Почему время у черной дыры замедляется

Немного о времени

Ход времени нельзя повернуть назад. Время своими свойствами резко отличается от трех других пространственных компонент в пространственно‑временном континууме. Время может замедлиться или ускориться, что доказывается экспериментальными данными.

Такие вот случайно выхваченные из разных теорий свойства. Такое вот оно — это обидчивое время. Но, дальше‑больше.

«На границе наблюдаемой Вселенной происходит нечто»,‑ считает Кэти Мак, астрофизик из Института теоретической физики Периметра в Канаде. «Вселенная расширяется после Большого взрыва, и это расширение растягивает время. Когда вы видите вещи в очень далекой Вселенной, из‑за расширения Вселенной для того, чтобы все произошло, требуется больше времени» — говорит она.

Там где гравитация очень сильна, время, как мы его понимаем, может полностью разрушиться. Возле горизонта событий черных дыр мощное гравитационное притяжение резко замедляет время. А при пересечении горизонта пространство и время «меняются» местами.

Поинтересуемся, как же ведут себя взаимодействия между различными системами, а также непосредственно пространство, материя и энергия в замедленном или почти «остановившимся» времени. Ученые практически не озадачиваются этим вопросом — говоря «ведут себя одинаково», точно так же как и в любом временном масштабе, вводя при этом понятие собственного (внутреннего) времени. То есть, не смотря на то,

• что мы имеем «проблемы» с малыми размерностями в пространстве (неопределенность Гейзенберга),
• что мы почти уверены в существовании квантов пространства (петлевая квантовая гравитация),
• что мы почти подошли к признанию неделимого (в очень малых масштабах) промежутка времени (планковское время)

нам без всякого доказательства постулируется тезис: ни при каком замедлении, ни при каком ускорении (течении) времени никаких дополнительных эффектов не происходит ни у энергии, ни у материи, ни у пространства. То есть, замедлив течение времени при ускорении ракеты (конечно же, для внешнего наблюдателя) мы не заметим ничего, так как живем по внутренним часам.

Давайте снова обратимся к черным дырам. Теория говорит: материя, падающая в черную дыру упадет в неё за ограниченное время по внутренним часам, за «спагетифицируется» и приблизится к сингулярности. Странность заключена в том, что масса черной дыры растет, горизонт событий увеличивается, а материя и энергия в черную дыру по нашим часам не попадает. Да ладно бы наши часы, она не попадает за горизонт по часам всей окружающей Вселенной. По часам всех законов Вселенной снаружи от горизонта событий, по часам всех взаимодействий, происходящих снаружи черной дыры. За все время жизни Вселенной материя не упадет в черную дыру по часам внешнего наблюдателя.

1. Обычно дотошные наблюдатели говорят о том, что «застревает» свет — мы не увидим падение частицы в черную дыру, но это оптическая иллюзия, а реально частица падает за короткий срок. Однако, изучение движения частицы в поле Шварцшильда в свободном падении по геодезической приводит нас к выражению

где r_g — радиус Шварцшильда, m – масса покоя частицы, с –скорость света и Е полная энергия частицы. Время движения частицы от r = r₁ к горизонту события r_g определяется интегрированием указанного выражения, причем интеграл расходится при r → r_{g .} Это означает, что по часам далекого наблюдателя частица никогда не пересечет горизонт событий, так как время до горизонта будет равно ∞ [1]. Следовательно, речь идет не только о застрявшем свете, как оптической иллюзии, но и застрявшем гравитационном эффекте и всем, что наблюдается и соответственно откликается в этом процессе с внешней стороны от горизонта событий.

2. Ничего, скажет дотошный наблюдатель, все черные дыры ДОЖИВУТ свою жизнь по своим внутренним часам, по которым материя попадет внутрь черной дыры за конечный срок. А кто сказал, что окружающее пространство позволит ДОЖИТЬ? Умирающее окружающее пространство, живущее в своем «коротком» времени свой «короткий» срок. Перестанет существовать пространство, кончится время жизни Вселенной, каждого, каждого листа времени, окружающего черную дыру. Куда черная дыра будет испаряться и главное в чем существовать — Вселенная умерла.

Конечно же, выше приведены гипотетические рассуждения, но подобных «аргументов» найдется великое множество. Это говорит о том, что имеют право на обсуждение и альтернативные точки зрения на время, поскольку в фундаменте этого явления есть неприятные «шероховатости».

