Apa itu singularitas? Apa yang ada di tengah lubang hitam? Khusus tentang ruang-waktu

Jadi karena saya hanya dapat benar-benar memikirkan ruang-waktu dalam 2-dimensi seperti selembar sesuatu, asumsi saya mungkin salah untuk memulainya. Saya sedang menonton video YouTube di lubang hitam dan ada lelucon tentang lubang hitam dan lengkungan waktu ruang mereka, ke titik di mana narator mengatakan sesuatu di sepanjang baris "tidak ada di pusat lubang hitam tapi gravitasi telah melengkungkan ruang waktu sehingga mempengaruhi 'lubang jarum' inilah yang menyebabkan perilaku lubang hitam ” .

Pertanyaan saya adalah:

1. Ketika sebuah bintang mati dan runtuh ke dalam lubang hitam, apa yang ada di pusatnya? Massa bintang dipadatkan menjadi ukuran panjang papan, atau sesuatu yang serupa kecilnya? Apakah benar-benar tidak ada apa-apa di tengah lubang hitam? Tentunya, intinya runtuh menjadi sesuatu yang sangat kecil bukan?
2. Apa yang dimaksud dengan singularitas? Apakah hanya lengkungan ruang-waktu yang membuatnya seperti ini?

Ini lebih merupakan pertanyaan untuk tumpukan Fisika, tetapi saya akan mencobanya, karena ini cukup mendasar.

Anda perlu memahami sesuatu sebelum kita mulai. Kerangka teoritis yang harus kita ukur dan jawab hal semacam ini disebut Relativitas Umum, yang diusulkan oleh Einstein pada tahun 1915. Kerangka kerja ini menjelaskan hal-hal seperti gravitasi, lubang hitam, atau hampir semua fenomena di mana kepadatan massa atau energi yang besar terlibat .

Ada bab lain dalam Fisika yang disebut Mekanika Kuantum. Ini menggambarkan, biasanya, apa yang terjadi pada skala yang sangat kecil - hal-hal yang sangat kecil.

Baik GR dan QM baik-baik saja dengan caranya sendiri. Keduanya diuji terhadap kenyataan dan bekerja dengan sangat baik. Tetapi mereka tidak kompatibel satu sama lain. Artinya: Anda tidak dapat menggambarkan fenomena dari perspektif GR dan QM, keduanya sekaligus. Atau artinya: kita tidak memiliki seperangkat persamaan yang koheren yang bisa kita tuliskan, dan kemudian "mengekstrak" darinya baik itu tampilan realitas mirip GR, atau tampilan seperti QM.

Masalahnya adalah, pusat lubang hitam adalah kepadatan massa yang sangat tinggi dan gravitasi yang sangat tinggi (dan karena itu tepat di bidang GR), dan sangat kecil (dan karena itu "seperti kuantum"). Untuk menghadapinya dengan benar, kita harus mendamaikan GR dan QM dan bekerja dengan keduanya sekaligus. Ini tidak mungkin dengan fisika saat ini.

Kami cukup banyak harus berpegang pada GR hanya untuk saat ini, ketika berbicara tentang lubang hitam. Ini pada dasarnya berarti bahwa apa pun yang kita katakan tentang pusat lubang hitam mungkin tidak lengkap, dan dapat direvisi lebih lanjut.

Sebuah bintang mati, runtuh ke dalam lubang hitam, apa yang ada di tengah? Massa bintang dipadatkan menjadi ukuran panjang papan atau sesuatu yang serupa kecil? Apakah benar-benar tidak ada apa-apa di pusat lubang hitam ?, tentu saja intinya runtuh menjadi sesuatu, benar-benar sangat kecil?

Menurut Relativitas Umum, itu runtuh sampai habis. Bukan hanya "sangat kecil", tetapi lebih kecil dan lebih kecil sampai ukurannya persis nol. Kepadatan menjadi tak terbatas.

Anda tidak dapat mengatakan "Panjang papan" karena, ingat, kami tidak dapat menggabungkan GR dan QM, kami tidak tahu caranya. Yang kita miliki di sini adalah GR, dan GR mengatakan semuanya turun.

Sangat mungkin bahwa singularitas itu bukan fisik, tetapi hanya matematika - dengan kata lain, apa pun yang ada di pusat sebenarnya bukan ukuran nol. Mekanika kuantum khususnya akan tersinggung oleh hal-hal berukuran nol. Tetapi kita tidak bisa mengatakan dengan pasti karena pengetahuan kita di sini tidak lengkap.

