24.5: Mashimo Nyeusi
- Page ID
- 176851
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza upeo wa tukio unaozunguka shimo nyeusi
- Jadili kwa nini wazo maarufu la mashimo nyeusi kama monsters kubwa za kunyonya ambazo zinaweza kuingiza nyenzo kwa umbali mkubwa kutoka kwao ni makosa.
- Kutumia dhana ya spacetime warped karibu shimo nyeusi kufuatilia nini kinatokea kwa kitu chochote ambayo inaweza kuanguka katika shimo nyeusi
- Tambua kwa nini dhana ya umoja - na wiani wake usio na kipimo na kiasi cha sifuri-inatoa changamoto kubwa kwa ufahamu wetu wa jambo
Hebu sasa tutumie kile tulichojifunza kuhusu mvuto na upepo wa muda wa nafasi kwa suala tuliloanza nayo: msingi wa kuanguka katika nyota kubwa sana. Tuliona kwamba kama molekuli ya msingi ni kubwa kuliko juu ya 3\(M_{\text{Sun}}\), nadharia inasema kwamba hakuna kitu kinachoweza kuzuia msingi kuanguka milele. Tutachunguza hali hii kutoka kwa mitazamo miwili: kwanza kutoka kwa mtazamo wa kabla ya Einstein, na kisha kwa msaada wa uwiano wa jumla.
classical kuanguka
Hebu tuanze na jaribio la mawazo. Tunataka kujua ni kasi gani inahitajika kutoroka kutoka kuvuta mvuto wa vitu tofauti. Roketi lazima izinduliwe kutoka uso wa Dunia kwa kasi kubwa sana ikiwa ni kutoroka mvuto wa mvuto wa Dunia. Kwa kweli, kitu-roketi, mpira, kitabu cha astronomia ambacho kinatupwa hewani kwa kasi chini ya kilomita 11 kwa sekunde kitarudi nyuma kwenye uso wa dunia. Vitu hivyo tu vilivyozinduliwa kwa kasi kubwa kuliko kasi hii ya kutoroka vinaweza kupata mbali na Dunia.
Kasi ya kutoroka kutoka kwenye uso wa Jua iko juu bado —kilomita 618 kwa sekunde. Sasa fikiria kwamba tunaanza kuimarisha Jua, na kulazimisha kupungua kwa kipenyo. Kumbuka kwamba kuvuta kwa mvuto kunategemea wingi wote unaokuvuta na umbali wako kutoka katikati ya mvuto wa wingi huo. Ikiwa Jua limesisitizwa, umati wake utabaki sawa, lakini umbali kati ya uhakika juu ya uso wa Jua na kituo hicho kitapata ndogo na ndogo. Hivyo, kama sisi compress nyota, kuvuta mvuto kwa kitu juu ya uso kushuka itakuwa na nguvu na nguvu (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).
Jua linalopungua likifikia kipenyo cha nyota ya neutroni (takriban kilomita 20) kasi inayotakiwa kutoroka mvuto wake utakuwa karibu nusu kasi ya nuru. Tuseme tunaendelea kuimarisha Jua kwa kipenyo kidogo na kidogo. (Tuliona hii haiwezi kutokea kwa nyota kama Jua letu katika ulimwengu halisi kwa sababu ya kuzorota kwa elektroni, yaani, kupinduliwa kwa pamoja kati ya elektroni zilizojaa nguvu; hii ni “jaribio la mawazo” la haraka ili kupata fani zetu).
Hatimaye, kama Jua linapungua, kasi ya kutoroka karibu na uso ingezidi kasi ya mwanga. Ikiwa kasi unayohitaji kuondoka ni kasi zaidi kuliko kasi ya haraka iwezekanavyo katika ulimwengu, basi hakuna kitu, hata mwanga, kinachoweza kutoroka. Kitu kilicho na kasi kubwa ya kutoroka haitoi mwanga, na chochote kinachoanguka ndani yake hawezi kurudi.