Некоторые ученые, изучающие микроскопические взаимодействия фундаментальных частиц, ставят под сомнение саму идею времени. Почти сорок лет назад известный физик Джон Уилер из Принстона и Брайс де Витт из Университета Северной Каролины разработали экстраординарное уравнение, которое обеспечивало возможную платформу для объединения относительности и квантовой механики [2]. Уравнение Уилера‑Де Витта не содержит временной переменной. Он сразу стало спорным, в частности, потому, что добавляло еще один непонятный поворот в нашем понимании времени. «Времени никогда не было, нет и никогда не будет. Оно только в наших головах и уравнениях, которые мы используем каждый день. Во Вселенной процессы не обязаны подчиняться какой‑то периодичности и интервалам. Нам неизвестны явления способные описать время», — говорил при жизни Джон Уилер.

«Можно сказать, что время просто исчезло из уравнения Уилера‑Де Витта. Это вопрос, которым озадачены многие теоретики. Возможно, лучший способ мышления о квантовой реальности — отказаться от понятия времени, чтобы фундаментальное описание вселенной было вневременным» — говорит Карло Ровелли, физик из Университета Средиземноморья в Марселе, самый продвинутый теоретик в вышеупомянутой петлевой квантовой гравитации.

В рамках квантовой химии явным образом определяется и решается стационарное уравнение Шредингера не зависящее от времени для молекулярных систем с большим набором ядер и электронов ĤΨ = ЕΨ , где Ĥ –оператор Гамильтона, а Е полная энергия системы [3].

В микромире есть элементарные процессы в которых элементы пространства и материи (или энергии) непрерывно взаимодействуют друг с другом с определенными скоростями и для описания этих взаимодействий время не нужно. Периодически появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагается независимость от причинно‑следственных связей. С другой стороны в квантовом мире время должно квантоваться и демонстрировать вероятностную неопределенность. Эти требования вносят заметный дискомфорт и разлад в сложившуюся картину мира и описывающие его модели.

Ньютон, вводя в своем труде «Математические начала натуральной философии» писал, что нельзя измерить Абстрактное время, но если предположить, что оно существует, получается удобная и эффективная конструкция для описания природы. Таким образом, наше обыденное чувство времени есть лишь некое приближение, некая абстракция, которая хорошо работает в макромире.

Обратившись к сути вопроса времени и его измерению, можно увидеть, что мы просто измеряем скорости тех или иных процессов. В химии, например, время это скорость химических реакций. И для человека время это скорость его химических реакций, скорость взаимодействия химических процессов, а деградация этих процессов соответственно старость. В квантовом мире время это скорость взаимодействия ковариантных квантовых полей. Упрощенно, время это счетчик этих взаимодействий.

Время это придуманная человеком удобная абстракция для обобщения скоростей миллионов различных взаимодействий и характеризирующая эти взаимодействия одним параметром. Нам удобно манипулировать этим усредненным параметром вместо наблюдения за каждым взаимодействием в отдельности, нам удобно считать, что существует единое время, которое лежит в основе каждого движения или процесса.

Заменяя абстрактное понятие времени на скорость взаимодействия, можно прийти к более удачным конструкциям в уравнениях и избежать многочисленных временных парадоксов. К примеру, квантовые события в планковских масштабах в новой парадигме больше не упорядочены ходом времени, изменения в квантовых полях происходят и они характеризуются скоростями протекания при взаимодействии между собой. В квантовой физике «не существование» привычного времени и обыденного пространства просто характеристика квантового взаимодействия.

Добавим, что скорость обладает «временными» свойствами, такими как одно направленность и квантовая не детерминированность. Скорость взаимодействий может меняться, увеличивать или уменьшаться. Выраженное через нее время также приобретает эти свойства, убирая логический дискомфорт в формулах и придавая значимость в рассуждениях и доказательствах.

Нам не надо заботиться о сохранении всех законов природы для малых и больших времен (в парадигме самого времени), все достигает логичной гармонии в рамках взаимодействий между системами и скоростей этих взаимодействий.

Итак, в моделях мира одним из основных параметров по сути является скорость, а время его удобное, постоянно применяемое, но абстрактное обобщение.

Литература

1. Новиков И.Д., Фролов В.П., Физика черных дыр., Москва «Наука», 1986, ( стр. 14)
2. Торн К., Уилер Дж., Гравитация.
3. Новаковская Ю.В., «Квантовая химия — Общие представления об описании молекулярных систем».

Искривления пространства и времени у черной дыры в точных цифрах

Все три аспекта искривления пространства – времени (искривление пространства, замедление и искажение времени, пространственный вихрь) описываются математическими формулами. Эти формулы были выведены из теории относительности Эйнштейна. Результаты их прогнозов отображены на рис. 5.5 количественно – в отличие от рис. 5.1–5.4, изображающих искривления лишь качественно.