Saya menggunakan kata-kata seperti "ukuran" (yang menyiratkan ruang) dan "menjadi" (yang menyiratkan waktu). Tetapi ruang dan waktu dalam konteks black hole sangat serius. "Menjadi" dari lubang hitam sampai ke titik nol adalah kenyataan hanya bagi pengamat yang beruntung yang terjebak di dalamnya. Tetapi bagi pengamat eksternal yang jauh, proses ini diperlambat dan diperluas hingga ditambah tanpa batas (hanya selesai setelah waktu yang sangat lama). Kedua pengamat itu benar, BTW.

---

EDIT:

Jadi, ketika kita mengatakan "kerapatan tidak terbatas dan ukuran adalah nol pada singularitas", bahasa ini berlaku untuk pengamat yang malang diseret ke bawah di tengah keruntuhan awal bintang.

Namun dari sudut pandang pengamat yang jauh, sebuah lubang hitam masih berupa kumpulan massa (bintang asli) dalam volume yang tidak nol (horizon peristiwa BH). Bagi pengamat ini, kerapatan benda itu terbatas, dan ukurannya jelas bukan nol. Dari perspektif ini, apa pun yang jatuh ke dalam BH tidak pernah selesai jatuh, tetapi semakin melambat.

Kedua pengamat itu benar. Jadi, perlu diingat, ketika saya berbicara tentang "kepadatan tak terbatas", itulah sudut pandang pengamat dalam.

---

Apa itu singularitas? Apakah hanya lengkungan waktu ruang yang membuatnya seperti ini?

Anda mendapatkan singularitas setiap kali ada pembagian dengan nol di persamaan, atau ketika persamaan entah bagaimana memiliki pada titik itu. Ada banyak jenis singularitas dalam sains.

http://en.wikipedia.org/wiki/Mathematical_singularity

Dalam konteks lubang hitam, pusat dikatakan sebagai singularitas gravitasi, karena kepadatan dan gravitasi disarankan menjadi tak terbatas, menurut persamaan GR.

GR mengatakan: ketika Anda memiliki segumpal materi yang cukup besar, ia mulai runtuh dengan sangat keras, tidak ada yang bisa menghentikannya. Itu terus jatuh dan jatuh ke dalam dirinya sendiri, tanpa batas apa pun. Ekstrapolasi proses ini, dan mudah untuk melihat bahwa ukurannya cenderung nol, dan kepadatan cenderung ke nilai yang tak terbatas.

---

EDIT:

Dengan kata lain - jika kerapatan menjadi cukup besar, gravitasi sangat besar, tidak ada gaya lain yang cukup kuat untuk menahannya. Itu hanya menghancurkan semua hambatan yang ditimbulkan oleh materi untuk menentang penghancuran lebih lanjut. Gumpalan materi itu menghancurkan dirinya sendiri, gravitasinya sendiri menyatukannya semakin kecil ... semakin kecil ... dan seterusnya. Menurut teori saat ini, tidak ada yang menghentikannya (QM mungkin menghentikannya, tetapi kami tidak dapat membuktikannya, karena kami tidak memiliki matematika). Jadi itu hanya berputar dalam siklus setan gravitasi yang terus meningkat yang meningkat dengan sendirinya.

Ruang dan waktu benar-benar patologis di dalam cakrawala peristiwa. Jika Anda sudah berada di dalam, tidak ada jalan keluar. Ini bukan karena Anda tidak bisa bergerak cukup cepat, tetapi karena benar-benar tidak ada jalan keluar . Tidak masalah ke arah mana Anda menoleh, Anda sedang melihat ke singularitas pusat - baik dalam ruang maupun waktu. Tidak ada lintasan yang dapat Anda buat, mulai dari bagian dalam horizon peristiwa, yang mengarah ke luar. Semua lintasan menunjuk pada singularitas. Semua kemungkinan masa depan Anda, jika Anda berada di cakrawala acara, akhiri di singularitas pusat.

---

Jadi, mengapa pusat lubang hitam disebut "singularitas"? Karena semua jenis diskontinuitas dan pembagian dengan nol melompat keluar dari persamaan, ketika Anda mendorong matematika ke batas, mencoba menggambarkan pusat lubang hitam, dalam bingkai GR.

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_singularity

Secara umum, fisikawan tidak suka singularitas. Dalam kebanyakan kasus, ini merupakan indikasi bahwa peralatan matematika telah rusak, dan beberapa perhitungan lain diperlukan pada saat itu. Atau mungkin menunjukkan bahwa fisika baru sedang berlangsung di sana, menggantikan fisika lama.

Satu hal terakhir: hanya karena kita tidak memiliki teori GR / QM gabungan untuk sepenuhnya menggambarkan pusat lubang hitam, itu tidak berarti penelitian GR murni di bidang ini adalah "salah" atau "tidak berguna". Itu tidak berarti orang bisa membayangkan fantasi sewenang-wenang yang terjadi di dalam lubang hitam.

