Şu an "şimdi" kelimesini okuyorsun. Ama bu ne anlama geliyor? Geçici anı "şimdi" ne çok özel kılan nedir? Onun esrarengiz karakteri, Augustine'den Einstein'a ve ötesine kadar felsefecileri, rahipleri ve modern-gün fizikçilerini barındırıyor. Einstein, zamanın akışının hem hız hem de yerçekiminden etkilendiğini, ancak “şimdi” nin anlamını açıklamadaki başarısızlığından dolayı çaresiz olduğunu gösterdi. Eşit derecede şaşırtıcı: Zaman neden akıyor? Bazı fizikçiler anlamaya çalışmaktan vazgeçtiler ve zamanın akışını bir yanılsama olarak adlandırdılar, ama seçkin deneyci fizikçi Richard A. Muller protesto ediyor. Fiziğin gerçeği açıklamasını, inkar etmemesi gerektiğini söylüyor. “Şimdi: Zamanın Fiziği” nde, Muller geçmiş fikirlerde daha fazla deliğe sahiptir; Kendi devrimci teorisini geliştirir; Görelilik, entropi, dolaşıklık, antimadde ve Big Bang gibi teorilerinin fizik yapı taşlarını açık ve net bir şekilde açıklayarak başlıyor. Daha sonra sahne ile birlikte, ileriye doğru şaşırtıcı bir yol ortaya koymaktadır. Aşağıda bir alıntı var Muller “Şimdi: Zamanın Fiziği” (W. W. Norton & Company, 2016).
Fizikçiler genellikle kendi denklemleriyle şaşırırlar. Etkileri, hatta en dramatik olanları bile tespit etmek her zaman kolay değildir. Kendi matematiklerini anlamalarına yardımcı olmak için, neler olduğunu görmek için aşırı durumlara bakıyorlar. Ve bu evrende, kara deliklerin aşırı uçlarından daha aşırı bir durum yoktur. Kara deliğe bakmak bize zamanın çok tuhaf yönlerine dair önemli bilgiler veriyor.
Küçük bir kara deliğin (güneşin kütlesi) makul bir mesafeden (bin mil kadar) yörüngesine dönerseniz, özellikle hiçbir şey hissetmeyeceksiniz. Göremediğin devasa bir nesnenin yörüngesindesin. Yörüngede olduğunuzdan beri, astronotların tüm yörüngelerini hissettikçe, kendinizi ağırlıksız hissedersiniz. Sen emilmiyorsun; Kara delikler (popüler bilim kurgusuna rağmen) sizi içeri çekmez. Güneşin yörüngesinde olsaydınız, bu yakın mesafeden içeride olursunuz ve saniyenin milyonda biri kadar gevrek yanacaksınız. karanlık (Mikroskopik kara delikler yayılır, ancak çok azı büyüklerden gelir.)
Yörüngenizin etrafındaki mesafe, 1000 mil radyal koordinat değerinizin 2 katıdır. Eğer bir arkadaş deliği yörüngede tutuyorsa, ama diğer tarafta, karşı yöne gidiyorsa, her biri çeyrek yörüngeye gittikten sonra karşılaşırsınız. Ama arkadaşınız size tamamen zıt olduğu zaman, aramızdaki düz çizgi arasındaki mesafe sonsuzdur. Kara deliğin yakınında çok yer var.
Retro roketlerinizi ateşlerseniz, yörünge hareketinizi durdurursanız, tıpkı büyük bir nesneye çekileceğiniz gibi, deliğe çekilirsiniz. (Uyduların yörüngesinin tam olarak kesilme şekli: retro roketlerin ateşlenmesi ve daha sonra yer çekiminin onları içeri çekmesine izin verir.) On dakikayı geçmeden on dakikayı geçmeden önce, kara delik yüzeyine ulaşırsınız. Schwarzschild yarıçapı (Bölüm 3'te tartışılmıştır). Şimdi zamanla ilgili bazı şaşırtıcı sonuçlar için. Bu yüzeye vurduğunuzda, düşüşünüze başladıktan on dakika sonra, yörünge istasyonu çerçevesinde ölçülen süre sonsuzluğa ulaşır. * [1]
Doğru. Dışarıdaki birinin çerçevesinden ölçülen kara deliğin içine düşmek için sonsuz zaman alır. Hızlanan çerçevenizin içine düştüğünde, sadece on dakika sürer. On bir dakika sonra, dışarıdaki zaman sonsuza ve ötesine geçti.
