Biała dziura - White hole

Inne zastosowania, patrz Biała dziura (ujednoznacznienie) .
Ogólna teoria względności
Schemat krzywizny czasoprzestrzeni
Idee fundamentalne
Zjawiska
Czas, przestrzeń
  • Równania
  • Formalizmy
Równania
Formalizmy
Zaawansowana teoria
Rozwiązania
Naukowcy

W ogólnej teorii względności , o biały dziura jest hipotetyczny obszar czasoprzestrzeni i osobliwości , które nie mogą być wprowadzone z zewnątrz, chociaż energia - materia , światło i informacje można uciec od niego. W tym sensie jest to odwrotność czarnej dziury , do której można wejść tylko z zewnątrz i z której energia-materia, światło i informacja nie mogą uciec. Białe dziury pojawiają się w teorii wiecznych czarnych dziur . Oprócz obszaru czarnej dziury w przyszłości, takie rozwiązanie równań pola Einsteina ma w przeszłości obszar białej dziury. Obszar ten nie istnieje jednak dla czarnych dziur, które powstały w wyniku grawitacyjnego kolapsu , ani nie zaobserwowano żadnych procesów fizycznych, dzięki którym mogłaby powstać biała dziura.

Teoretycznie przewiduje się, że supermasywne czarne dziury (SBH) znajdują się w centrum każdej galaktyki i prawdopodobnie galaktyka nie może powstać bez nich. Stephen Hawking i inni zaproponowali, że te SBHS tarło supermasywną białą dziurę / Big Bang .

Przegląd

Podobnie jak czarne dziury, białe dziury mają takie właściwości jak masa , ładunek i moment pędu . Przyciągają materię jak każda inna masa, ale obiekty spadające w kierunku białej dziury nigdy nie dotrą do horyzontu zdarzeń białej dziury (chociaż w przypadku maksymalnie rozszerzonego rozwiązania Schwarzschilda , omówionego poniżej, horyzont zdarzeń białej dziury w przeszłości stał się czarną dziurą). horyzont zdarzeń dziury w przyszłości, więc każdy obiekt spadający w jego kierunku w końcu dotrze do horyzontu czarnej dziury). Wyobraź sobie pole grawitacyjne bez powierzchni. Przyspieszenie grawitacyjne jest największe na powierzchni każdego ciała. Ale ponieważ czarne dziury nie mają powierzchni, przyspieszenie grawitacyjne rośnie wykładniczo, ale nigdy nie osiąga wartości końcowej, ponieważ w osobliwości nie ma rozważanej powierzchni.

W mechanice kwantowej czarna dziura emituje promieniowanie Hawkinga, dzięki czemu może dojść do równowagi termicznej z gazem promieniowania (nieobowiązkowe). Ponieważ stan równowagi termicznej jest niezmienny w czasie, Stephen Hawking twierdził, że odwrócenie czasu czarnej dziury w równowadze termicznej skutkuje białą dziurą w równowadze termicznej (każda absorbuje i emituje energię w równoważnych stopniach). W konsekwencji może to sugerować, że czarne dziury i białe dziury są tą samą strukturą, w której promieniowanie Hawkinga ze zwykłej czarnej dziury jest utożsamiane z emisją energii i materii białej dziury. Półklasyczny argument Hawkinga jest odtwarzany w kwantowo-mechanicznej obróbce AdS/CFT , gdzie czarna dziura w przestrzeni anty-de Sitter jest opisywana przez gaz termiczny w teorii cechowania , której odwrócenie czasu jest takie samo jak ona sama.

Początek

Schemat struktury maksymalnie rozciągniętej czasoprzestrzeni czarnej dziury . Kierunek poziomy to przestrzeń, a kierunek pionowy to czas.

