Про качат, чорних дірах і всього Всесвіту

    image
 
Друзі!
 
Схоже, я намалював парочку кльових ілюстрацій з Утятки. На першому — яка вища — показано, як працює чорна діра. Тут намальований ділянку нескінченного ставка з Утятки. Правила гри такі:
— Утятки плавають тільки по поверхні; пірнати вони не вміють.
— У цьому ставку так повелося, що Утятки хоча і навчилися розганятися майже до швидкості звуку (щодо води), але ніколи-ніколи не можуть перевищувати швидкість звуку. І ніякі їхні сигнали не можуть перевищувати швидкість звуку. От не можуть — і все тут.
 
На Картіка вище в цій ділянці ставка є бездонна діра, куди вода витікає.
Далеко від цієї діри вода тече до неї тихесенько-тихесенько і каченята майже не помічають цього. Далеко від діри їм нічого не варто плисти проти цієї течії.
 
Але на деякій відстані R від діри вода тече вже зі швидкістю звуку. І якщо каченя підпливає до діри ближче, ніж це відстань — то з ним нічого примітного не стається. Він навіть може не знати, що перетнув цю «межу неповернення» (помаранчевий пунктир). Але тепер навіть якщо він розвернеться і щосили почне гребти геть від діри — він ніколи не випливе, оскільки назустріч йому вода буде текти швидше швидкості звуку, а сам він не може перевищити швидкість звуку. З цього моменту каченя приречений, хоча може і не знати цього. Він у будь-якому випадку буде падати в дірку і неминуче звалиться в чорну безодню в центрі.
 
Цей помаранчевий пунктир і називається «горизонтом чорної діри». Все, що перетинає його, вже не зможе повернутися і не може послати сигнал назовні. Хоча з точки зору самих об'єктів, що перетинають горизонт, з ними нічого особливого не сталося. А для утяток зовні ці об'єкти фактично зникають.
 
Треба сказати, що ідею цієї ілюстрації придумав не я, а канадський фізик Вільям Унру. Тільки у нього були рибки, а не Утятки.
 
А інший фізик — Леонард Сасскінд — придумав на прикладі того ж ставка показати, як працює роздування простору при розширенні Всесвіту. Цей випадок навіть цікавинками. Я покажу його всередині поста.
 
Ставок тут той же самий, але все дно рівномірно утиканий трубками, і через трубки рівномірно накачується вода.
 
Але тут має бути так, що накачування веде не до підвищення рівня води, а тільки до «розтіканню» поверхні — як якби вода переливалася через краї «посудини», в якому висота стінок трохи нижче рівня поверхні:
 
 image
 
Ідея в тому, щоб поверхня води залишалася усюди плоскою і її рівень залишався незмінним.
 
Нехай до запуску насосів качечки сиділи на воді нерухомо. Тоді після запуску насосів качечки почнуть розповзатися в усі сторони. І якщо площа судини величезна, то кожній уточке буде здаватися, що інші качечки почали рівномірно віддалятися від неї в сторони — причому легко бачити, що чим далі сусід, тим швидше він віддаляється. Якщо точніше, то якщо напір накачування не змінюється з часом, то швидкість віддалення сусіда прямо пропорційна відстані до нього.
 
Тепер уявіть те ж саме, але в нескінченному ставку і без стінок. Це не так просто уявити, але все ж спробуйте. Скажімо, спробуйте подумки розсунути ці стінки нескінченно далеко. Прийом не ідеальний, але на перший час згодиться.
 
Дно нескінченно в усі сторони, частокіл стирчать з дна трубок йде по ньому нескінченно в усі сторони.
 
 image
 
Насправді, для більшої строгості трубки на дні повинні поступово відсуватися один від одного по такому ж закону, за яким почали розсуватися поплавці (наприклад, перш нерухомі качечки — або осіннє листя) на поверхні ставка. Строй поплавців розріджується, і лад трубок на дні розріджуються разом з ними. Це потрібно, щоб вода з кожної трубки йшла тільки вертикально вгору (нарощуючи поверхню над трубкою), а не в сторони.
 
Відбувається буде виглядати однаково, очима якої б качечки ми не дивилися. Неважливо, яку качечку вважати центром. Виберемо будь-яку качечку, прікуем до неї центр малюнка і назвемо качечку Йованом.
 
Раз швидкість віддалення сусіда однозначно визначається відстанню від Йована до сусіда і росте з цим відстанню лінійно, то після якоїсь відстані швидкість води розженеться до швидкості звуку. Намалюємо навколо Йована уявний коло з цим радіусом.
 
 image
 
Вода за межами цього уявного кола тече від Йована і того швидше. Будь качечка, яка виявилася за межами цього кола, вже ніколи не зможе наблизитися до Йованові — адже качечки не можуть плавати швидше швидкості звуку. З цього моменту така качечка зможе тільки віддалятися від Йована. І ніякі послання до Йованові від такої качечки вже не дійдуть. Все, що виявляється за межами цього кола, для Йована фактично зникає. Хоча для перетинають цю рису об'єктів нічого особливого не трапляється.
 
 image
 
Так для кожної качечки виникає свій персональний «горизонт» в ситуації розширюється Всесвіту. Наша Всесвіт — теж приблизно така, але з однією важливою поправкою: накачування простору зараз посилюється. І в той час, як для качечки Йована в уявному ставку радіус горизонту не змінюється з часом, в нашій рідній Всесвіту всі такі горизонти зараз починають поступово звужуватися. Іншими словами, з часом зменшуватиметься обсяг Всесвіту, який нам доступний. Спочатку ми перестанемо бачити реліктове випромінювання (свічення Великого Вибуху), потім почнуть пропадати далекі галактики — і, нарешті, через багато мільярдів років для нас зникне все-все за межами Чумацького Шляху (треба сказати, до того часу Чумацького Шляху в колишньому вигляді вже не буде). А потім в нашій спостережуваного Всесвіту не залишиться взагалі нічого крім нас самих. Немов розвиток астрономії програється назад, до системи Птолемея.
 
Хей-хо.
 
® Klayman
 
Ознайомитися з самою книгою «Теоретичний мінімум. Все, що потрібно знати про сучасній фізиці »можна на сайті видавництва .
Так само придбати за хорошою ціною електронний або паперовий формат.
    
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.