Thread by @Mitokochan

Opět všechny zdravím, páteční #fyzivlakno je tu a pokračujeme v černých dírách! Dneska budou všechny ty bamboozly a brainfucky, na který se těšíte, dokonce vyšleme dobrovolníka na jednosměrnou cestu do černé díry. Jdeme na to.

Posledních několik vláken jsme budovali historický podklad a vytyčovali důležitá fakta, která nyní zužitkujeme při studiu vlastností a chování černých děr. Pokud se na to chcete před čtením dnešního vlákna mrknout, klikněte zde:

https://twitter.com/Mitokochan/status/1357779335386701827

Co bych však vypíchla jako zatím nejdůležitější, je fakt, že černé díry, které ve vesmíru pozorujeme, vznikají gravitačním zhroucením extrémně hustého jádra masivních hvězd. Podmínky, za nichž se jádro hvězdy zhroutí do černé díry, udává Schwarzschildův poloměr.

Tento poloměr koresponduje s poloměrem tzv. horizontu událostí a bude to první “divnost”, na kterou se dnes podíváme.



Povídali jsme si o tom, že obecná relativita vysvětluje gravitaci geometricky, pomocí nějakého zakřivení časoprostoru.

https://twitter.com/Mitokochan/status/1350181850384314368

Toto zakřivení pak ovlivňuje pohyb hmoty a hmota pak zas říká časoprostoru, jak se má zakřivovat. Jedná se tedy o takový tanec mezi časoprostorem a hmotou, což my vidíme jako gravitační přitahování.

Podívejme se tedy, jaké podivnosti se okolo horizontu událostí dějí. K tomu vyberme statečného dobrovolníka, který se rozhodne ve jménu vědy do jedné černé díry skočit. Možná by to nemusel ani být člověk, vyberme radši robota a nazvěme ho Milan.

Milan tedy vyskočí z rakety, která sedí v bezpečné vzdálenosti, a padá směrem do černé díry.

Zároveň, abychom posbírali nějaká data, zadáme Milanovi úkol. Každých pět vteřin vyšle směrem k raketě laserový pulz.

Zvědavci v raketě i na Zemi nervózně pozorují, co se děje. Chvíli se neděje nic, Milan prostě jen zrychluje směrem k černé díře a každých pět vteřin zaznamenáme, že k nám byl vyslán laserový signál. Čím víc se ale Milan blíží černé díře, tím divnější se začnou dít věci.

První, čeho si všimneme, je, že laserové pulzy už nechodí každých pět vteřin, ale že je mezi nimi pořád větší prodleva. Tenhle fakt souvisí s tím, že Milanův čas se oproti našemu času začíná vlivem gravitačního působení zpomalovat.

Čím je tedy Milan blíž singularitě, tím se jeho čas vůči našemu zpomaluje a zpomaluje až do chvíle, než překročí horizont událostí. Co se stane pak?

Tady právě záleží, koho se ptáte. Pokud se ptáte Milana, tak vám řekne, že se z jeho pohledu nic nezměnilo, ani si nevšimne, že horizont událostí překročil. Z pohledu lidí na raketě se ale zdá, jako kdyby Milan najednou v určitý okamžik “zamrzl”.

Je to jako kdyby někdo pauznul film. Milan už se dále nijak nepohybuje a z našeho pohledu je navždy zamrzlý v okamžiku těsně předtím, než spadne za horizont událostí. V téhle pozici zůstane z našeho pohledu navždy, i kdybychom se na něj dívali nekonečně dlouho.

Z Milanova pohledu se však nic takového neděje, on rozhodně žádné zamrznutí necítí, což je neuvěřitelný brainfuck, protože z jeho pohledu se určitá událost (přepadnutí za horizont událostí) jednoznačně stala, ale z našeho pohledu k tomu v celé historii vesmíru nikdy nedošlo!

Černá díra se tedy vnějším pozorovatelům jeví jako oblast, v níž k určitým událostem nikdy nedojde, kde se doslova navždy zastavil čas. Tak se to jeví však pouze nám, kteří se na to díváme z zvnějšku.

Tenhle poznatek vede k dalšímu neskutečnýmu brainfucku: všechno, co kdy do černý díry spadlo, je pro nás, v “normální” části vesmíru, na jejím povrchu navždy zamrzlé v okamžiku těsně předtím, než to překročilo horizont událostí.

...jen to pro nás není bohužel viditelné kvůli extrémnímu rudému posuvu. Ale ráda si to představuju jako na obrázku nahoře.

Proto se horizont událostí nazývá horizont událostí — je to totiž soubor událostí, kterým ještě můžeme přiřadit časovou souřadnici, u nichž můžeme zodpovědět otázku “Kdy se to stalo?”. Za horizontem událostí už ničemu nemůžeme přiřadit odpověď na otázku “kdy”.