Możliwość istnienia białych dziur została wysunięta przez rosyjskiego kosmologa Igora Novikova w 1964 roku. Białe dziury są przewidywane jako część rozwiązania równań pola Einsteina, znanych jako maksymalnie rozszerzona wersja metryki Schwarzschilda opisującej wieczną czarną dziurę bez ładowanie i brak rotacji. Tutaj „maksymalnie rozciągnięta” odnosi się do idei, że czasoprzestrzeń nie powinna mieć żadnych „krawędzi”: dla każdej możliwej trajektorii swobodnie spadającej cząstki (po geodezyjnej ) w czasoprzestrzeni powinno być możliwe kontynuowanie tej ścieżki dowolnie daleko w przyszłość cząstki, chyba że trajektoria uderzy w osobliwość grawitacyjną, taką jak ta w centrum wnętrza czarnej dziury. Aby spełnić ten wymóg, okazuje się, że oprócz obszaru wewnętrznego czarnej dziury, do którego cząstki wpadają, gdy wpadają przez horyzont zdarzeń z zewnątrz, musi istnieć osobny obszar wewnętrzny białej dziury, który pozwala nam ekstrapolować trajektorie cząstek, które obserwator zewnętrzny widzi wznoszące się poza horyzont zdarzeń. Dla obserwatora na zewnątrz korzystającego ze współrzędnych Schwarzschilda opadające cząstki potrzebują nieskończonego czasu, aby dotrzeć do horyzontu czarnej dziury nieskończenie daleko w przyszłości, podczas gdy wychodzące cząstki, które mijają obserwatora, podróżują na zewnątrz przez nieskończony czas od przekroczenia horyzontu białej dziury nieskończenie daleko w przeszłość (jednak cząstki lub inne obiekty doświadczają tylko skończonego właściwego czasu między przekroczeniem horyzontu a przejściem zewnętrznego obserwatora). Czarna dziura/biała dziura wydaje się „wieczna” z perspektywy obserwatora zewnętrznego, w tym sensie, że cząstki przemieszczające się na zewnątrz z wewnętrznego obszaru białej dziury mogą w dowolnym momencie minąć obserwatora, a cząstki przemieszczające się do wewnątrz, które ostatecznie dotrą do czarnej dziury. obszar wewnętrzny dziury może również przejść przez obserwatora w dowolnym momencie.

Tak jak istnieją dwa oddzielne obszary wewnętrzne maksymalnie rozciągniętej czasoprzestrzeni, istnieją również dwa oddzielne obszary zewnętrzne, czasami nazywane dwoma różnymi „wszechświatami”, przy czym drugi wszechświat pozwala nam ekstrapolować niektóre możliwe trajektorie cząstek w dwóch obszarach wewnętrznych. Oznacza to, że wewnętrzny obszar czarnych dziur może zawierać mieszankę cząstek, które spadły z dowolnego wszechświata (a zatem obserwator, który wpadł z jednego wszechświata, może być w stanie zobaczyć światło, które wpadło z drugiego), a także cząstki z wnętrza regionu białych dziur może uciec do dowolnego wszechświata. Wszystkie cztery regiony można zobaczyć na diagramie czasoprzestrzeni, który wykorzystuje współrzędne Kruskala-Szekeresa (patrz rysunek).

W tej czasoprzestrzeni możliwe jest wymyślenie takich układów współrzędnych, że jeśli wybierzesz hiperpowierzchnię o stałym czasie (zestaw punktów, które mają te same współrzędne czasowe, tak że każdy punkt na powierzchni ma separację podobną do przestrzeni , dając tak zwaną „powierzchnię podobną do przestrzeni”) i narysuj „schemat osadzania” przedstawiający krzywiznę przestrzeni w tym czasie, schemat osadzania będzie wyglądał jak rura łącząca dwa zewnętrzne obszary, znana jako „most Einsteina-Rosena " lub tunel czasoprzestrzenny Schwarzschilda . W zależności od tego, gdzie zostanie wybrana hiperpowierzchnia podobna do przestrzeni, most Einsteina-Rosena może łączyć dwa horyzonty zdarzeń czarnych dziur w każdym wszechświecie (z punktami we wnętrzu mostu będącymi częścią regionu czarnej dziury w czasoprzestrzeni) lub dwa horyzonty zdarzeń białej dziury w każdym wszechświecie (z punktami we wnętrzu mostu będącymi częścią regionu białej dziury). Nie można jednak użyć mostu do przejścia z jednego wszechświata do drugiego, ponieważ niemożliwe jest wejście do horyzontu zdarzeń białych dziur z zewnątrz, a każdy, kto wejdzie w horyzont czarnych dziur z dowolnego wszechświata, nieuchronnie trafi w osobliwość czarnej dziury .

