Hitrost gravitacije

Feb 14 2014

Zakaj gravitacija potuje hitreje od svetlobe in kako izmerimo njeno hitrost?


Eno izmed najbolj perečih vprašanj moderne znanosti je ugotoviti kako hitro potuje gravitacija. To pa predvsem zaradi tega, ker se glede na moderno znanost nič ne more gibati hitreje kot svetloba. Seveda ni nujno, da to drži, saj se mora gravitacija gibati hitreje od svetlobe, če hočemo dokazati, da so novejši znanstveni modeli črnih lukenj točni.


Pa malo osvežimo znanje o črnih luknjah… Nastanejo iz ogromno snovi, ki je zaradi gravitacije stlačena ali v ničto točko (singularnost) ali pa v izredno kompaktno točko, ki je zelo blizu singularnosti (kar pri naši razlagi ne predstavlja posebne razlike). Črne luknje so gravitacijsko tako močne, da niti svetloba ne more iz njih pobegniti. To je zaradi dvojne narave svetlobe (valovi in delci) in prav ti delci svetlobe omogočajo to, da se svetloba ukrivlja zaradi gravitacijskega privlaka večjih teles, kot so zvezde, galaksije in podobno. Pravzaprav se gravitacijski privlak našega sonca lahko vidi tudi med sončnimi mrki. Naj opozorim tudi na to, da kar omenjam kot svetlobo, se nanaša tudi na preostali eloktromagnetni spekter, katerega en del je vidna svetloba. Tako so tudi infrardeča svetloba, rentgenski žarki, mikro valovanje in ostalo sevanje pod vplivom gravitacije in posledično ne morejo ubežati iz črne luknje.

Meja okrog črne luknje preko katere nič (niti svetloba) ne more uiti  gravitacijski sili črne luknje v vesolje se imenuje dogodkovni horizont. Torej te meje ne more prečkati nobena fizična snov ali energija. Tudi zaradi teh omejitev ne moremo komunicirati med črno luknjo in preostalim vesoljem. Torej lahko rečemo, da vse kar je prečkalo dogodkovni horizont, je izginilo iz obstoja.

Meje na  dogodkovnem horizontu so določene z ubežno hitrostjo črne luknje. Če hoče kaj pobegniti preko dogodkovnega horizonta črne luknje mora imeti začetno hitrost večjo kot svetloba. Ampak ker se nič ne more gibati hitreje kot svetloba, tudi nič ne more uiti črni luknji. Takšno je splošno sprejeto mnenje. Ampak: kako pa gravitacija uide črni luknji? Saj vemo, da črna luknja lahko posrka okoliške objekte, lahko krožijo okoli nje ali pa so od nje na kak drug način odvisni. In vse to omogoča gravitacija, ki prihaja iz singularnosti, ki je na sredi črne luknje. Lahko tudi izmerimo maso in rotacijo črne luknje iz njenega gravitacijskega polja in na tak način dobimo informacije iz notranjosti črne luknje. Teoretično naj bi bilo to nemogoče. Ali pač?

Če bi gravitacija potovala s svetlobno hitrostjo, bi jo moralo posrkati nazaj v črno luknjo v istem trenutku, ko bi se od nje poskušala oddaljiti. In ko nastane črna luknja, bi se moralo njeno gravitacijsko polje sesesti samo vase, tako kot se vsaka večja masa sesede pod vplivom lastne gravitacije. Torej, vse kar bi ostalo, bi bila singularnost ničte velikosti, določene mase in neskončne gostote in nihče ne bi mogel opaziti, da sploh obstaja. Ne bi mogla reagirati z ničemer v vesolju, ker niti ne bi zavzemala nobenega prostora. To pa zveni zelo čudno, saj izgleda, da črne luknje tega ne počnejo.