Katika istilahi ya kisasa, tunaita kitu ambacho mwanga hauwezi kutoroka shimo nyeusi, jina maarufu na mwanasayansi wa Marekani John Wheeler kuanzia mwishoni mwa miaka ya 1960 (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Wazo kwamba vitu vile vinaweza kuwepo ni, hata hivyo, sio mpya. Profesa wa Cambridge na mwanaastronomia amateur John Michell aliandika karatasi mwaka 1783 kuhusu uwezekano kwamba nyota zenye kasi za kutoroka zinazidi ile ya mwanga zinaweza kuwepo. Na mwaka 1796, mtaalamu wa hisabati wa Kifaransa Pierre-Simon, marquis de Laplace, alifanya mahesabu sawa kwa kutumia nadharia ya Newton ya mvuto; aliita vitu vilivyotokana “miili ya giza.”
Wakati mahesabu haya mapema yalitoa vidokezo vikali kwamba kitu cha ajabu kinapaswa kutarajiwa ikiwa vitu vingi sana vinaanguka chini ya mvuto wao wenyewe, kwa kweli tunahitaji nadharia ya jumla ya relativity kutoa maelezo ya kutosha ya kile kinachotokea katika hali kama hiyo.
Kuanguka na Relativity
General relativity inatuambia kwamba mvuto ni kweli curvature ya spacetime. Kama mvuto unavyoongezeka (kama katika Jua lililoanguka la majaribio yetu ya mawazo), curvature inapata kubwa na kubwa. Hatimaye, ikiwa Jua lingeweza kupungua hadi kipenyo cha kilomita 6, mihimili ya mwanga tu iliyotumwa kwa uso kwa uso ingeweza kutoroka. Wengine wote wangeweza kuanguka nyuma kwenye nyota (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Ikiwa Jua lingeweza kuogopa kidogo zaidi, hata kwamba boriti moja iliyobaki ya mwanga haiwezi tena kutoroka.
Kumbuka kwamba mvuto hauunganishi kwenye nuru. Mkusanyiko wa suala una muda wa muda mfupi, na mwanga (kama chungu kilichofundishwa cha mfano wetu wa awali) ni “kufanya kazi nzuri” kwenda kwenye mstari wa moja kwa moja, lakini sasa unakabiliwa na ulimwengu ambao mistari ya moja kwa moja ambayo ilikuwa ikitembea nje imekuwa njia za pembe zinazoongoza nyuma. Nyota inayoanguka ni shimo jeusi katika mtazamo huu, kwa sababu dhana yenyewe ya “nje” haina maana ya kijiometri. Nyota imekuwa trapped katika mfuko wake mdogo wa spacetime, ambayo hakuna kutoroka.
Jiometri ya nyota inapunguza mawasiliano na ulimwengu wote kwa usahihi wakati ambapo, katika picha yetu ya awali, kasi ya kutoroka inakuwa sawa na kasi ya mwanga. Ukubwa wa nyota kwa wakati huu unafafanua uso tunayoita upeo wa tukio. Ni jina la ajabu linaloelezea: kama vile vitu vinavyozama chini ya upeo wetu haviwezi kuonekana duniani, hivyo chochote kinachotokea ndani ya upeo wa tukio haliwezi kuingiliana tena na ulimwengu wote.
Fikiria chombo cha angani cha baadaye kijinga cha kutosha kutua juu ya uso wa nyota kubwa kama inavyoanza kuanguka kwa njia tuliyokuwa tukielezea. Pengine nahodha amelala kwenye mita ya mvuto, na kabla ya wafanyakazi wanaweza kusema “Albert Einstein,” wameanguka na nyota ndani ya upeo wa tukio hilo. Frantically, wao kutuma kutoroka ganda moja kwa moja nje. Lakini njia za nje zinazunguka ili kuwa njia ndani, na ganda hugeuka na huanguka kuelekea katikati ya shimo nyeusi. Wanatuma ujumbe wa redio kwa wapendwa wao, wanapenda vizuri. Lakini mawimbi ya redio, kama mwanga, yanapaswa kusafiri kwa njia ya spacetime, na spacetime iliyopigwa inaruhusu chochote cha kutoka nje. Ujumbe wao wa mwisho bado haujasikika. Matukio ndani ya tukio upeo wa macho hawezi tena kuathiri matukio nje yake.
Tabia za upeo wa tukio ulifanyika kwanza na mwanaastronomia na mtaalamu wa hisabati Karl Schwarzschild (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Mwanachama wa jeshi la Ujerumani katika Vita Kuu ya Dunia, alikufa mwaka 1916 ya ugonjwa alioambukizwa wakati akifanya mahesabu ya shell ya silaha mbele ya Kirusi. Karatasi yake juu ya nadharia ya upeo wa tukio ilikuwa kati ya mambo ya mwisho aliyomaliza alipokuwa akifa; ilikuwa suluhisho halisi la kwanza kwa milinganyo ya Einstein ya relativity ya jumla. Radi ya upeo wa tukio huitwa radius Schwarzschild katika kumbukumbu yake.
