wszechświat
Autor: Marek Abramowicz | dodano: 2012-08-23
Co widzi astronauta, gdy obróci się do tyłu ...


Co widzi astronauta, gdy obróci się do tyłu w momencie przekraczania horyzontu zdarzeń? Czy nie zobaczy całej przyszłości Wszechświata (w ułamku milisekundy)? I czy taki blask by go nie spalił?
Marcin Jaczewski z Gdyni

Odpowiada prof. Marek Abramowicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Göteborgu oraz Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.

Na pierwszą część pytania odpowiem, pokazując wyliczone w symulacji na superkomputerze obrazy widziane przez astronautę, który wpada do czarnej dziury. Policzyli je na moją prośbę, specjalnie dla Świata Nauki, dr Andrew Hamilton z University of Colorado oraz dr Axel Mellinger z Central Michigan University*.


Obrazy te są bardzo zdeformowane, ponieważ w pobliżu czarnej dziury geometria przestrzeni jest bardzo zakrzywiona i światło porusza się po zawiłych trajektoriach, jak to pokazuje rysunek 1. Niektóre trajektorie okrążają czarną dziurę, raz lub nawet więcej razy! Powoduje to powstawanie rozciągniętych łukowato obrazów. Wydają się one nawijać na czarny krąg, który jest „cieniem” czarnej dziury na niebie. Krąg ma nieco większą średnicę niż „rozmiar” czarnej dziury, półtora raza w przypadku, gdy czarna dziura nie rotuje.

Druga część pytania dotyczy pewnego dość rozpowszechnionego mylnego wyobrażenia, odpowiem więc od razu – nie, żaden astronauta nie zobaczy przyszłości Wszechświata w momencie wpadania do czarnej dziury, tzn. w momencie przekraczania horyzontu zdarzeń. Objaśnia to rysunek 2, pokazujący mapę czasoprzestrzeni przeskalowaną tak, że w skończonym kwadracie mieści się cała nieskończona czasoprzestrzeń. Granicami kwadratu są nieskończoności w przeszłości i w przyszłości, do których i z których dążą sygnały światła (boki kwadratu), podobne jak nieskończoności w przeszłości i w przyszłości, do których i z których dociera materia (wierzchołki) oraz bok (w odciętym rogu), obrazujący osobliwość wewnątrz czarnej dziury.

Takie mapy, nazywane diagramami Penrose’a, pokazują wszystkie możliwe zdarzenia w całej historii Wszechświata. Każde konkretne zdarzenie zachodzi w jakimś konkretnym miejscu i w jakiejś konkretnej chwili, czemu odpowiada jeden konkretny punkt na mapie. Ciągi zdarzeń, czyli historie cząstek, astronautów, planet, sygnałów światła i innych obiektów, układają się na mapie w linie, nazywane liniami świata. Linie świata obiektów materialnych, na przykład historia wpadającego do czarnej dziury astronauty (pokazana czarną linią z czerwonymi strzałkami) są liniami prawie pionowymi. Linie świata sygnałów świetlnych (niebieskie na mapie) nachylone są pod kątem 45°.

Ogólnie, im nachylenie bliższe 45°, tym obiekt porusza się z większą prędkością. We Wszechświecie nie wykryto obiektów z prędkościami nadświetlnymi. Takich obiektów najprawdopodobniej nie ma, więc na mapie nie ma linii świata o nachyleniu większym niż 45°. Zorientowane ku przyszłości strzałki pokazują, jak może rozchodzić się informacja wzdłuż linii świata. Wiedząc o tym, łatwo się przekonać, czy jakieś zdarzenie może być (w zasadzie) przyczyną lub skutkiem innego zdarzenia. Na przykład zdarzenie oznaczone kółeczkiem z numerem 2 nie może być ani przyczyną, ani skutkiem zdarzenia z numerem 1. Może być natomiast skutkiem zdarzenia 3 oraz przyczyną zdarzenia 4.

Wnętrze czarnej dziury zaznaczone jest na mapie ciemnym kolorem. Ma ono dwie granice: horyzont zdarzeń (pokazany zieloną linią) oraz osobliwość. Linie świata wszystkiego, co przekracza horyzont (czyli wpada do czarnej dziury) kończą się w osobliwości. To oznacza koniec istnienia – nie tylko fizyczne zniszczenie, ale koniec bytu jako takiego. Moment przekraczania horyzontu przez naszego astronautę pokazany jest jako kwadrat, wypełniony kolorem czerwonym i białym. Z mapy widać wyraźnie, że nie jest on przyczynowo połączony z przyszłością, co stanowi prostą odpowiedź na drugą część pytania: w momencie przekraczania horyzontu astronauta nie może zobaczyć przyszłości Wszechświata, a jego własna przyszłość ograniczona jest do krótkiej chwili (ułamka milisekundy w przypadku czarnych dziur w mikrokwazarach) przed wpadnięciem do osobliwości.

* Więcej podobnych obrazów ich autorstwa można znaleźć na stronie internetowej: http://casa.colorado.edu/~ajsh/schw.shtml

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 09/2012 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
17
W 1833 r. urodził się Lucjan Rydel, polski lekarz, okulista, profesor i rektor Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Marek Abramowicz | dodano: 2012-08-23
Co widzi astronauta, gdy obróci się do tyłu ...


