Poill Dubha a Iniúchadh: Réaltaí Reoite agus Dynamos Imtharraingthe

Is superheroes imtharraingthe iad poill dhubha. Seo a scéal tionscnaimh, lena n-áirítear an Chéad Chogadh Domhanda, mustaches iontacha, agus Albert Einstein.

Cuid 1 de shraith ceithre chuid ar phoill dhubha. Sainmhíníonn an chuid seo cad is poll dubh ann, téann sé ar ais go dtí tús taighde poll dubh, agus taispeánann sé conas a tháinig fisiceoirí chun réitigh leis na rudaí aisteach seo a bheith ann. Labhróidh Cuid 2 faoin ról a imríonn poill dhubha i réaltraí agus faoin gcaoi ar féidir le rudaí dofheicthe a bheith ar chuid de na rudaí is gile sa chosmas. Míneoidh Cuid 3 conas a bhreathnaíonn réalteolaithe poill dhubha ag baint úsáide as na réadlanna is sofaisticiúla timpeall. Rachaidh Cuid 4 isteach ar an taobh aisteach d’eolaíocht na bpoll dubh: an chaoi a dtugann na rudaí seo dúshlán do theoiricí bunúsacha na fisice.

Lá suntasach ab ea an 11 Feabhra, 2016. Tar éis blianta fada de chuardach, d’fhógair eolaithe go raibh tonnta imtharraingthe aimsithe acu den chéad uair: suaitheadh ​​i struchtúr an spáis-ama a thaistealaíonn ar luas éadrom. Ach bhí an dara bua ag an bhfisic i bhfolach taobh istigh den cheann sin. Thug na tonnta an fhianaise is fearr dúinn go dtí seo go raibh cuid de na rudaí is suimiúla inár Cruinne ann: poill dhubha.

Is beag eolaithe na laethanta seo go bhfuil poill dhubha ann. Ach ar bhealach, tá ár gcuid fianaise go léir imthoisceach. Tá sé deacair poill dhubha a urramú. Súnntear an solas go léir a thiteann orthu, rud a fhágann go bhfuil siad beagnach dofheicthe.

Ar an láimh eile, is iad poill dhubha na powerhouse imtharraingthe is láidre is féidir. Nuair a dhíscaoileann siad réaltaí nó as scamaill gháis idir-réaltacha, téann an t-ábhar sin suas agus lonraíonn go geal. Is paradacsa dealraitheach é: rudaí dofheicthe a chríochnaíonn ar chuid de na rudaí is gile sa chruinne. Is féidir na poill dhubha ar a dtugtar quasars a fheiceáil billiúin solasbhliain ar shiúl.

Ní hionann sin agus na poill dhubha a fheiceáil go díreach. Tagann braite tonnta imtharraingthe ó 2016, áfach, ó phoill dhubha agus gan aon rud eile. Is trí dhomhantarraingt amháin a rinneadh an comhartha a fheiceann Réadlann Imtharraingthe-Tonn Laser Interferometer Laser (LIGO), rud a lig d’eolaithe athchruthú ar na cineálacha rudaí a rinne na tonnta gan cur isteach ó réaltaí nó gás nó aon rud eile.

Léargas an ealaíontóra ar an dá pholl dhubh a bhrath LIGO. Tabhair faoi deara an chaoi a ndéanann a ndomhantarraingt solas na réaltaí taobh thiar díobh a shaobhadh. Íomhá: An Tionscadal SXS (Insamhladh Spásanna eXtreme)

Chonaic LIGO dhá réad, faoi seach 36 agus 29 oiread mais na gréine, a chuaigh timpeall ar a chéile cúpla uair in aghaidh an tsoicind - codán suntasach de luas an tsolais - sular imbhuail sé i bpléascann tonnta imtharraingthe. Ní féidir ach poill dhubha a bheith chomh mór agus chomh beag sin ag an am céanna le fuip timpeall a chéile ag an luas sármhaith sin.

Ar ndóigh, tá eolaithe greedy: Teastaíonn breathnóireachtaí níos dírí uainn ná LIGOanna. Agus mé á scríobh seo, tá réalteolaithe ag brú sonraí ón Teileascóp Event Horizon (EHT), réadlann ina bhfuil mórán de theileascóip ar fud an phláinéid a bhreathnaigh ar pholl dubh lárnach Bhealach na Bó Finne ar feadh coicíse. Tá súil acu sa deireadh an chéad íomhá dhíreach de pholl dubh a sholáthar.