Рис. 5.5. Численно точное изображение искривления пространства и времени вблизи быстровращающейся черной дыры. Скорость вращения составляет 99,8 процента от максимально возможной (Рисунок Дона Дэвиса по моему наброску.)

Искривленная форма поверхности на рис. 5.5 в точности такова, какой мы бы видели экваториальную плоскость дыры из балка. Изменяющиеся цвета отображают замедление времени, как если бы его замерял некто, зависнув на постоянной высоте над горизонтом. В области перехода от синего цвета к зеленому скорость течения времени составляет 20 процентов от его скорости вдалеке от дыры. В области перехода от желтого к красному время замедляется до 10 процентов от его «нормальной» скорости. А у самого подножия, в районе черной окружности, время замирает. Это горизонт событий; он выглядит как окружность, а не как сфера, поскольку мы рассматриваем лишь экваториальную плоскость и используем только два измерения нашей Вселенной (нашей браны). Если бы мы восстановили третье пространственное измерение, горизонт выглядел бы сплюснутой сферой – сфероидом. Скорости, с которой пространство закручивается вокруг черной дыры, показаны белыми стрелками: на горизонте событий пространственный вихрь вращается быстро, а по мере того, как мы будем подниматься на космическом корабле вверх, он будет замедляться.

На численно точном рис. 5.5 не показана внутренняя область дыры. Об этом мы поговорим позже, в главах 26 и 28.

Искривление, показанное на рис. 5.5, являет собой сущность черной дыры. Из его подробного математического описания физики могут получить любые сведения о дыре, за исключением природы сингулярности, находящейся в ее центре. Чтобы разобраться с сингулярностью, нужны малоизученные законы квантовой гравитации (см. главу 26).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

1. Миры за пределами пространства и времени

1. Миры за пределами пространства и времени Я хочу знать, как Бог сотворил этот мир. Меня не интересует то или иное явление. Я хочу знать Его мысли, остальное — частности. Альберт

Черные дыры и структура пространства-времени

Черные дыры и структура пространства-времени

Черные дыры и структура пространства-времени

Черные дыры и структура пространства-времени 1. Черные дыры 2. Черные дыры и квантовая механика 3. Разрешение загадок 4. Структура пространства-времени

4. Структура пространства-времени

4. Структура пространства-времени Все эти идеи глубоко затрагивают наши представления о структуре пространства-времени. Обратите внимание, что начали мы с теории поведения частиц на сферической плоскости, ограничивающей черную дыру, то есть имели дело с 2+1

1 РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

1 РЕАЛЬНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ глава, в которой Эйнштейн разрушает абсолютное пространство и время Ньютона Профессору Вильгельму Оствальду, 13 апреля 1901 Лейпцигский университет, Лейпциг, Германия Высокочтимый господин Профессор! Пожалуйста, простите отца, который

2 ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

2 ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ глава, в которой Герман Минковский объединяет пространство и время, а Эйнштейн их искривляетАбсолютное пространство-время МинковскогоПредставление о пространстве и времени, которое я хочу раскрыть перед вами, уходит корнями в

Глава 12. Конец пространства-времени

Глава 12. Конец пространства-времени Должность Лукасовского профессора математической физики в Кембридже Стивену Хокингу предложили в 1979 году. Одна из самых престижных академических должностей в мире, которую занимали Исаак Ньютон и Пол Дирак, теперь была предложена

4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация

4. Искривления пространства и времени, приливная

Эйнштейновский закон искривления времени

Эйнштейновский закон искривления времени Эйнштейн бился над загадками гравитации с 1907 года. Наконец в 1912 году его посетило гениальное озарение. Он понял, что массивные тела вроде Земли или черных дыр могут искривлять время и это искривление является причиной

Муравей на батуте: искривленное пространство черной дыры

Муравей на батуте: искривленное пространство черной дыры Представьте, что вы муравей, который живет на детском батуте – резиновом полотнище, натянутом между высокими шестами. Под тяжестью лежащего на нем камня батут прогибается вниз (рис. 5.1). Вы – слепой муравей

Линзирование невращающейся черной дыры

Линзирование невращающейся черной дыры Чтобы разобраться с узором из гравитационно линзированных звезд вокруг тени, а также с мнимым движением звезд при перемещении камеры, рассмотрим сначала невращающуюся черную дыру и лучи света, исходящие от единственной звезды

Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа

Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа Пространственный вихрь, образующийся из-за огромной скорости вращения Гаргантюа, влияет на гравитационное линзирование. Звездный узор на рис. 8.1 (Гаргантюа) заметно отличается от изображенного на рис. 8.4

Гравитационные пращи у двойной черной дыры

Гравитационные пращи у двойной черной дыры Третий способ – это моя собственная сумасбродная – крайне сумасбродная! – вариация одной из идей Дайсона [Dyson 1963].Представьте, что вы решили за несколько лет облететь изрядную часть Вселенной, совершив не просто

Нейтронная звезда на орбите вокруг черной дыры

Нейтронная звезда на орбите вокруг черной дыры Волны исходили от нейтронной звезды, вращающейся вокруг черной дыры. Звезда весила в 1,5 раза больше Солнца, а черная дыра – в 4,5 раза больше Солнца, при этом дыра быстро вращалась. Образованный этим вращением

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация Об истории эйнштейновских концепций искривления времени и пространства и их связи с приливной гравитацией и законами теории относительности можно прочитать в первых двух главах моей книги «Черные

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация

Глава 4. Искривления пространства и времени, приливная гравитация Простейшее количественное представление эйнштейновского закона искривления времени: положите рядом две пары одинаковых часов, чтобы они находились в покое друг относительно друга и находились

Насколько замедляется время вблизи черной дыры?

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация — это не сила между двумя объектами, а искривление пространства-времени, вызванное присутствием массивных объектов. Другими словами, массивные объекты, такие как черные дыры, создают «колодец» в пространстве-времени, который заставляет другие объекты двигаться к ним. Одним из следствий этой кривизны пространства-времени является то, что само время ведет себя по-разному вблизи массивных объектов. В частности, кажется, что время течет медленнее в более сильных гравитационных полях — явление, известное как замедление времени. Вблизи черной дыры гравитационное поле настолько сильное, что замедление времени становится чрезвычайно заметным. Когда объект приближается к черной дыре, кажется, что его часы замедляются, если смотреть из отдаленной точки космоса. Этот эффект связан с тем, что искривление пространства-времени вблизи черной дыры намного сильнее, чем в других областях пространства. Степень замедления времени вблизи черной дыры зависит от нескольких факторов, включая массу и вращение черной дыры, расстояние от черной дыры и скорость наблюдателя относительно черной дыры. Чем ближе наблюдатель к горизонту событий черной дыры, тем сильнее гравитационное поле и тем больше замедление времени. Например, предположим, что часы находятся на расстоянии 10 километров от черной дыры массой в 10 масс Солнца. С точки зрения удаленного наблюдателя часы будут идти медленнее, чем часы, расположенные далеко от черной дыры, примерно в 1,00000023 раза. Если бы часы находились сразу за горизонтом событий, коэффициент замедления времени был бы намного больше, из-за чего казалось бы, что время течет намного медленнее, чем на большем расстоянии. Эти эффекты наблюдались косвенно с помощью различных средств, включая поведение звезд и газовых облаков вблизи черных дыр, изучение гравитационных волн и эксперименты с высокоточными атомными часами. Изучение черных дыр и влияния гравитации на время продолжает оставаться активной областью исследований в астрофизике и теоретической физике.

Российский ученый объяснил замедление черных дыр

Российский астроном Елена Норхина разработала математическую модель, позволяющую объяснить взаимное влияние черных дыр и джетов — невероятно быстрых струй плазмы, которые черные дыры выбрасывают на колоссальные расстояния. Работа Норхиной позволила объяснить замедление вращения черных дыр — загадку,над которой астрономы бились не один год.

В лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ разработали модель, позволяющую проверить одну из гипотез, описывающую взаимодействие сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик с джетами — огромными струями плазмы, которые на скорости, близкой к скорости света, вылетают из черных дыр. Модель позволяет по измеренному магнитному полю джета предсказать потери вращательной энергии испускающей его чёрной дыры. Работа опубликована в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

Сегодня астрофизики наблюдают сотни джетов — мощных струй, вырывающихся со скоростями, близкими к скорости света (релятивистскими), из активных ядер галактик — сверхмассивных чёрных дыр. Их размеры огромны даже на фоне других астрономических объектов: длина джета может достигать нескольких процентов радиуса галактики, и быть примерно в 300 тысяч раз больше размера испускающей его чёрной дыры. Джеты позволяют заглянуть в глубокое прошлое Вселенной. Однако у учёных до сих пор остается много вопросов о том, как устроены эти объекты. Доподлинно не известно даже из чего состоят джеты, поскольку при их наблюдении не регистрируются спектральные линии, по которым обычно определяют химический состав далеких излучающих объектов. Сегодня принято считать, что джеты состоят из электронов и позитронов или протонов.