Bu çok saçma! Muhtemelen, ama klasik görelilikte bu doğrudur. Elbette, potansiyel paradoksu deneyimlemenizin bir yolu yoktur, çünkü sonsuzluğun ötesinde dışarıdaki zaman ve kara deliğe bir kez girdikten sonra sonsuza kadar orada olursunuz. Ölçülebilir bir çelişki yoktur. Bu, fizikçilerin sansür dedikleri şeyin bir örneğidir. Saçmalık gözlemlenemez, bu yüzden bu gerçekten bir saçmalık değil.
"Sonsuzluğun ötesinde ama sansürlü" cevabın tatmin mi? Şüphelenmiyorum. Bunu akıl almaz buluyorum. Ama zamanla ilgili her şey akıl almaz buluyorum. Kuantum dalga fonksiyonları ve dolanma ile başka bir saçma ama sansürlü sonuçla karşılaşacağız. Bu örnekler, gerçeklik hissimize meydan okuyor ve tatmin edici bir duygu bırakmıyor. Nietzsche'nin dediği gibi: Bir uçurumun içine doğru baktığınızda, uçurumlar da size geri döner.
Kara deliklerin sizi içine çekmediği, herhangi bir kütleyi yörüngede olduğu gibi kara deliğin yörüngesini çektiğiniz ifadesine dönelim. Merkür'ün, güneşin sahip olduğu kütleye sahip bir kara deliğin etrafında yörüngendiğini varsayalım. Yörünge nasıl farklı olurdu? Popüler inanışa göre, kara delik minik gezegeni emerdi. Genel göreliliğe göre yörüngede bir fark olmazdı. Tabii ki, Merkür artık sıcak olmayacaktır, çünkü güneşin yoğun radyasyonu kara deliğin serin karanlığı ile yer değiştirecektir.
Merkür şu anda güneşi 36 milyon mil radyal bir mesafede yörüngede. Güneşin yüzeyinin hemen üstüne, merkezinden güneşe 1 milyon mil hızla yaklaştığınızı varsayalım. Sıcaklığın yanı sıra muhtemelen güneş atmosferinden sürüklenerek, dairesel bir yörüngede gezerek yaklaşık 10 saat içinde başlangıç noktanıza dönersiniz. Şimdi güneşi güneş kütleli bir kara delikle değiştirin. Hala on saat içinde yörüngede olursun. Bu mesafedeki yerçekimi güneşinkiyle aynı olurdu. Herhangi bir özel efekt fark etmeden önce kara deliğe çok yaklaşmanız gerekir.Herhangi bir yıldızda olduğu gibi, ne kadar yakınsanız, dairesel bir yörüngede kalmak için daha hızlı hareket etmeniz gerekir. Genel bir kural olarak, yörüngede hızınızın ışığın hızına yaklaştığına çok yakın olana kadar pek bir fark görmeyeceksiniz.
Güneş için, maksimum yerçekimi, Dünya için olduğu gibi, yüzeydedir. Yüzeyin altına git ve seni çeken kütle, senin altındaki kütle, yüzeyden daha az. Güneşin tam merkezinde, yerçekimi sıfırdır.
Ancak kara delik için yüzey merkeze yakındır. Daha önce verdiğim Schwarzschild denkleminden, bir güneş kara deliğinin yarıçapı yaklaşık 2 mil olacak şekilde hesaplanabilir. 10 mil uzaklıkta, yörüngede kalmak için ışık hızının üçte birinde hareket etmelisiniz; orbital döneminiz saniyenin binde biri olacaktır. Bu şartlarda, hesaplamaları yapmak için göreliliği kullanmalıyız.
Bir kara deliğin içine girdiğinizde, zaman çok yavaş ilerler ve yörünge etrafındaki mesafe küçük olsa bile, siz ve delik arasında çok fazla boşluk vardır. Alan geleneksel olarak Şekil 7.1'deki gibi bir diyagram ile fizik öğrencilerine tasvir edilmiştir. Bu diyagramı, 2D uzayda (yüzey) bir kara deliği temsil ettiği düşünün. Kara deliğin kendisi, kavisli alanın işaret ettiği yerde, merkezdedir.