Is é LIGO agus EHT buaicphointe céad bliain de thaighde ar phoill dhubha agus tús ré iomlán nua fionnachtana. Sa tsraith seo, tabharfaidh mé achoimre ar a bhfuil foghlamtha againn faoi na rudaí aisteach seo agus na rudaí atá le foghlaim againn fós. Chun tús a chur leis, tá sé ina chuidiú dul ar ais go dtí an tús ...

Tosaíonn scéal na bpoll dubh, cosúil le Wonder Woman, san am atá thart ach éiríonn go maith leis sa Chéad Chogadh Domhanda. Rinne roinnt fisiceoirí ón 18ú haois tuairimíocht faoi “réaltaí dorcha,” rudaí atá dlúth go leor nach bhféadfadh solas éalú óna dtarraingt imtharraingthe. Mar sin féin, bhí a gcuid teoiricí neamhiomlán gan tuiscint iomlán ar solas agus domhantarraingt. D'éiligh sé sin teoiric ghinearálta Albert Einstein maidir le coibhneas, a foilsíodh den chéad uair i 1915 agus a tugadh chun críche an bhliain dar gcionn.

Ba réaltfhisiceolaí feiceálach Gearmánach é Karl Schwarzschild (1873–1916) agus úinéir ar ghruaig aghaidhe iontach. Mar thoradh ar a chuid oibre luatha ar choibhneasacht ghinearálta tuar poill dhubha. Grianghraf: Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften - Cartlann

Bhí an réaltfhisiceolaí agus an curadh mustache Karl Schwarzschild ar cheann de na chéad daoine a léigh agus a thuig saothar Einstein. Le linn dó a bheith ag fónamh in arm na Gearmáine, d’úsáid Schwarzschild coibhneasacht ghinearálta chun cur síos a dhéanamh ar an réimse imtharraingthe laistigh agus lasmuigh de réalta sféarúil, neamhshonrach. Cúpla mí díreach tar éis dó a chuid oibre a sheoladh chuig Einstein, fuair Schwarzschild bás de bharr ionfhabhtaithe, cosúil le go leor saighdiúirí eile ar dhá thaobh an chogaidh.

Bhí “réiteach Schwarzschild,” mar a thugtar air sa litríocht, bunaithe ar dtús ar leagan neamhiomlán na coibhneasachta ginearálta, ach d’aistrigh fisiceoirí eile é go dtí an fhoirm dheiridh den teoiric. Sa lá atá inniu ann, is minic gurb é an chéad rud a ghearrann fisiceoirí leanbh a gcuid fiacla agus iad ag déanamh staidéir ar choibhneasacht. Ach bhí tuar amháin ar réiteach Schwarzschild conspóideach.

Is éard is domhantarraingt ann maoin de mhais réad - an méid ábhair atá ann - agus a mhéid. Tá an réalta Betelgeuse, mar shampla, beagnach ocht n-uaire mais na gréine, ach toisc go bhfuil i bhfad níos mó spáis aici ná an ghrian, tá an domhantarraingt ar a dromchla i bhfad níos lú. Mar sin féin, má chomhbhrúigh tú an méid céanna maise i Betelgeuse i sféar níos lú ná thart ar 48 ciliméadar trasna (30 míle), insíonn réiteach Schwarzschild dúinn go dtarlaíonn rud aisteach. Go sonrach, ní éalódh aon rud ag druidim leis an réad ollmhór ach beag sin arís.

Cuimsíonn an “rud ar bith” sin solas.

Smaoinigh ar dhomhantarraingt cosúil le sruth in abhainn. Nuair a bhíonn an sruth sin milis, is féidir leat rámhaíocht a dhéanamh ina choinne; ní thitfidh do phláinéid nó do spásárthach isteach sa ghrian. Faoi fhormhór na gcoinníollacha, tabharfaidh an sruth tú i dtreo na gréine nó réalta nó pláinéid, rud a fhágfaidh go mbeidh na fithisí a bhreathnóimid orthu. Tá solas faoi réir an tsrutha imtharraingthe freisin.

Tá sruth poll dubh níos cosúla le coirp, agus ag pointe éigin, is cuma cé chomh deacair is a rámhaíonn tú, tarraingeoidh an sruth isteach tú. Tar éis cineál eas imtharraingthe, b’éigean duit “rámhaíocht” níos gasta ná luas an tsolais, atá in aghaidh dhlíthe na fisice. Tugtar “léaslíne an imeachta” ar an teorainn idir an chuid den sruth is féidir leat éalú fós agus an chuid ina bhfuil sé ró-láidir.

