don_beaver (don_beaver) wrote,
don_beaver
don_beaver

Categories:

Как пинаются эйнштейновские черные дыры?

Совсем не так, как ньютоновские! Часто эйнштейновскую теорию воспринимают как ньютоновскую, к которой добавили три известных эффекта, в которых Эйнштейн обычно не противоречил Ньютону, а усиливал его. Но мало кто знает, что существует эффект, в котором Эйнштейн и Ньютон приходят к противоположным выводам. Пусть у нас есть две черные дыры разной массы. Большая черная дыра покоится, а дыру поменьше мы отправим с небольшой скоростью по прямой линии на лобовое соударение с большой дырой. Что будет, когда дыры сблизятся и сольются? Ньютон уверенно скажет, что суммарная черная дыра будет двигаться в том же направлении, куда летела дыра поменьше. Только скорость суммарной дыры будет меньше из-за увеличения массы. Закон сохранения импульса!

В последние годы стали проводить множество численных экспериментов со столкновениями черных дыр. И, как выяснилось, две неодинаковые эйнштейновские черные дыры при слиянии ведут себя парадоксально: суммарная дыра начинает двигаться в направлении, откуда прилетела меньшая дыра! Это называется «Antikick», и он явно нарушает ньютоновскую логику.
Сейчас написано немало работ, в которых делаются попытки физической интерпретации этого «антипинка» - см. например, Rezzolla et al «Understanding the "anti-kick" in the merger of binary black holes”, 2010 (https://arxiv.org/abs/1003.0873). Эти интерпретации сделаны на основе гравитационных волн, анизотропной кривизны и т.д., но как-то они меня мало устраивали: хотелось что-то наглядное и убедительное. И вот чего придумал, хотя и не настаиваю – интерпретации часто вещь посложнее, чем расчеты.

Рассмотрим ситуацию с двумя дырами на языке потенциала GM/R, который их окружает. Это можно воспринимать как резиновую пленку, продавленную тяжелыми шарами. Легко увидеть, что для любых черных дыр, для которых 2GM/Rc^2=1, потенциал имеет одинаковую глубину на границе дыр: (c^2)/2. Таким образом, мы рассматриваем две сближающиеся воронки с одинаковой глубиной, но с разным размером плоского дна. Как известно со времен Эйнштейна, кружка выпадает из ослабевших рук и летит к земле, не потому что её притягивает Земля, а потому что она реагирует на окружающее её пространство, искривленное Землей. Если в какой-то момент Земля исчезнет, то кружка будет продолжать ускоренно падать – пока не получит сигнал об исчезновении Земли. Если перевести это на язык потенциала или воронки вокруг черной дыры, то какое-то тело, которое пытается вырваться из воронки, будет падать назад не из-за дыры, а из-за наклона воронки. Каждая часть черной дыры или любого гравитирующего тело падает в этой воронке, но падать приходится по кругу, что вызывает взаимную компенсацию и суммарный покой дыры или тела. И вот к нашей воронке приближается другая воронка и её потенциал складывается с нашим. Вокруг нашей дыры возникает асимметрия – склон, обращенный к маленькой черной дыре, становится пологим, а обратный склон только усиливается. И тогда большая черная дыра начинает двигаться из-за реакции на собственный потенциал – и начинает двигаться в направлении к меньшей дыре. Та тоже ускоряется по аналогичной причине, только реагируя на свой потенциал с противоположной стороны. А когда две дыры сталкиваются, то оказывается, что большая массивная дыра обладает большим импульсом (который, напоминаю, она набрала от асимметрии собственного потенциала) – и суммарная дыра начинает двигаться в том же направлении, что и большая дыра – или в обратном направлении к движению малой дыры.

Мне кажется это объяснение более наглядным. Конечно, понятно, что закон сохранения импульса выполняется - и это гравитационная волна унесла импульс, разрешив всей системе двигаться совсем не туда, куда думал Ньютон. Но тут важно, что это волна не классического периодического типа, а нечто вроде одинокого склона потенциала, по которому скатилась слившаяся дыра, а сама волна отправилась восвояси. Как я полагаю, именно такой склон потенциала и отвечает за антигравитацию, вызвавшую Большой Взрыв. Ведь если взять такие пары неодинаковых дыр, построить из них сферическую оболочку, а потом разом «подорвать» все дыры, то оболочка из суммарных дыр будет разлетаться во все стороны из-за очевидно отталкивающего потенциала, хотя, как мы знаем из учебников, гравитация «всегда притягивает».
Tags: Научные истории
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 34 comments