Druga možnost je, da črna luknja ne postane singularnost, pač pa se skrči do skoraj ničte točke. Gravitacijsko polje bi se tako sesedlo do velikosti psevdo-singularnosti ali celo pod velikost psevdo-singularnosti. Če bi to ta zadnje bilo res, bi bilo to res zanimivo opazovati. To pa zaradi tega, ker bi se zaradi gravitacijskega polja psevdo-singularnost lahko skrčila na velikost atoma. Potem ko bi gravitacijsko polje sprostilo nevtrone, protone in elektrone, ki bi dotedaj bili na istem prostoru, bi se začel Paulijev princip izključevanja  in psevdo-singularnost bi eksplodirala s približno svetlobno hitrostjo, ko bi se vsak delec te nekdaj orjaške zvezde poskušal umakniti vsakemu drugemu delcu v približno istemu trenutku. To se sliši kot dobra razlaga razmer znotraj supernove, ne razloži pa zakaj bi za tem ostala črna luknja, ki bi imela gravitacijsko polje izven svoje mase, kot se včasih zgodi.

Kakorkoli že, pa bi to lahko dobro razložilo kako zvezda lahko izgubi dovolj mase, da se spusti pod Chandrasekharjevo mejo in se posledično zaradi nižje mase izogne preobrazbi v singularnost: sesedajoči zvezdi, ki ima dovolj mase, da se spremeni v črno luknjo, se sesede tudi gravitacijsko polje.Potem, ko se gravitacijsko polje sesede do določene točke, bi tista gravitacija, ki bi lahko držala skupaj singularnost, izginila in zvezda bi izvrgla dovolj materiala, da bi zdrsnila pod Chandrasekharjevo mejo. In če se to ne bi zgodilo prvič, bi se kar sesedala in ponovno eksplodirala in to bi se ponovljalo dokler ne bi odvrgla dovolj snovi. Če pa sprejmemo idejo, da gravitacija potuje hitreje kot svetloba, potem bi morale črne luknje izvajati gravitacijo izven njihove singularnosti brez kakršnega problema. Torej  se morajo znanstveniki odločiti kateri koncept je bolj pomembno obdržati : črne luknje, ki vplivajo na vesolje okoli njih z gravitacijo ali svetlobno mejo, ki jo je postavila splošna relativnost.


Kako obiti ta problem?

To pa ni edina razlaga, ki se je lahko spomnim glede črnih lukenj in njihove gravitacije. Tu so še ostale možnosti:
Gravitacija se prenaša skozi medij (dimenzijo?), ki ni prostor-čas in zaradi tega nanjo ne vpliva ukrivljenost prostor-časa v okolici črne luknje.
To postavlja vprašanje, kako gravitacija vpliva na objekte v prostor-času. Verjetno teoretični fiziki delajo na tem, ampak dvomim, da njihovo delo kdo resno jemlje. Vsaj zaenkrat ne, a menim, da se to ne bo spremenilo. Črne luknje nihajo v obliki, tako da se gravitacijsko polje sesede, kot smo že povedali, a ko se to polje sesede pod velikost psevdo-singularnosti, to sproži gravitacijski val, ki ubeži sam sebi, ampak preostalo gravitacijsko polje posrka nazaj vso izvrženo snov in energijo, tako da sta svetloba in snov posrkana nazaj brez da bi bilo to opaziti.
To je zelo obetavno, ampak vseeno je težko razložiti kako lahko ta gravitacijski val ubeži in se izogne sesedanju gravitacijskega polja. Ampak ne dvomim, da bomo za to našli matematično razlago.Tudi bi lahko domnevali, da singularnost ne izbruhne enovito in da ravno ta neenakomernost izbruha svetlobe, snovi in gravitacije dovoli, da se svetloba in snov lahko večkrat izmuzneta. Tudi se mi zdi, da bi črne luknje morale izkazovati polno svetlobnih izbruhov in izbruhov visokoenergijske snovi, če bi res šlo za sesedanje in eksplozijski povratek gravitacijskega polja. Mogoče je to nekaj s, čimer bi se astronomi morali ukvarjati v bodoče.