Upeo wa tukio hilo ni mpaka wa shimo jeusi; mahesabu yanaonyesha kuwa haipatikani mara moja nyota nzima imeanguka ndani yake. Ni eneo linalotenganisha vitu vilivyowekwa ndani yake na ulimwengu wote. Kitu chochote kutoka nje pia trapped mara moja inakuja ndani ya tukio upeo wa macho. Ukubwa wa upeo wa macho hugeuka kutegemea tu juu ya wingi ndani yake. Ikiwa Jua, likiwa na masi yake ya 1\(M_{\text{Sun}}\), lingekuwa shimo jeusi (kwa bahati nzuri, haliwezi- hii ni jaribio la mawazo tu), radius Schwarzschild ingekuwa takriban kilomita 3; hivyo, shimo jeusi lote lingekuwa takriban theluthi moja ya ukubwa wa nyota ya neutroni ya masi hiyo hiyo. Chakula shimo nyeusi baadhi ya molekuli, na upeo wa macho utakua-lakini sio sana. Mara mbili ya molekuli itafanya shimo nyeusi kilomita 6 katika radius, bado ni ndogo sana juu ya kiwango cha cosmic.
Upeo wa tukio la mashimo meusi makubwa zaidi una radii kubwa. Kwa mfano, kama nguzo ya globular ya nyota 100,000 (raia wa jua) inaweza kuanguka kwenye shimo nyeusi, itakuwa kilomita 300,000 katika radius, kidogo chini ya nusu ya radius ya Jua. Ikiwa Galaxy nzima ingeweza kuanguka kwenye shimo jeusi, ingekuwa\(10^{12}\) kilomita tu katika radius—karibu sehemu ya kumi ya mwaka wa nuru. Misa ndogo huwa na upeo mdogo sawa: kwa Dunia iwe shimo jeusi, ingekuwa imesisitizwa kwenye radius ya sentimita 1 tu—chini ya ukubwa wa zabibu. Asteroid ya kawaida, ikiwa imevunjwa kwa ukubwa mdogo wa kutosha kuwa shimo nyeusi, ingekuwa na vipimo vya kiini cha atomiki.
Mfano\(\PageIndex{1}\): Hole Nyeusi ya Milky Way
Ukubwa wa upeo wa tukio la shimo nyeusi unategemea wingi wa shimo nyeusi. Misa kubwa, radius kubwa ya upeo wa tukio. Mahesabu ya jumla ya relativity yanaonyesha kwamba formula ya radius\(R_S\) Schwarzschild () ya upeo wa tukio ni
\[R_S=\dfrac{2GM}{c^2} \label{RS}\]
wapi\(c\) kasi ya mwanga,\(G\) ni mara kwa mara ya mvuto, na M ni wingi wa shimo nyeusi. Kumbuka kuwa katika formula hii, 2\(G\),, na wote\(c\) ni mara kwa mara; tu mabadiliko ya wingi kutoka shimo nyeusi na shimo nyeusi.
Kama tutakavyoona katika sura ya Galaxy ya Milky Way, wanaastronomia wamefuatilia njia za nyota kadhaa karibu na kituo cha Galaxy yetu na kugundua kwamba zinaonekana kuwa zinazunguka kitu kisichoonekana-kinachojulikana kama Sgr A* (kinachojulikana kama “Sagittarius A-star”) -na wingi wa takriban raia milioni 4 za jua. Ukubwa wa radius yake Schwarzschild ni nini?
Suluhisho
Tunaweza kubadilisha data kwa\(G\),\(M\), na\(c\) (kutoka Kiambatisho E) moja kwa moja kwenye Equation\ ref {RS}:
\[\begin{aligned} R_S & =\dfrac{2GM}{c^2}=\dfrac{2 \left( 6.67 \times 10^{−11} \text{ N} \cdot ·\text{ m}^2/\text{kg}^2 \right) \left( 4 \times 10^6\right) \left( 1.99 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}{ \left( 3.00 \times 10^8 \text{ m}/\text{s} \right)^2} \\ = 1.18×10^{10} \text{ m} \end{aligned} \nonumber\]
Umbali huu ni takriban moja ya tano ya radius ya obiti ya Mercury inayozunguka Jua, lakini kitu kina raia milioni 4 za jua na haliwezi kuonekana kwa darubini zetu kubwa zaidi. Unaweza kuona kwa nini wanaastronomia wanaamini kwamba kitu hiki ni shimo jeusi.