Para astronom akhir-akhir ini mulai mengamati benda-benda kosmik yang sangat mirip lubang hitam , dan sifat-sifat yang diamati sangat sesuai dengan apa yang diprediksi GR untuk hal-hal seperti itu. Jadi penelitian di bidang ini harus dilanjutkan, karena jelas di jalur yang benar, setidaknya dengan cara yang dapat kita verifikasi hari ini dalam astronomi.

Seperti yang orang lain katakan, secara matematis, singularitas adalah ketika ada upaya untuk membagi dengan nol. Ambil contoh, lubang hitam Schwarzschild. Ini adalah lubang hitam yang tidak memiliki muatan listrik atau momentum sudut; Ini adalah jenis lubang hitam yang paling sederhana.

Menurut relativitas umum, gravitasi adalah pembengkokan ruangwaktu. Lengkungan ruang dapat diekspresikan menggunakan sesuatu yang disebut metrik , yang mirip dengan rumus jarak yang kita gunakan dalam geometri. Metrik dasar yang menggambarkan ruangwaktu empat dimensi Minkowski "datar" tampak seperti ini Ini adalah metrik yang digunakan dalam relativitas khusus.

$$\mathrm{d}s^2 = -c^2\mathrm{d}t^2 + \mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2$$

Namun, metrik juga dapat diekspresikan dalam berbagai sistem koordinat. Ambil, misalnya, metrik Schwarzschild , yang menggambarkan ruangwaktu di luar tubuh besar. Dalam koordinat bola, itu adalah Ada cara lain untuk menulis metrik ini yang membuat poin saya selanjutnya menjadi lebih baik, tetapi formulir ini masih berfungsi. Ada dua singularitas dalam metrik ini: dan , di mana disebut jari-jari Schwarzschild. Singularitas pada dasarnya adalah titik dalam persamaan di mana Anda dipaksa untuk membaginya dengan nol (Pikirkan grafik r=0r= r s r s y=1 / xx=0r=0r= r

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1-\frac{r_s}{r}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-\frac{r_s}{r}\right)^{-1}\mathrm{d}r^2 + r^2\left(\mathrm{d}\theta^2+\sin^2\theta\,\mathrm{d}\phi^2\right)$$ $r = 0$$r = r_s$$r_s$$y = 1/x$ . Anda mencapai singularitas pada ). Namun, hanya satu yang merupakan singularitas fisik sejati, pada , sedangkan disebut singularitas koordinat , yang muncul dari koordinat pilihan kami. Ada berbagai cara untuk mengekspresikan metrik Schwarzschild yang membuat ini lebih jelas; salah satu contohnya adalah dalam koordinat Eddington-Finkelstein.$x = 0$$r = 0$$r = r_s$

$r = 0$ adalah satu-satunya singularitas fisik sejati, seperti yang saya nyatakan di atas; kita dapat menemukan ini dari analisis tensor kelengkungan Riemann, yang tidak akan saya bahas karena saya telah belajar bahwa saya tidak terlalu bagus dalam menjelaskan tensor, dan karena itu bukan inti dari jawaban saya.

Jadi, pada dasarnya, solusi persamaan Einstein untuk black hole hanya memberi tahu kita bahwa singularitas adalah titik di mana ada kelengkungan tak terbatas dalam ruang dan waktu. Kami hanya tahu keberadaan mereka melalui persamaan matematika, yang bertentangan dengan penemuan eksperimental langsung. Namun, singularitas juga dapat dengan mudah menjadi hasil dari persamaan yang tidak berhubungan dengan singularitas "tak terbatas" yang umumnya disebut. Singularitas dalam persamaan tidak selalu singularitas di dunia fisik.

2) Apa itu singularitas? Apakah hanya lengkungan waktu ruang yang membuatnya seperti ini?

Singularitas adalah titik dalam ruang-waktu di mana model fisik saat ini yang kita gunakan untuk menggambarkan kekuatan dan bagaimana partikel berperilaku yaitu memberi kita tidak ada informasi (atau memberi kita semua informasi) dan dengan demikian tidak ada prediksi yang dapat dibuat. Juga singularitas dapat dijelaskan dari berbagai perspektif:

• Singularitas ruangwaktu adalah gangguan dalam struktur geometris ruang dan waktu.

• Dalam relativitas umum, singularitas adalah tempat yang dapat dicapai benda atau sinar cahaya dalam waktu yang terbatas di mana kelengkungan menjadi tak terbatas, atau ruang-waktu berhenti menjadi bermacam-macam.

Tapi semuanya kembali ke apa yang saya sebutkan di awal.