Léargas an ealaíontóra ar ábhar te ag dul timpeall ar pholl dubh. Cé go bhfuil an poll dubh dofheicthe, tugann sé uaidh féin na héifeachtaí a bhíonn ag a dhomhantarraingt chumhachtach ar ábhar máguaird. Is é an ciorcal dorcha “léaslíne imeachta” an phoill dhubh nach féidir le hábhar nó solas éalú uaidh. Íomhá: NASA / JPL-Caltech

Is poll dubh é réad le léaslíne imeachta. Níl teorainn den sórt sin ag an gcuid is mó de rudaí réalteolaíocha agus fiú laethúla - tá siad ró-mhór. Bheadh ​​do léaslíne imeachta féin níos lú ná adamh, mar sin b’éigean duit do mhais go léir a chomhbhrú isteach sa toirt bheag sin le bheith i do pholl dubh, rud nach molann mórchuid na ndochtúirí.

Is dócha go bhfuil an téarma “poll dubh” ón bhfisiceoir John Archibald Wheeler, a thaitin le téarmaí a dhéanamh suas do rudaí agus iad a úsáid díreach mar a bhí na téarmaí sin ann i gcónaí. Tá sé dicey an téarma seo a aistriú go litriúil: Tá sé drochbhéasach nó scaipthe i go leor teangacha. San Aontas Sóivéadach, áit ar fhorbair fisiceoirí teoiric na bpoll dubh go neamhspleách a bhuíochas le beartais ar an dá thaobh den Chuirtín Iarainn, tugadh “réaltaí reoite” ar phoill dhubha, téarma níos bisiúla, más rud é nach bhfuil níos cruinne.

Chuir smaoineamh léaslínte imeachta imní ar roinnt fisiceoirí, Einstein ina measc. Díreach mar a chuireann coibhneasacht ghinearálta síos ar phoill dhubha ní chiallaíonn sin go bhfuil siad ann sa bhfíor-Cruinne. Tar éis an tsaoil, déanann an teoiric cur síos ar roinnt rudaí nach bhfuil ann is dócha, cosúil le “poill bhána,” an leagan inbhéartaithe de phoill dhubha, a chuireann rudaí amach seachas iad a tharraingt isteach. Is é an cleas le haghaidh poll dubh é a fhoirmiú an chéad áit: Mura gceadaíonn na cruinne don domhantarraingt rudaí a chomhbhrú beag go leor, ní bheadh ​​sna poill dhubha ach corr matamaiticiúil.

Albert Einstein agus J. Robert Oppenheimer i 1950. Grianghraf poiblíochta a bhí anseo, mar ní raibh mórán le déanamh ag na fisiceoirí lena chéile, ach ní féidir scéal poll dubh a bheith agat gan pictiúr Einstein. Chuidigh obair Oppenheimer le taispeáint go raibh poill dhubha mar thoradh dosheachanta ar thitim imtharraingthe réaltaí an-ollmhóra. Grianghraf: Gníomhaireacht Laghdaithe Bagairt Cosanta Rialtas na SA

Ar an ábhar sin, rinne a lán fisiceoirí - cosúil le J. Robert Oppenheimer, a rith sciathán eolaíoch Thionscadal Manhattan ina dhiaidh sin - iarracht a dhéanamh amach conas poill dhubha a dhéanamh as réaltaí a bhí ag titim as a chéile. De ghnáth, cothromaíonn brú gáis arna thiomáint ag croí te réalta domhantarraingt. Thaispeáin Oppenheimer agus daoine eile má sháraíonn réalta mais áirithe, nuair a ritheann sí as breosla núicléach, ní féidir léi brú go leor a choinneáil chun í a choinneáil siar ó thitim isteach i bpoll dubh.

Tháinig an clincher fíor sna 1960idí, nuair a léirigh fisiceoirí, lena n-áirítear Stephen Hawking agus Roger Penrose, nuair a shroichtear pointe dumpála áirithe i dtitim imtharraingthe, ní féidir le haon rud poll dubh a chosc ó fhoirmiú. Cruthúnas cumhachtach matamaiticiúil a bhí ann, ach cheap daoine áirithe go mb’fhéidir nach mbeadh poill dhubha ann sa saol mór - nó fiú dá ndéanfaidís, d’fhéadfadh go mbeadh siad do-thuigte ag baint úsáide as teileascóip.

Sa chéad tráthchuid eile den tsraith seo, fiosróidh mé conas a chuaigh poill dhubha ó bhréagán fisice teoiriciúil go rud a bhreathnaíonn réalteolaithe go rialta.