Zauważ, że maksymalnie rozszerzona metryka Schwarzschilda opisuje wyidealizowaną czarną/białą dziurę, która istnieje wiecznie z perspektywy obserwatorów zewnętrznych; bardziej realistyczna czarna dziura, która powstaje w określonym czasie z zapadającej się gwiazdy, wymagałaby innej metryki. Kiedy opadająca materia gwiezdna zostanie dodana do diagramu historii czarnej dziury, usuwa część diagramu odpowiadającą obszarowi wnętrza białej dziury. Ale ponieważ równania ogólnej teorii względności są odwracalne w czasie – wykazują symetrię z odwróceniem czasu – ogólna teoria względności musi również dopuszczać odwrócenie czasu tego typu „realistycznej” czarnej dziury, która powstaje z zapadającej się materii. Przypadek z odwróconym czasem byłby białą dziurą, która istniała od początku wszechświata i która emituje materię, aż w końcu "eksploduje" i znika. Pomimo tego, że takie obiekty są teoretycznie dozwolone, nie są traktowane przez fizyków tak poważnie jak czarne dziury, ponieważ nie byłoby procesów, które w naturalny sposób prowadziłyby do ich powstania; mogłyby istnieć tylko wtedy, gdyby zostały wbudowane w początkowe warunki Wielkiego Wybuchu . Dodatkowo przewiduje się, że taka biała dziura byłaby wysoce „niestabilna” w tym sensie, że gdyby jakakolwiek niewielka ilość materii spadła w kierunku horyzontu z zewnątrz, zapobiegłoby to eksplozji białej dziury widzianej przez odległych obserwatorów z materią. emitowane z osobliwości nigdy nie są w stanie uciec przed promieniem grawitacyjnym białej dziury.

Wielki Wybuch/Supermasywna Biała Dziura

Główny artykuł: Wielki Wybuch

Widok czarnych dziur zaproponowany po raz pierwszy pod koniec lat 80. może być interpretowany jako rzucający trochę światła na naturę klasycznych białych dziur. Niektórzy badacze sugerowali, że kiedy formuje się czarna dziura, może nastąpić Wielki Wybuch w jądrze/ osobliwości , co stworzy nowy wszechświat, który rozszerza się poza wszechświat macierzysty . Zobacz także Wszechświaty płodne .

Einsteina- Cartana-Sciama-Kibble teoria grawitacyjnego ogólnym względność przez usunięcie ograniczenia o symetrii afinicznej połączenia, a w odniesieniu do jej części, na antysymetryczna tensor skrętny jako zmiennej dynamicznego. Skręcanie w naturalny sposób odpowiada za kwantowo-mechaniczny, wewnętrzny moment pędu ( spin ) materii.

Zgodnie z ogólną teorią względności grawitacyjne kolaps wystarczająco zwartej masy tworzy pojedynczą czarną dziurę. Jednak w teorii Einsteina-Cartana minimalne sprzężenie między skręcaniem a spinorami Diraca generuje odpychające oddziaływanie spin-spin, które jest istotne w materii fermionowej przy ekstremalnie wysokich gęstościach. Takie oddziaływanie zapobiega powstawaniu osobliwości grawitacyjnej. Zamiast tego zapadająca się materia po drugiej stronie horyzontu zdarzeń osiąga ogromną, ale skończoną gęstość i odbicia, tworząc regularny most Einsteina-Rosena. Druga strona mostu staje się nowym, rozwijającym się dziecięcym wszechświatem. Dla obserwatorów we wszechświecie dziecka, wszechświat macierzysty jawi się jako jedyna biała dziura. W związku z tym obserwowalny wszechświat to wnętrze Einsteina-Rosena czarnej dziury istniejącej jako jedno z prawdopodobnie wielu wewnątrz większego wszechświata. Wielki Wybuch był nieosobliwym Wielkim Odbiciem, przy którym obserwowalny Wszechświat miał skończony, minimalny współczynnik skali.

Artykuł z 2012 roku twierdzi, że sam Wielki Wybuch jest białą dziurą. Sugeruje to ponadto, że pojawienie się białej dziury, którą nazwano „Małym Wybuchem”, jest spontaniczne – cała materia jest wyrzucana w jednym impulsie. Tak więc, w przeciwieństwie do czarnych dziur, białych dziur nie można stale obserwować; raczej ich skutki można wykryć tylko wokół samego wydarzenia. W artykule zaproponowano nawet identyfikację nowej grupy rozbłysków gamma z białymi dziurami.

W 2014 r. Madriz Aguilar, Moreno i Bellini zbadali pomysł Wielkiego Wybuchu wywołanego przez supermasywną eksplozję białej dziury w ramach pięciowymiarowej próżni.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki