Language
Country/Area
No result found
Удивительный мир черных дыр: почему исчезает их энергия?
В необъятных просторах Вселенной черные дыры притягивают бесчисленное количество материи и света своей таинственной и мощной гравитацией. Благодаря постоянному развитию науки и техники астрономы получили более глубокое представление о черных дырах, но есть один вопрос, который продолжает озадачивать физиков: как черная дыра теряет свою энергию? Этот вопрос затрагивает концепцию отрицательной энергии, которая тесно связана с природой черных дыр.
Отрицательная энергия — это концепция, используемая в физике для объяснения свойств определенных полей, включая гравитационные поля и различные эффекты квантового поля.
Гравитационная энергия и черные дыры
Гравитационная энергия или гравитационная потенциальная энергия — это потенциальная энергия, которой обладает массивный объект в результате нахождения в гравитационном поле. В классической механике между двумя или более массами всегда существует гравитационная потенциальная энергия. Согласно принципу сохранения энергии, эта энергия гравитационного поля должна быть отрицательной, поэтому ее значение равно нулю, когда объект находится бесконечно далеко. Когда два объекта приближаются друг к другу, гравитация ускоряет их движение, что приводит к увеличению положительной энергии системы.
Во вселенной, где доминирует положительная энергия, в конечном итоге произойдет большой коллапс; в то время как в «открытой» вселенной, где доминирует отрицательная энергия, произойдет бесконечное расширение или в конечном итоге распад.
Вращение черной дыры и преобразование энергии
Для классической вращающейся черной дыры ее вращение создает область за пределами горизонта событий, называемую «энергетическим фосфором», где пространство-время также начинает вращаться, явление, известное как перетаскивание кадров. В этой области энергия частицы может трансформироваться в отрицательную энергию, т.е. при релятивистском вращении ее вектора Кирнина. Когда частица с отрицательной энергией пересекает горизонт событий и попадает в черную дыру, согласно закону сохранения энергии должно вырваться равное количество положительной энергии.
В процессе Пенроуза объект разделяется на две части, одна из которых приобретает отрицательную энергию и падает в черную дыру, а другая приобретает такое же количество положительной энергии и улетает.
Отрицательная энергия в квантовых полевых эффектах
Отрицательная энергия и отрицательная плотность энергии также довольно последовательны в квантовой теории поля. В квантовой теории принцип неопределенности позволяет виртуальным парам частица-античастица спонтанно появляться в вакууме и существовать в течение короткого момента. Некоторые виртуальные частицы могут иметь отрицательную энергию — свойство, которое играет ключевую роль в нескольких важных явлениях.
В эффекте Казимира расстояние между двумя плоскими пластинами ограничивает длину волны, на которой могут существовать кванты, что приводит к уменьшению числа и плотности пар виртуальных частиц, что приводит к отрицательной плотности энергии.
Излучение черной дыры и исчезновение энергии
Вблизи горизонта событий черной дыры некоторые пары виртуальных частиц будут затянуты в черную дыру, и энергия одной из частиц может стать отрицательной из-за этого засасывания. Положительные частицы способны вырываться наружу, образуя излучение Хокинга, в то время как присутствие частиц с отрицательной энергией уменьшает чистую энергию черной дыры. Это создает интересное явление: со временем черная дыра может медленно излучать энергию, что в конечном итоге приведет к ее исчезновению.
Возможности будущего: червоточины и путешествия со скоростью, превышающей скорость света
В некоторых теориях отрицательная энергия считается основным элементом червоточин, которые могут напрямую соединять два места, находящиеся на большом расстоянии друг от друга в пространстве и времени, и обеспечивать практически мгновенное перемещение. Однако некоторые физики считают эти идеи слишком нереалистичными.
Идея использования теоретических принципов отрицательной энергии для проектирования космических аппаратов, движущихся со скоростью, превышающей скорость света (FTL), также является захватывающей идеей, наиболее показательным примером которой является капсула Алькубьерре.
Исследование этих теорий не только бросает вызов нашему пониманию Вселенной, но и заставляет нас переосмыслить взаимосвязь между энергией, временем и пространством. В этой Вселенной, полной загадок, черные дыры и отрицательная энергия продолжают стимулировать научный прогресс, но нам все еще предстоит ответить на фундаментальный вопрос: насколько глубоко наше понимание черных дыр?