Bu yararlı bir diyagramdır, fakat biraz yanıltıcıdır, çünkü karadeliğe yakın muazzam mesafeleri karşılamak için alanın başka bir boyuta (bu diyagram için aşağı doğru giden boyut) eğilmesi gerektiğini ima eder. Aslında böyle bir boyuta gerek yok; Alan, göreceli uzunluktaki kısalmadan sıkıştırılır. Diyagram kara deliklerin popüler film tasvirlerinde de kullanılıyor. Jodie Foster, Temas'ta bir solucan deliğine düştüğünde, Şekil 7.1'deki şemaya çok benziyor. (Solucan delikleri, Schwarzschild yarıçapına ulaşılmadan önce birbirine bağlanan neredeyse iki kara deliğe benziyor; birinde, diğerini uçurun.)
Aslında, kara delik, şemaya hiç benzememektedir. Başka şeyler seninle birlikte olmadıkça, tamamen siyah bir küre gibi görünecekti.
Bu uyarı ile, diyagram yararlıdır. Kara deliklerin temel özelliklerini gösterir ve aşağıdakiler gibi bazı basit soruları yanıtlamak için kullanılabilir: Dışardan (nispeten düz bölge) karadeliğin yüzeyine ne kadar uzaktır? Cevap sonsuzdur. Düşen yüzey boyunca deliğin içine ölçün ve sonsuza kadar inin. Kara deliğin yarıçapını sadece dibe vurursun, ama bu sonsuzca aşağı doğru.
Kara deliğin yüzeyine sonsuzsa, 10 mil uzak olduğunu söylediğimde ne demek istedim? İtiraf ediyorum, yanıltıcı davrandım. Geleneksel koordinatları kullanıyordum. Radyal koordinat r, karadelik etrafındaki mesafenin normal uzaydaki gibi 2πr olduğunu söyleyerek tanımlanır. Şekil 7.1'de, geleneksel x, y koordinatları, grid çizgileri ile temsil edilmektedir. Delikten ne kadar uzakta olduklarına dikkat ediniz; Aralarındaki büyük mesafe, orada çok fazla alan olduğunu gösterir. Fizikçiler bu geleneksel koordinatları denklemlerde kullanırlar, ancak 3 mil işaretleyici ile 4 mil işaretleyici arasındaki mesafenin gerçekten 1.000 mil olabileceğini akıllarında tutarlar. Geleneksel geometri burada çalışmadığından, sadece koordinatlardaki farkı alarak iki nokta arasındaki mesafeyi hesaplayamayız.
Astrofizik kitaplarında ve çevrimiçi ortamda şüpheli kara deliklerin listesini bulabilirsiniz. Vikipedi makalesi "Kara Deliklerin Listesi" yetmişden fazla tanımlar. İşte yakalama: bunların hiçbirinin kara delik olmadığını düşünmemiz için bir nedenimiz var.
Bir astronomun, kara delikli bir adayı tanımlama şekli, çok büyük, tipik olarak güneşin birkaç katı olan, ancak çok az ya da hiç ışın yaymayan bir nesne bulmaktır. Aday nesnelerin bir kısmı, X-ışınlarının patladığını yayarlar ki bu, maddenin bir parçasının (bir kuyrukluyıldız gezegeninin) içine düştüğünü gösterir ve yaptığı gibi, yerçekimindeki büyük farklılıklar tarafından parçalanır ve ısıtılır. X-ışınları yayacak kadar kendi vücudunda. Süper kütlesel kara delikler olarak adlandırılan diğer adaylar, yüz milyonlarca güneş kütlesi içerir.
Böyle bir süper kütle nesnesi, kendi Samanyolu Gökadamızın merkezinde var. Çok geniş bir kitlenin varlığına işaret ederek, bu merkeze çok yakın olan ve çok hızlı hareket eden ve hızla hızlanan yıldızları görüyoruz. Ama ışık yok, bu yüzden bu yıldızları çeken her şey bir yıldızın kendisi değildir. Fizik teorileri, emisyon içermeyen büyük bir birikimin sadece kara delik olabileceğini öne sürmektedir.
Neden listede gerçek kara delik olmadığını söylüyorum? Kara deliğe düşmek için sonsuz zaman aldığını gösteren hesaplamayı hatırlayın. Benzer bir hesaplama, zaman koordinatımızda ölçülen bir kara delik oluşturmak için sonsuz zaman aldığını gösterir. Bütün bu materyaller, sonsuz bir mesafeye düşmeli, etkili olmalı. Bu yüzden, kara delikler zaten evrenin yaratılmış olduğu sürece, ilkel karadelikler olmadıkça, henüz gerçek kara delik statüsüne ulaşmamışlardı; maddenin, gerçek bir kara deliği karakterize eden sonsuz mesafeye düşmesi için yeterli zamanımız olmadı (dışarıdaki uygun çerçeveden). Ve nesnelerin hiçbirinin ilkel olduğunu düşünmek için bir sebep yoktur (bazı insanlar bir ya da daha fazlasının olabileceğini tahmin etse de).