Zoezi\(\PageIndex{1}\)
Je, ni ukubwa gani wa shimo nyeusi ambalo lilikuwa na wingi tu kama lori la kawaida la pickup (kuhusu kilo 3000)? (Kumbuka kuwa kitu kilicho na molekuli kidogo hawezi kamwe kuunda shimo nyeusi, lakini ni ya kuvutia kufikiri juu ya matokeo.)
- Jibu
-
Kubadilisha data katika equation yetu inatoa
\[ \begin{aligned} R_S=\dfrac{2GM}{c^2}=\dfrac{2 \left( 6.67 \times 10^{−11} \text{ N} \cdot \text{ m}^2/\text{kg}^2 \right) \left( 3000 \text{ kg} \right)}{ \left( 3.00 \times 10^8 \text{ m}/\text{s} \right)^2}=1.33 \times 10^{−23} \text{ m.} \end{aligned} \nonumber\]
Kwa kulinganisha, ukubwa wa proton kawaida huchukuliwa kuwa karibu\(8 \times 10^{−16} \text{ m}\), ambayo itakuwa karibu mara milioni kumi kubwa.
nyeusi shimo hadithi
Sehemu kubwa ya ngano za kisasa kuhusu mashimo nyeusi ni kupotosha. Wazo moja unaweza kuwa na habari ni kwamba mashimo nyeusi kwenda juu ya kunyonya mambo juu na mvuto wao. Kwa kweli, ni karibu sana na shimo nyeusi kwamba madhara ya ajabu tumekuwa kujadili kuja katika mchezo. Kivutio cha mvuto mbali na shimo jeusi ni sawa na ile ya nyota iliyoanguka ili kuiunda.
Kumbuka kwamba mvuto wa nyota yoyote umbali mbali hufanya kama molekuli yake yote yalijilimbikizia kwenye hatua katikati, ambayo tunaita katikati ya mvuto. Kwa nyota halisi, sisi tu kufikiria kwamba wingi wote ni kujilimbikizia huko; kwa mashimo meusi, umati wote kweli ni kujilimbikizia katika hatua ya katikati.
Hivyo, kama wewe ni nyota au sayari ya mbali inayozunguka nyota inayokuwa shimo jeusi, obiti yako huenda isiathiriwa sana na kuanguka kwa nyota (ingawa inaweza kuathiriwa na hasara yoyote ya molekuli inayotangulia kuanguka). Ikiwa, kwa upande mwingine, unakaribia karibu na upeo wa tukio hilo, itakuwa vigumu sana kwako kupinga “kuvuta” ya muda uliopigwa karibu na shimo nyeusi. Una kupata kweli karibu na shimo nyeusi na uzoefu athari yoyote muhimu.
Kama nyota nyingine au spaceship ingekuwa kupita radii moja au mbili ya jua kutoka shimo jeusi, sheria za Newton zingekuwa za kutosha kuelezea nini kitatokea. Tu karibu sana tukio upeo wa macho ya shimo jeusi ni gravitation nguvu sana kwamba sheria Newton kuvunja. Mabaki ya shimo jeusi ya nyota kubwa inayoingia katika jirani yetu ingekuwa mbali, salama kwetu kuliko kuumbwa kwake awali kama nyota yenye kipaji, yenye moto.
MVUTO NA MASHINE WAKATI
Mashine ya muda ni moja ya vifaa vya favorite vya sayansi ya uongo. Kifaa hicho kitakuwezesha kuhamia wakati kwa kasi tofauti au kwa mwelekeo tofauti kutoka kwa kila mtu mwingine. General relativity unaonyesha kwamba inawezekana, kwa nadharia, kujenga mashine wakati kwa kutumia mvuto ambayo inaweza kuchukua wewe katika siku zijazo.