Co widzi astronauta, gdy obróci się do tyłu w momencie przekraczania horyzontu zdarzeń? Czy nie zobaczy całej przyszłości Wszechświata (w ułamku milisekundy)? I czy taki blask by go nie spalił?
Marcin Jaczewski z Gdyni

Odpowiada prof. Marek Abramowicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Göteborgu oraz Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.

Na pierwszą część pytania odpowiem, pokazując wyliczone w symulacji na superkomputerze obrazy widziane przez astronautę, który wpada do czarnej dziury. Policzyli je na moją prośbę, specjalnie dla Świata Nauki, dr Andrew Hamilton z University of Colorado oraz dr Axel Mellinger z Central Michigan University*.


Obrazy te są bardzo zdeformowane, ponieważ w pobliżu czarnej dziury geometria przestrzeni jest bardzo zakrzywiona i światło porusza się po zawiłych trajektoriach, jak to pokazuje rysunek 1. Niektóre trajektorie okrążają czarną dziurę, raz lub nawet więcej razy! Powoduje to powstawanie rozciągniętych łukowato obrazów. Wydają się one nawijać na czarny krąg, który jest „cieniem” czarnej dziury na niebie. Krąg ma nieco większą średnicę niż „rozmiar” czarnej dziury, półtora raza w przypadku, gdy czarna dziura nie rotuje.

Druga część pytania dotyczy pewnego dość rozpowszechnionego mylnego wyobrażenia, odpowiem więc od razu – nie, żaden astronauta nie zobaczy przyszłości Wszechświata w momencie wpadania do czarnej dziury, tzn. w momencie przekraczania horyzontu zdarzeń. Objaśnia to rysunek 2, pokazujący mapę czasoprzestrzeni przeskalowaną tak, że w skończonym kwadracie mieści się cała nieskończona czasoprzestrzeń. Granicami kwadratu są nieskończoności w przeszłości i w przyszłości, do których i z których dążą sygnały światła (boki kwadratu), podobne jak nieskończoności w przeszłości i w przyszłości, do których i z których dociera materia (wierzchołki) oraz bok (w odciętym rogu), obrazujący osobliwość wewnątrz czarnej dziury.

Takie mapy, nazywane diagramami Penrose’a, pokazują wszystkie możliwe zdarzenia w całej historii Wszechświata. Każde konkretne zdarzenie zachodzi w jakimś konkretnym miejscu i w jakiejś konkretnej chwili, czemu odpowiada jeden konkretny punkt na mapie. Ciągi zdarzeń, czyli historie cząstek, astronautów, planet, sygnałów światła i innych obiektów, układają się na mapie w linie, nazywane liniami świata. Linie świata obiektów materialnych, na przykład historia wpadającego do czarnej dziury astronauty (pokazana czarną linią z czerwonymi strzałkami) są liniami prawie pionowymi. Linie świata sygnałów świetlnych (niebieskie na mapie) nachylone są pod kątem 45°.

Ogólnie, im nachylenie bliższe 45°, tym obiekt porusza się z większą prędkością. We Wszechświecie nie wykryto obiektów z prędkościami nadświetlnymi. Takich obiektów najprawdopodobniej nie ma, więc na mapie nie ma linii świata o nachyleniu większym niż 45°. Zorientowane ku przyszłości strzałki pokazują, jak może rozchodzić się informacja wzdłuż linii świata. Wiedząc o tym, łatwo się przekonać, czy jakieś zdarzenie może być (w zasadzie) przyczyną lub skutkiem innego zdarzenia. Na przykład zdarzenie oznaczone kółeczkiem z numerem 2 nie może być ani przyczyną, ani skutkiem zdarzenia z numerem 1. Może być natomiast skutkiem zdarzenia 3 oraz przyczyną zdarzenia 4.

Wnętrze czarnej dziury zaznaczone jest na mapie ciemnym kolorem. Ma ono dwie granice: horyzont zdarzeń (pokazany zieloną linią) oraz osobliwość. Linie świata wszystkiego, co przekracza horyzont (czyli wpada do czarnej dziury) kończą się w osobliwości. To oznacza koniec istnienia – nie tylko fizyczne zniszczenie, ale koniec bytu jako takiego. Moment przekraczania horyzontu przez naszego astronautę pokazany jest jako kwadrat, wypełniony kolorem czerwonym i białym. Z mapy widać wyraźnie, że nie jest on przyczynowo połączony z przyszłością, co stanowi prostą odpowiedź na drugą część pytania: w momencie przekraczania horyzontu astronauta nie może zobaczyć przyszłości Wszechświata, a jego własna przyszłość ograniczona jest do krótkiej chwili (ułamka milisekundy w przypadku czarnych dziur w mikrokwazarach) przed wpadnięciem do osobliwości.

* Więcej podobnych obrazów ich autorstwa można znaleźć na stronie internetowej: http://casa.colorado.edu/~ajsh/schw.shtml