Biraz akılda kalıcıyım.Sonsuza dek bir kara deliğin içine girer, ama kendi kendine düşen saatinizle ölçülen kendi uygun zamanınızda, sadece birkaç dakika içinde oldukça uzağa girersiniz. Dış çerçeveden yüzeye asla ulaşamayacaksınız, ancak nispeten kısa bir düzende krep benzeri bir nesneye dönüştürüleceksiniz. Yani, bir anlamda, önemli değil. 1990'da Stephen Hawking 1975'te Kip Thorne ile bahse girmeye karar verdi ve Cygnus takımyıldızındaki X-ışını kaynağının Cygnus X-1'in gerçekten kara delik olduğunu kabul etti. Teknik olarak, Hawking haklıydı, Thorne değildi. Cygnus X-1 bir karadelik olma yolunun yüzde 99.999'udur, ancak (Hawking ve Thorne'un referans çerçevesinden) yolun sonuna kadar sürecek.
Belirli bir kuantum boşluk deliği, kara deliklerin bulunmadığına dair ifademi atlatabilir. Einstein'ın özgün genel görelilik kuramında bir kara deliğin oluşması sonsuza dek sürse de, bir "neredeyse" oluşması çok uzun sürmez. Düşen maddenin, Schwarzschild yarıçapının iki katına ulaştığı zaman, kuantum etkilerinin büyük olduğu (Planck mesafesi denilen, daha sonra tartışacağımız bir şey) küçük bir mesafeye ulaştığında, binde binden daha azdır. bir saniye. Bu noktada, sıradan genel görelilik kuramının ayakta kalmasını beklemiyoruz.
Sonra ne olur? Gerçek şu ki, biz gerçekten bilmiyoruz. Birçok kişi teori üzerinde çalışıyor, ancak henüz hiçbir şey gözlemlenmedi ve doğrulanmadı. Hawking'in Cygnus X-1'in gerçekten bir kara delik olup olmadığı konusunda Thorne ile bahse girmesi ilginçti; Belki de, onun, zar zor olduğu bir kara deliğe bu kadar yakın olduğunu hissediyordu ya da belki de kuantum fiziğinin dahil edilmesinin sonsuz zaman hesaplamasına şüphe duyduğuna ikna olmuştu.
Kara deliklerin henüz gerçekte var olmadığı gerçeği - en azından “henüz değil” dış çerçeveye göre - iyi bir noktadır ve normal olarak mükemmel olmayana bile değinmez. Ama bunu "inanın ya da inanma" olgusunu kullanarak bir bahis kazanabilirsiniz.
5. Bölümde, 1g'de uygun çerçevenizin hızlandırılmasının, ışık hızının 2.6 katındaki bir hızda değişen (ve bu hızlanan çerçevede ölçülen) uzak bir nesne arasındaki uzaklığa neden olabileceğini gösteren bir örnek verdim. Lawrence Berkeley Laboratuvarı elektron hızlandırıcı BELLA ile Sirius'un elektronun uygun çerçevesindeki mesafesini 8.6 milimetrelik hıza eşdeğer bir hızla değiştirebilirsiniz. Daha iyisini yapabilirsin. Mesafeleri sonsuz hız ile değiştirebilirsiniz. İşte nasıl.
Düşünün ki, sen ve ben, birkaç metre uzakta, uzayda, başka hiçbir şey yok. Doğru çerçevelerimizin aynı olduğunu varsayın, bu çerçevede hem dinlenelim. Şimdi, küçük bir ilkel (tamamen oluşmuş) kara delik alın, belki sadece birkaç kilo ağırlığında. Seninle benim aramda sakla. Kara deliğin yerçekimsel çekimi, aynı kütleye sahip herhangi bir nesneden daha büyük değildir, bu yüzden sıra dışı bir güç hissetmiyoruz. Kara delik yerinde olduğunda, sen ve ben arasındaki düz çizgi mesafe sonsuz olur. Bunu kara delik diyagramında görebilirsiniz. Aramızdaki mesafe değişti. Yine de yerlerimiz yok.