Informacija o masi, ki vstopi v črno luknjo je razmazana po površju dogodkovnega horizonta.Informacija o masi bi pravzaprav morala biti razmazana po površini nad dogodkovnim horizontom, če bi hotela pobegniti vplivu črne luknje. Kako naj bi se to dogodilo, je meni popolnoma nejasno, ampak vsaka informacija, ki potuje s svetlobno hitrostjo bi morala biti nad dogodkovnim horizontom, če hoče ubežati črni luknji. Mislim, da bi bilo težko pokazati, da informacija o masi ostane za maso potem ko ta pade skozi dogodkovni horizont, hkrati pa menim, da tudi znanost sama s sabo ne bo zadovoljna, če bi ji to uspelo dokazati.


Določanje svetlobne meje


Dajmo predpostaviti, da navkljub nepopularnosti te ideje, gravitacija vseeno potuje hitreje kot svetloba. Če je to res, kako hitro potem potuje? Najpreprostejši odgovor, ki se ga lahko  spomnim je, da gravitacija potuje s hitrostjo tako blizu neskončnosti kakor je središče črne luknje blizu singularnosti. To pa zaradi tega, ker takrat ko neki delec potuje skozi črno luknjo, pravzaprav potuje skozi celo vrsto dogodkovnih obzorij. Že s tem ko vstopi v prvi dogodkovni horizont, se njegova ubežna možnost neskončno zmanjša. Če še samo malo napreduje pod dogodkovni horizont, se njegove ubežne možnosti neskončno zmanjšajo. To pa zato, ker je delec vstopil v področje, kjer je gravitacija še večja kot na dogodkovnem horizontu in tej še večji gravitacije ne more ubežati. Torej se z neskončno majhno oddaljenostjo pod dogodkovni horizont njegove ubežne možnosti neskončno zmanjšajo. To se nadaljuje vse do singularnosti.S to integralno metodo določanja koncentričnih dogodkovnih horizontov, vsak premik proti singularnosti onemogoča delcu, da bi se vrnil na svoje prejšnje mesto, kaj šele ubežal črni luknji. Za delec je nemogoče, da bi se vrnil nazaj na dogodkovni horizont ali da bi vzdrževal neko konstantno oddaljenost od singularnosti, ker bi se delec moral gibati hitreje kot svetloba, da bi ušel gravitacijskemu polju pod dogodkovnim horizontom. Torej delec nikakor ne more imeti stabilne orbite znotraj dogodkovnega horizonta, lahko se giblje samo navzdol proti singularnosti.Posledično je vsaka stopnja proti singularnosti toliko hitrejša kot je hitrost, ki bi jo morala imeti gravitacija, da bi ji lahko ubežala. Če je velikost singularnosti končna, potem bi gravitacija lahko imela hitrostno mejo , ki jo narekuje velikost singularnosti. Če pa je singularnost neskončno majhna (ničto-dimenzionalna), potem bi gravitacija morala potovati neskončno hitro, da bi ušla iz površja neskončno goste singularnosti.Torej se mi zdi, da je zgornja meja hitrosti gravitacije določena z velikostjo singularnosti v središču črne luknje.


Singularnost je tako singularna da
No, pa navsezadnje le ni tako singularna. Ali pa se vsaj ne zdi možno, da singularnost res obstaja v središču črne luknje.
Problem predstavljajo tudi rotirajoče črne luknje. To so črne luknje katerih singularnosti se vrtijo, namesto da bi bile statične. Zakaj pa je to problem? Obstaja več razlogov:


Problem fizičnega procesa rotiranja
Problem obstaja samo ob predpostavki, da se črne luknje sesedejo v singularnost, ker je dejstvo, da prava singularnost ne more rotirati.
Če hočemo, da se nekaj vrti, mora obstajati nekaj kar se vrti okoli osi. To je lahko  rob vrtljivega telesa ali zemlja v orbiti okoli sonca, vedno obstaja nek zunanji del, ki je v gibanju okoli nekega središča. Če pa je telo ničto-dimenzionalno, potem ne more rotirati, ker se noben zunanji del ne more vrteti okoli osi. Če bi to telo poskušali zavrteti, bi to bilo nemogoče, ker se robovi ne bi mogli vrteti glede na nevrtečo središčno os, ker bi samo telo predstavljalo to središčno os.


