadałaby sama kulka), jeśli kulka spada w (mniej więcej) stałej odległości przede mną (po to ten sznurek), to jeśli miałaby stawać się coraz bardziej czerwona (a w końcu zniknąć), to chyba różnica sił grawitacji działających na kulkę powinna być wystarczająca do zerwania sznurka.
  • Odpowiedz
@albireoima: W przypadku małych czarnych dziur, owszem. Zerwanie sznurka nastąpi jeszcze przed horyzontem zdarzeń. Ale dla dużych, supermasywnych czarnych dziur, zerwanie sznurka odbędzie się dopiero po przekroczeniu tego horyzontu.
  • Odpowiedz
@Al_Ganonim: A ja mam pytanie z innej beczki. Skoro czarna dziura przyciąga materię, to materia ta zostaje wessana ostatecznie w sam jej środek i ściśnięta. Ale nie może być ściśnięta do zera, więc zbierana przez długi czas materia teoretycznie powinna w centrum czarnej dziury budować jakieś ciało. Ciało, którego gęstość/masa zmniejsza się wraz z oddalaniem się od jego centrum. Czy w teorii nie byłoby możliwe, aby proces ten, trwający odpowiednią
  • Odpowiedz
@sleep-walker: Ściskanie materii do zerowej objętości wytwarza coś, co nazywamy osobliwością. W centrum czarnej dziury pojawiają się dziwne rzeczy, jakieś nieskończoności, pozwijane przestrzenie i w ogóle białe plamy na mapie współczesnej fizyki. Gdyby skonstruować globus wiedzy i teorii fizycznych, to wnętrza czarnych dziur byłyby wielkim nic z podpisem: "Tu są smoki".
  • Odpowiedz
@albireoima: Zniknie z oczu. Najpierw z powodu przesunięcia światła ku czerwieni, a później, po przekroczeniu horyzontu zdarzeń, z powodu zmiany trajektorii fotonów. Siły pływowe działają niezależnie od innych efektów.
  • Odpowiedz
@Al_Ganonim: To ja też pozwolę sobie zadać Ci pytanie.
Wiadomo, że to co widzimy patrząc na CD (czarną dziurę) to horyzont zdarzeń. To jak z tym kolegą co upada ale będzie robił to nieskończenie długo. Idę tą drogą dalej.
Żeby zdobyć informacje o czymkolwiek musimy poddać to badaniu - działamy na to w znany nam sposób i mierzymy jak badany układ zmienił podany mu przez nas sygnał. Jak to się
  • Odpowiedz
@Al_Ganonim: No właśnie nie, przesunięcie ku czerwieni nie wystąpi, ponieważ zniweluje je to, że sam poruszałbym się w kierunku czarnej dziury (pamiętaj, że cały czas spadałoby się tuż za kulką), zmiana trajektorii fotonów też nie powinna mieć znaczenia, bo oznaczałoby to, że na fotony grawitacja działa w większym stopniu niż na materię, co byłoby raczej bezsensownie.
  • Odpowiedz
@albireoima: OK, racja. Jeśli będziesz tuż za kulką, a czarna dziura będzie potężna, to przesunięcie ku czerwieni będzie dość małe. Jednak po przekroczeniu horyzontu trajektoria fotonów nigdy nie będzie skierowana na horyzont od wewnątrz. Tak przynajmniej pamiętam. O tym, co się dzieje pod horyzontem, kłócić się nie będę. To jest poza moimi kompetencjami :).

@Analityk: tak jak piszesz, nie zobaczymy samego horyzontu zdarzeń, a jedynie wydarzenia mające miejsce
  • Odpowiedz
Co więcej: jakby opadać na taką supermasywną czarną dziurę, to przejście przez horyzont zdarzeń jest dość gładkie i nawet się tego nie zauważy.


@Al_Ganonim:
Gładkie i się nawet tego nie zauważy bo jakby na to nie patrzeć to się tego nie przeżyje.

Wpadając przez horyzont zdarzeń "na bombę" nasza głowa i koniec nóg będą przyciągane słabiej ze względu na krzywiznę horyzontu. Krzywizna ta jest naprawdę mała w stosunku do rozmiaru człowieka, ale wystarczająca by efekty grawitacyjne spowodowały
  • Odpowiedz