K tomu, co se děje po překročení této hranice a k událostem, které se “dějí pak”, nemáme přístup a nikdy ho mít nebudeme. Nemůžeme jim ani přiřadit žádný čas, protože se z našeho pohledu nikdy nestanou. Uff.

Další divná věc, která s horizontem událostí souvisí, je fakt, že úniková rychlost je vyšší, než rychlost světla. Co je to úniková rychlost? To je rychlost, kterou potřebujete, abyste opustili gravitační pole určitého objektu, tj. abyste nespadli zpátky.

U černé díry pak vidíme, že ani světlo, které překročilo horizont událostí, se z gravitačního působení nedostane a vzhledem k tomu, že rychlost světla je nejvyšší dosažitelná rychlost ve vesmíru, tak se odtamtud nedostane ani nic jiného.

Myslím, že tenhle fakt o únikové rychlosti je tak nějak všeobecně známý a nikoho už moc nepřekvapí, proto teď nabídnu trochu hlubší pohled za použití poznatků z obecné relativity.

Jak už jsem zmínila v předchozích vláknech, černá díra způsobí extrémní zakřivení časoprostoru.

Přechodem přes horizont událostí se stane však extrémně podivná věc — čas a prostor si “vymění role”. Co to ksakru znamená takový výrok? K tomu se nejdřív musíme podívat na to, jak ve fyzice zaznamenáváme události.

K tomu, abychom mohli studovat fyzikální jevy na papíře, si volíme soustavu souřadnic. Určitě znáte kartézskou soustavu, která má dvě případně tři osy, které reprezentují prostor. Když pak chcete popsat nějaký jev, použijete souřadnice, které vyčtete z nakreslené soustavy.

Když chcete reprezentovat časoprostor, tak se situace trochu komplikuje, protože byste museli umět na papír zakreslit čtyři dimenze, a to, jak už jsme si říkali, bohužel není možné. Co však můžete udělat je snížit počet prostorových dimenzí na jednu nebo dvě.

Na třetí osu pak vynášíte čas. Co s takovým grafem můžete dělat? Můžete do něj zakreslovat všechny události, které vás ovlivnily a které můžete ovlivnit vy. Proč to tak je? Protože informace se může šířit maximálně rychlostí světla.

Proto není možné, abyste ovlivnili událost rychleji, než kolik bude trvat světelnému paprsku, aby se dostal od vás k dané události.

Dám konkrétní příklad, aby se to lépe představovalo. Světlu, které putuje od Slunce, trvá přibližně sedm minut, aby se dostalo k Zemi.

Kdyby v jeden moment Slunce zmizelo, tak se to na Zemi dozvíme až za sedm minut, protože tak dlouho bude trvat této informaci, aby k nám dorazila. Během těch sedmi minut si ničeho nevšimneme a na obloze bude Slunce svítit stále.

Země se bude pohybovat pořád stejně, protože gravitace bude působit do té samé doby, dokud k nám nedorazí informace skrz světlo, že Slunce zmizelo. Dřív to fyzikálně není možné, protože rychleji k nám ta informace fyzicky dorazit nemůže.

Na grafech, kam vynášíme čas i prostor, reprezentujeme takové události pomocí plochy uvnitř kuželu. Směrem nahoru plyne čas, do stran nalevo a napravo pak plyne prostor. To, co je uvnitř, jsou všechno události, které mě mohly fyzikálně ovlivnit a které já mohu fyzikálně ovlivnit.

Co se ale s takovým grafem stane blízko černé díry? Kužel, který sahá do naší budoucnosti, se bude stále více a více stáčet směrem, kudy nás stahuje gravitace. Znamená to, že v principu může nastat menší počet situací, kdy se vyhnete pádu do černé díry.

V momentě, kdy překročíte horizont událostí, se najednou souřadnice prohodí. Znamená to tedy, že stejně tak, jako je v našem vesmíru nevyhnutelné, že se časově pohybujete do budoucnosti, je za horizontem událostí nevyhnutelné, že spadnete do singularity.

Je to naprosto schizofrenní moment, který se podobá situaci, kdy nehledě na to, kterým směrem se otočíte, jdete pořád do stejného místa. Singularita je tam nevyhnutelná stejně tak, jako je zde pro nás nevyhnutelná smrt.

Tak jo, s tímhle pozitivním a veselým závěrem dnes ukončíme tohle vlákno. Já vám opět strašně moc děkuju za vaše ohlasy, díky nim mě to tolik baví. Pokud si myslíte, že by to mohlo bavit i ostatní, tak mě prosím rtw, budu moc ráda. Mějte krásný víkend! ❤️