Problem svetlobne meje delcev
Še enkrat poglejmo primer, ko delec pada skozi črno luknjo proti singularnosti. V bistvu bi lahko rekli, da  sesedanje zvezde v črno luknjo ni nič drugega kot pa prav ta primer ponovljen tolikokrat koliko ima pač ta zvezda atomov/protonov/kvarkov. Pa poglejmo kam nas to pelje:
Najprej bi delec posrkalo preko dogodkovnega horizonta v črno luknjo. Ne bi sicer postal del singularnosti, ampak bi se začel vrteti okoli nje.
Ko bi delec nadaljeval svojo pot okoli singularnosti, bi pridobival na hitrosti zaradi vzdrževanja vrtilne količine, ker bi se vrtel okoli singularnosti.Ko bi se polmer delčeve orbite zmanjševal, bi se njegova hitrost večala dokler ne bi dosegla svetlobne hitrosti. Na tej točki, bi se glede na relativnostne enačbe, delec skrčil in pridobil na masi. Potem pa bi verjetno rekli, da delec, ki se giblje s svetlobno hitrostjo ne more nikakor postati še hitrejši. Torej bo vztrajal v neki stabilni orbiti okoli singularnosti. Ampak, če bi se delec tako obnašal, se ne bi mogel gibati v normalni, eliptični orbiti okoli singularnosti. Delec bi se moral gibati hitreje kot svetloba, če bi hotel imeti stabilno eliptično orbito znotraj dogodkovnega horizonta, a je za mnoge nemogoče, da bi se delec gibal hitreje kot svetloba. A delec bi se moral gibati hitreje kot svetloba, da bi imel dovolj vrtilne količine, da ne bi začel padati proti singularnosti.Tudi če bi delec dosegel svetlobno hitrost v krožnici okoli singularnosti, bi izgubil energijo, ker telesa v krožnih  orbitah  rabijo več energije za ohranjanje stabilnosti. Torej bi delec izgubljal na hitrosti in edini način, da bi dobil energijo je, da bi padel še bolj proti singularnosti in to bi se tudi zgodilo.


Nadalje bi delec, ki se bliža singularnosti dosegel svetlobno hitrost in s tem bi se njegova masa neskončno povečala. To pomeni, da bi  se vsi delci v črni luknji bližali neskončni masi ko bi se vrteli okoli singularnosti in s tem bi neskončno večali maso celotni črni luknji.Če bi imela rotirajoča črna luknja singularnost v svojem središču, potem bi hitro dosegla neskončno maso in torej tudi neskončno gravitacijo. Torej bi se dogodkovni horizont vsake rotirajoče črne luknje razširil in posrkal vse v vesolju v zelo kratkem času. Seveda bi ti neskončno masivni delci spravili v gibanje tudi singularnost in vse skupaj bi bila ena čudna, vrteča, sesedajoča se gmota. Če upoštevamo starost vesolja in predpostavko, da so prvobitne črne luknje verjetno nastale na začetku vesolja, se seveda zdi, da to ni model po katerem vesolje deluje, saj bi potemtakem črne luknje že zdavnaj posrkale vse vesolje.


Lahko mi seveda rečete, da bi vrteče se delce nedvomno posrkala singularnost, ki po naši prvi predpostavki naj ne bi rotirala in bi se tako stanje ustavilo in stabiliziralo pri singularnosti .Pravzaprav pa delci ne bi mogli doseči singularnosti, ker je singularnost ničto-dimenzionalen objekt. Četudi bi se nek delec približal singularnosti, bi se hkrati krčil ko bi se bližal svetlobni hitrosti in bi posledično sam postal ničto-dimenzionalen.Če bi delec rotiral okrog singularnosti, bi se  ji samo približeval, ne bi pa je dosegel. Ne bi mogel doseči njenega roba, ker bi se oba (singularnost in delec) približevala drug drugemu in bi se dotaknila drug drugega samo v neskončno dolgem času. Torej delec, ki kroži okrog črne luknje nikoli ne bo dosegel singularnosti.