"Taşındık mı?" Hayır. Sizinle aramızdaki mesafe değişti mi? Evet. Hem de çok. Uzay akıcı ve esnektir. Sıkıştırılabilir ve gerilebilir. Kütlede ışık olabileceği için, sonsuz bir konsantrasyon alanı kolayca hareket ettirilebilir. Bu, nesneler arasındaki mesafelerin keyfi hızlarda, hatta saniyede ışık hızında veya daha hızlı değişebileceği anlamına gelir. Süper hız ile hareket ediyormuş gibi - aslında, aslında hiç hareket etmiyorsunuz.
Daha önce de belirttiğim gibi, bu kavramlar daha sonraki bölümlerde modern kozmolojiyi tartıştığımızda önemli olacaktır. Özellikle, evrenin dikkat çekici derecede homojen olduğu, bu kadar tekdüze bir zamana sahip olmak için zamana sahip olmadığı kadar büyük olmasına rağmen, şaşırtıcı paradoksu açıklamak için kullanılan enflasyon teorisinin temelini oluştururlar. Daha sonra bunun üzerine.
Bir solucan deliği, kara deliğe benzer bir varsayımsal nesnedir, ama büyük kütleli bir nesneye ulaşan kavisli alan yerine, sonunda yayılır ve farklı bir yerde ortaya çıkar. En basit solucan deliği, tabana yakın bağlanmış iki kara deliğe çok benzer. ("Tam olarak değil", diğer tarafa düşüp geri çekilebildiğiniz anlamına gelir.) Bunun gerçekleşmesi için, o uzayın katlanmış olduğunu hayal edebilirsiniz, böylece solucan deliğinin dışarı çıktığı yerde katlanır. 7.2). Bununla birlikte, bunu hayal etmeye gerek yok. Kara deliğin dibine olan derinliğin, dış referans çerçevesinden, mesafeli olarak sonsuz olduğunu unutmayın. Solucan deliği o kadar da derin olmasa da, herhangi bir yere ulaşmak için yeterince derin olabilir.
Basit solucan delikleri ile ilgili bir problem, hesaplamaların kararlı olmadıklarını göstermesidir. Eğri boşluğu yerinde tutmak için altta kütle yokken, solucan deliğinin bir kişinin içinden ateş edebileceğinden daha hızlı çökmesi beklenir. Solucan deliğini stabilize edebiliriz (bir madeni parayı sütunlar koyarak stabilize etmek gibi), ancak şu anki teori bunu yapmanın, henüz keşfedemediğimiz bir şeye ihtiyacımız olduğunu, onun içinde negatif enerjiye sahip bir tür parçacığa ihtiyacımız olduğunu söylüyor. alan. Böyle bir alan mümkün olabilir - en azından, bunu bir türlü belirleyemeyiz - bu yüzden bilim kurgu devam edebilir ve gelecekte istikrarlı ve yararlı solucan delikleri yaratabileceğimizi varsayabiliriz.
Solucan delikleri, birçok ışık yılı mesafesini hızlı bir şekilde kapamak için mevcut bilim kurgu ortodoksudur. Doctor Who serisinde de kullanılan Star Trek termik çözgü tahribatı bile, 4D uzay-zaman evreninin beşinci boyuta eğildiğini ve uzaktaki nesnelerin birbirine yakınlaştığını öne sürüyor. Aynısı, Guild'in uzay bükmek için baharat olarak bilinen özel bir malzeme kullandığı film versiyonu için de geçerlidir. (Romanda, sadece ışıktan daha hızlı mesafeleri örtüyorlar, ancak film bu yeteneğe göreceli olarak anlam veriyor.)
Solucan delikleri bilim kurgu hayranlarını da büyülemektedir, çünkü bazı fizikçiler mümkün olan zamanda geriye doğru seyahat edebileceklerini ileri sürmüşlerdir. Zaman akışının anlamını, şimdiki zamanın ve zaman yolculuğunun anlamını incelediğimizde, neden bir solucan deliğinden geçmenin geri dönüş yolculuğunu başarabileceğine katılmıyorum.
Zamanın neden aktığını bilmememize rağmen, farklı konumlardaki göreceli zaman akışından tam olarak konuşabileceğimiz ve bu tür akışların farklı oranlarda gerçekleşebileceği bana göre inanılmaz. Zaman, fiziğe bağlı olarak uzanır ve küçülür. Fizikte atılan bir sonraki adım, zamanın akış hızını da açıklamamıştı, ama onun yönünün daha basit bir sorusunu ele alıyordu: Zaman geriye doğru değil neden akıyor?
Hemen Al: Amazon.com'da Zamanın Fiziği >
Telif Hakkı © 2016, Richard A. Muller. W. W. Norton & Company, Inc.'in izni ile kullanılır. Tüm hakları saklıdır.