Czym jest osobliwość? Co znajduje się w centrum czarnej dziury? Szczególnie w odniesieniu do czasoprzestrzeni

Ponieważ mogę naprawdę myśleć o czasoprzestrzeni w 2 wymiarach jak arkuszu czegoś, moje założenia mogą być błędne na początek. Oglądałem film na YouTube o czarnych dziurach i był żart dotyczący czarnych dziur i ich wypaczania czasoprzestrzeni do tego stopnia, że ​​narrator powiedział coś w stylu „nie ma nic w centrum czarnej dziury oprócz grawitacji wypaczył czasoprzestrzeń tak bardzo, że to ten efekt otworkowy powoduje zachowanie czarnej dziury ” .

Moje pytania to:

1. Kiedy gwiazda umiera i zapada się w czarną dziurę, co znajduje się w jej centrum? Masa gwiazdy zwarta do długości deski, czy coś podobnego małego? Czy naprawdę nic nie jest w centrum czarnej dziury? Z pewnością rdzeń zamienił się w coś naprawdę małego, prawda?
2. Co oznacza osobliwość? Czy to właśnie wypaczanie czasoprzestrzeni sprawia, że ​​tak jest?

To jest więcej pytanie do stosu fizyki, ale dam mu szansę, ponieważ jest dość podstawowe.

Musisz coś zrozumieć, zanim zaczniemy. Teoretyczne ramy, które musimy zmierzyć i odpowiedzieć na tego rodzaju zjawiska, nazywa się ogólną teorią względności, zaproponowaną przez Einsteina w 1915 r. Opisują takie rzeczy, jak grawitacja, czarne dziury lub po prostu wszelkie zjawiska związane z dużymi gęstościami masy lub energii .

Jest jeszcze jeden rozdział fizyki o nazwie Mechanika Kwantowa. Zazwyczaj opisuje to, co dzieje się w bardzo małych skalach - rzeczy, które są bardzo małe.

Zarówno GR, jak i QM mają się dobrze na swój sposób. Oba są testowane pod kątem rzeczywistości i działają bardzo dobrze. Ale nie są ze sobą kompatybilne. Znaczenie: nie można opisać zjawiska jednocześnie z perspektywy GR i QM. Lub znaczenie: nie mamy spójnego zestawu równań, które moglibyśmy zapisać, a następnie „wydobyć” z nich albo widok rzeczywistości podobny do GR, albo widok podobny do QM.

Problem polega na tym, że środek czarnej dziury ma zarówno bardzo wysoką gęstość masy, jak i bardzo wysoką grawitację (a zatem dokładnie w polu GR), a także bardzo mały (a zatem „kwantowy”). Aby właściwie sobie z tym poradzić, musielibyśmy pogodzić GR i QM i pracować z oboma jednocześnie. W obecnej fizyce nie jest to możliwe.

Musimy trzymać się GR tylko na razie, kiedy mówimy o czarnych dziurach. Zasadniczo oznacza to, że wszystko, co mówimy o środku czarnej dziury, jest prawdopodobnie niekompletne i podlega dalszej rewizji.

Gwiazda umiera, zapada się w czarną dziurę, co jest w środku? Masa gwiazdy zagęszczona do rozmiaru deski lub coś podobnego małego? Czy naprawdę w środku czarnej dziury nie ma nic? Z pewnością rdzeń się zapadł, coś naprawdę małego, prawda?

Zgodnie z ogólną teorią względności, rozpada się aż do zera. Nie tylko „bardzo mały”, ale coraz mniejszy, aż osiągnie dokładnie zero. Gęstość staje się nieskończona.

Nie możesz powiedzieć „Długość deski”, ponieważ pamiętaj, że nie możemy łączyć GR i QM, po prostu nie wiemy jak. Wszystko, co tu mamy, to GR, a GR mówi, że idzie w dół.

Jest całkiem możliwe, że osobliwość nie jest fizyczna, ale tylko matematyczna - innymi słowy, to, co znajduje się w centrum, nie ma tak naprawdę zerowego rozmiaru. Zwłaszcza mechanika kwantowa byłaby obrażona przez rzeczy zerowej wielkości. Ale nie możemy tego powiedzieć na pewno, ponieważ nasza wiedza tutaj jest niepełna.

Używam słów takich jak „rozmiar” (co oznacza miejsce) i „staje się” (co oznacza czas). Ale zarówno przestrzeń, jak i czas w kontekście czarnej dziury są bardzo poważnie wypaczone. „Stawanie się” czarnej dziury aż do kropki o zerowym rozmiarze jest rzeczywistością tylko dla pechowego obserwatora, który ją złapie. Ale dla odległego, zewnętrznego obserwatora proces ten jest spowolniony i rozszerzony aż do plus nieskończoności (jest zakończony dopiero po nieskończenie długim czasie). Obaj obserwatorzy mają rację, BTW.

---

EDYTOWAĆ:

Kiedy więc mówimy, że „gęstość jest nieskończona, a wielkość jest zerowa przy osobliwości”, ten język dotyczy niefortunnego obserwatora ciągniętego w dół w środku początkowego zapadnięcia się gwiazdy.

Ale z perspektywy odległego obserwatora czarna dziura jest nadal kawałkiem masy (pierwotna gwiazda) w niezerowej objętości (horyzont zdarzeń BH). Dla tego obserwatora gęstość tego obiektu jest skończona, a jego rozmiar zdecydowanie nie jest zerowy. Z tej perspektywy wszystko, co wpadnie w BH, nigdy nie kończy, ale po prostu coraz bardziej zwalnia.

Obaj obserwatorzy mają rację. Pamiętaj więc, że kiedy mówię o „nieskończonej gęstości”, jest to punkt widzenia wewnętrznego obserwatora.

---

Czym jest osobliwość? Czy to właśnie wypaczanie czasoprzestrzeni sprawia, że ​​tak jest?

Otrzymujesz osobliwość, ilekroć w równaniach występuje podział przez zero, lub gdy równania źle się zachowują w tym momencie. Istnieje wiele różnych rodzajów osobliwości w nauce.

http://en.wikipedia.org/wiki/Mathematical_singularity

W kontekście czarnej dziury mówi się, że środek jest osobliwością grawitacyjną, ponieważ sugeruje się, że gęstość i grawitacja stają się nieskończone, zgodnie z równaniami GR.

GR mówi: kiedy masz wystarczająco dużą bryłę materii, zaczyna ona zapadać się tak mocno, że nic nie jest w stanie jej zatrzymać. Ciągle spada i spada na siebie, bez żadnych ograniczeń. Ekstrapoluj ten proces i łatwo zauważyć, że jego rozmiar dąży do zera, a gęstość dąży do nieskończonej wartości.

---

EDYTOWAĆ:

Mówiąc inaczej - jeśli gęstość staje się wystarczająco duża, grawitacja jest tak ogromna, że ​​żadna inna siła nie jest wystarczająco silna, aby się jej oprzeć. Po prostu miażdży wszystkie bariery, które się podnosi, aby przeciwdziałać dalszemu miażdżeniu. Ta bryła materii po prostu miażdży się, jej grawitacja przyciąga ją coraz mniejszą ... i mniejszą ... i tak dalej. Zgodnie z obecnymi teoriami nic nie może tego zatrzymać (QM może to zatrzymać, ale nie możemy tego udowodnić, ponieważ nie mamy matematyki). Więc po prostu spiralnie opada w błędnym cyklu stale rosnącej grawitacji, która się zwiększa.

Przestrzeń i czas są naprawdę patologiczne w horyzoncie zdarzeń. Jeśli już jesteś w środku, nie ma wyjścia. Nie dlatego, że nie możesz się wystarczająco szybko wyprowadzić, ale dlatego, że naprawdę nie ma wyjścia . Niezależnie od tego, w którą stronę się skręcisz, patrzysz na centralną osobliwość - zarówno w czasie, jak i przestrzeni. Nie ma możliwej do wytyczenia trajektorii, którą można by narysować, zaczynając od wnętrza horyzontu zdarzeń, która prowadziłaby na zewnątrz. Wszystkie trajektorie wskazują na osobliwość. Wszystkie możliwe futures, jeśli jesteś w horyzoncie wydarzeń, kończą się na centralnej osobliwości.

---

Dlaczego więc centrum czarnej dziury nazywa się „osobliwością”? Ponieważ wszelkiego rodzaju nieciągłości i podziały przez zero wyskakują z równań, kiedy przesuwasz matematykę do granic możliwości, próbując opisać sam środek czarnej dziury, w ramce GR.

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_singularity

Mówiąc ogólnie, fizycy nie lubią osobliwości. W większości przypadków oznacza to, że aparat matematyczny się zepsuł, i w tym momencie konieczne są inne obliczenia. Lub może to wskazywać, że ma tam miejsce nowa fizyka, zastępując starą fizykę.

I ostatnia rzecz: tylko dlatego, że nie mamy połączonej teorii GR / QM, aby w pełni opisać centrum czarnych dziur, nie oznacza to, że czyste badania GR w tej dziedzinie są „złe” lub „bezużyteczne”. Nie oznacza to, że można sobie wyobrazić dowolną fantazję mającą miejsce w czarnej dziurze.

Astronomowie w dzisiejszych czasach zaczynają obserwować obiekty kosmiczne, które są bardzo podobne do czarnych dziur , a ich obserwowane właściwości są bardzo zgodne z przewidywaniami GR dla takich rzeczy. Dlatego badania w tej dziedzinie muszą być kontynuowane, ponieważ są wyraźnie na właściwej drodze, przynajmniej w taki sposób, jaki możemy dziś zweryfikować w astronomii.

Jak powiedzieli inni matematycznie, osobliwość występuje wtedy, gdy następuje próba podzielenia przez zero. Weźmy na przykład czarną dziurę Schwarzschilda. To czarna dziura, która nie ma ładunku elektrycznego ani momentu pędu; tt jest najprostszym rodzajem czarnej dziury.

$$\mathrm{d}s^2 = -c^2\mathrm{d}t^2 + \mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2$$

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1-\frac{r_s}{r}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-\frac{r_s}{r}\right)^{-1}\mathrm{d}r^2 + r^2\left(\mathrm{d}\theta^2+\sin^2\theta\,\mathrm{d}\phi^2\right)$$ $r = 0$$r = r_s$$r_s$$y = 1/x$$x = 0$$r = 0$$r = r_s$

$r = 0$

Zasadniczo rozwiązania równań Einsteina dla czarnych dziur mówią nam tylko, że osobliwość jest punktem, w którym istnieje nieskończona krzywizna w przestrzeni i czasie. Wiemy o ich istnieniu jedynie za pomocą równań matematycznych, w przeciwieństwie do bezpośredniego odkrycia eksperymentalnego. Jednak osobliwości mogą być również po prostu wynikiem równań, które nie odnoszą się do osobliwości „nieskończonej krzywizny”, o których ogólnie się mówi. Osobliwości w równaniach nie zawsze są osobliwościami w świecie fizycznym.

2) Czym jest osobliwość? Czy to właśnie wypaczanie czasoprzestrzeni sprawia, że ​​tak jest?

Osobliwość to punkt w czasoprzestrzeni, w którym obecne modele fizyczne, których używamy do opisywania sił i jak zachowują się cząstki, rozpadają się, tzn. Nie dostarczają nam żadnych informacji (lub dają nam wszystkie informacje), a zatem nie można przewidzieć. Osobliwość można również opisać z różnych perspektyw:

• Osobliwość czasoprzestrzenna to rozpad geometrycznej struktury przestrzeni i czasu.

• W ogólnej teorii względności osobliwość to miejsce, do którego obiekty lub promienie świetlne mogą dotrzeć w skończonym czasie, w którym krzywizna staje się nieskończona, lub czasoprzestrzeń przestaje być różnorodna.

Ale wszystko sprowadza się do tego, o czym wspomniałem na początku.