Torej, če obstaja singularnost v središču rotirajoče črne luknje, bi takšna črna luknja hitro pridobila na masi dokler masa ne bi postala neskončna in bi črna luknja posrkala vse vesolje ali pa bi se črna luknja nehala vrteti. Ampak ker rotirajoče črne luknje nimajo neskončne mase, v njihovem središču očitno ni singularnosti. Samo v primeru nerotirajoče črne luknje lahko pričakujemo, da bomo našli singularnost v njenem središču, ampak vsak delec, ki bi prišel v nerotirajočo črno luknjo in pričel krožiti okoli njene singularnosti bi se hitro spremenil v rotirajočo črno luknjo. To pomeni, da ker črne luknje rotirajo in ostajajo pri stabilni masi, ki se poveča samo z dodajanjem nove mase, ni singularnosti v njihovem središču – čeprav je tudi takšna situacija zelo blizu singularnosti v mnogih ozirih. Po naključju pa to ustvari situacijo v kateri pride do principa izključevanja, ki deluje celo pod stopnjo Paulijevega principa izključevanja. Kar pa je precej divje… A da bi našli ta novi princip izključevanja, bi verjetno morali določiti točno katero stopnjo delca obravnavamo, ki izključuje ostale delce istega tipa. Kar pomeni, da bi morali določiti velikost singularnosti v središču črne luknje.


Določanje velikosti singularnosti
Kako lahko določimo kako velika je singularnost?
Nimam pojma, a vseeno ostaja upanje. Zdi se mi, da bo rešitev povezana s stopnjo s katero črna luknja rotira, potem bi morali ugotoviti maksimalno hitrost delca na samem robu rotirajoče singularnosti. To bi seveda bila svetlobna hitrost. A črna luknja katere zunanji rob bi rotiral s svetlobno hitrostjo bi imela neskončno maso, torej bi stopnja rotiranja črne luknje vsekakor bila takšna, da bi se delci na robu vrteli z manšo hitrostjo. Kar bi lahko naredili je to, da bi izmerili rotacijsko stopnjo različnih črnih lukenj (kar menim, da je možno) in uporabili te podatke za grafe o odvisnosti med hitrostjo in velikostjo. Ker ne vemo kakšno gostoto imajo črne luknje, tudi ne moremo poznati hitrost delcev na robu singularnosti. Lahko pa izmerimo maso črne luknje iz njenega gravitacijskega učinka na sosednja telesa in lahko izračunamo stopnjo rotiranja črne luknje (predvidevam, da je to možno). S temi podatki bi lahko narisali grafe, ki bi ponazarjali kako hitro bi se gibal delec na robu singularnosti glede na velikost singularnosti. In hitreje kot bi črna luknja rotirala, manjši bi bil nabor možnih vrednosti, samo zaradi tega ker bi zadeli ob mejo, ki jo predstavlja svetlobna hitrost.


Ostale možne metode določanja velikosti črne luknje pa bi lahko bile povezane z določanjem oblike singularnosti v središču – ki se (vsaj tako se zdi) rahlo izravnava (postaja ploska) zaradi svoje rotacije. To bi vplivalo na gravitacijsko polje črne luknje, predvsem pri črnih luknjah, ki rotirajo zelo hitro, in bi posledično pokazalo kako so singularnosti razporejene na večjem prostoru.
Potem pa bi vsaj z neko približno idejo o singularnosti črnih lukenj lahko začeli z enačbami, ki bi opisale hitrost gravitacije, ki je potrebna zato, da ubežimo skoraj singularni singularnosti v središču črne luknje. Kar pa je po moje najpomembnejši problem že od vsega začetka.


Izvorni članek: http://www.alexmeske.com/Essays/speedofgravity.htm     Aleks Meske

Prevedla Helena Čas                                                                 JŠ

Facebook