Вращающиеся чёрные дыры с аккреционным диском (движущимся вокруг центрального тела веществом), рождающие джеты, считаются самыми эффективными естественными двигателями. КПД джетов, которые выбрасываются активными ядрами галактик, порой превышает 100%, если рассчитать эффективность системы «джет + чёрная дыра + аккреционный диск» как отношение энергии, уносимой джетом, к энергии аккрецируемого (падающего) на чёрную дыру вещества. Второй закон термодинамики, отрицающий возможность существования вечных двигателей, при внимательном рассмотрении в этом случае не нарушается. Оказывается, что в энергию джета делает свой вклад процесс замедления вращения чёрной дыры. Испуская джет, чёрная дыра едва заметно тормозит своё вращение.

Можно провести аналогию с электровелосипедом, который приводится в движение не только мускульными усилиями ездока, то есть внешним фактором (как энергия аккрецируемого вещества), но также встроенным электромотором — внутренним источником (как энергия вращения чёрной дыры).

Джет позволяет чёрной дыре избавиться от избыточного вращательного момента, который она получает от аккрецируемого вещества, вращающегося с высокой скоростью. Аналогичные эффекты астрофизики давно наблюдают в молодых звёздах. В процессе формирования на звезду оседает вещество аккреционного диска, обладающее гигантским угловым моментом. При этом наблюдаемая скорость вращения таких звёзд очень мала. Весь избыточный вращательный момент уходит в узкие джеты, испускаемые этими звёздами.

Сравнительно недавно у астрофизиков появился метод, с помощью которого можно определять магнитное поле в джетах активных ядер галактик. В своей работе астрофизик Елена Нохрина показала, что с помощью этого метода можно оценить наличие энергетического вклада от замедления вращения чёрной дыры в общую мощность джета. До сих пор формула, дающая ответ на вопрос, имеет ли место перетекание энергии вращения чёрной дыры в энергию джета, не была проверена на данных, полученных из наблюдений. При этом важный параметр, определяющий темп потерь вращательной энергии черной дыры — скорость ее вращения — не удается пока достоверно оценить по наблюдениям.

Сверхмассивная чёрная дыра, окруженная аккреционным диском, испускает джет.

Чёрная дыра не может иметь собственного магнитного поля. Но вокруг неё создаётся вертикальное магнитное поле, связанное с магнитным полем вещества аккреционного диска. Для оценки потерь чёрной дырой энергии вращения нужно выяснить величину потока магнитного поля, проходящего через горизонт чёрной дыры.

«Поскольку магнитный поток сохраняется, то, измеряя его величину в джете, мы получим поток магнитного поля вблизи чёрной дыры. Зная массу чёрной дыры, можно вычислить расстояние от оси её вращения до горизонта событий (условной границы чёрной дыры), тогда становится возможным оценить разность потенциалов между осью вращения и границей чёрной дыры. Получить величину электрического тока вблизи чёрной дыры можно из условия экранирования электрического поля в окружающей плазме. Зная ток и разность потенциалов, можно оценить энергетические потери вращения чёрной дыры», — рассказывает автор работы, заместитель руководителя лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Елена Нохрина.

Проделанные расчёты указывают на корреляцию величины полной мощности испускаемого чёрной дырой джета с потерями вращательной энергии чёрной дыры. Стоит отметить, что до недавнего времени для простоты в моделях использовалась однородная поперечная структура джетов. Для более корректных оценок была использована модель, учитывающая неоднородную поперечную структуру магнитного поля джета.

Поперечная структура магнитного поля джета.

В случае далёких галактик наблюдаемая картина магнитного поля джета выглядит достаточно размыто, для большинства джетов поперечная структура не видна. Поэтому экспериментально измеренное магнитное поле сопоставляется с его модельной поперечной структурой для оценки величин компонентов магнитного поля. Именно учет поперечной структуры позволяет проверить механизм потерь без информации о скорости вращения черной дыры.

Переносимое джетом количество энергии, согласно рассмотренной гипотезе, зависит от потока магнитного поля и скорости вращения чёрной дыры. Таким образом можно оценить вклад в мощность джета потерь вращательной энергии чёрной дырой. Замечательным результатом этой теоретической работы стала возможность получить оценку потери вращательной энергии чёрной дырой, измеряя магнитное поле в джете, без информации о скорости вращения чёрной дыры.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.