Hebu fikiria mahali ambapo mvuto ni nguvu sana, kama vile karibu na shimo nyeusi. Uhusiano wa jumla unatabiri kuwa nguvu ya mvuto, polepole kasi ya muda (kama inavyoonekana na mwangalizi wa mbali). Kwa hiyo, fikiria astronaut ya baadaye, na spaceship ya haraka na yenye nguvu, ambaye anajitolea kwenda kwenye ujumbe kwenye mazingira ya juu ya mvuto. Mwanaanga huondoka mwaka 2222, baada ya kuhitimu kutoka chuo kikuu akiwa na umri wa miaka 22. Anachukua, hebu sema, hasa miaka 10 kufikia shimo nyeusi. Mara baada ya hapo, yeye huzunguka umbali fulani kutoka kwao, akijali kutovunjwa.
Sasa yuko katika eneo la mvuto wa juu ambapo muda unapita polepole zaidi kuliko ilivyo duniani. Hii si tu athari juu ya utaratibu wa saa yake - wakati yenyewe ni mbio polepole. Hiyo ina maana kwamba kila njia anayo na wakati wa kupima itatoa kusoma sawa chini ikilinganishwa na wakati unaopita duniani. Moyo wake utapiga polepole zaidi, nywele zake zitakua polepole zaidi, wristwatch yake ya kale itachukua polepole zaidi, na kadhalika. Yeye hajui jambo hili kupunguza kasi kwa sababu masomo yake yote ya wakati, kama yaliyotolewa na kazi zake za mwili au kwa vifaa vya mitambo, ni kupima sawa-polepole wakati. Wakati huo huo, nyuma duniani, wakati hupita kama inavyofanya daima.
Mwanaanga wetu sasa anaibuka kutoka eneo la shimo nyeusi, ujumbe wake wa utafutaji umekamilika, na kurudi duniani. Kabla ya kuondoka, anaelezea kwa uangalifu kwamba (kulingana na wakati wake) alitumia muda wa wiki 2 karibu na shimo nyeusi. Kisha huchukua miaka 10 hasa kurudi duniani. Mahesabu yake yanamwambia kuwa tangu alipokuwa na umri wa miaka 22 alipoondoka Dunia, atakuwa na wiki 42 pamoja na 2 wakati anarudi. Kwa hiyo, mwaka duniani, yeye takwimu, lazima 2242, na wanafunzi wake wanapaswa sasa wanakaribia migogoro yao ya midlife.
Lakini mwanaanga wetu anapaswa kulipa kipaumbele zaidi katika darasa lake la astronomia! Kwa sababu muda ulipungua karibu na shimo jeusi, muda mdogo ulipita kwa ajili yake kuliko watu duniani. Wakati saa zake zilipima wiki 2 zilizotumika karibu na shimo jeusi, zaidi ya wiki 2000 (kulingana na jinsi alivyopata karibu) ingeweza kupita duniani. Hiyo ni sawa na miaka 40, maana wanafunzi wake watakuwa wananchi waandamizi katika miaka ya 80 wakati yeye (mwenye umri wa miaka 42 tu) anarudi. Duniani haitakuwa 2242, lakini 2282—na atasema kwamba amefika baadaye.
Je, hali hii ni kweli? Naam, ina changamoto chache za vitendo: hatufikiri mashimo yoyote meusi yana karibu kutosha ili tuweze kufikia katika miaka 10, na hatufikiri chombo chochote cha anga au mwanadamu anaweza kuishi karibu na shimo jeusi. Lakini jambo muhimu kuhusu kupunguza kasi ya muda ni matokeo ya asili ya nadharia ya jumla ya Einstein ya relativity, na tuliona kwamba utabiri wake umethibitishwa na majaribio baada ya majaribio.
Maendeleo hayo katika ufahamu wa sayansi pia huwa msukumo kwa waandishi wa sayansi ya uongo. Hivi karibuni, filamu hiyo Interstellar ilionyesha mhusika mkuu akisafiri karibu na shimo kubwa nyeusi; kuchelewa kwa kuchelewa kwa jamaa yake ya kuzeeka na familia yake ya ardhi ni sehemu muhimu ya njama.
Riwaya za uongo wa sayansi, kama vile Gateway na Frederik Pohl na A World Out of Time na Larry Niven, pia hutumia kupunguza kasi ya muda karibu na mashimo meusi kama pointi kuu za kugeuka katika hadithi. Kwa orodha ya hadithi za sayansi za uongo kulingana na astronomia nzuri, unaweza kwenda www.astrosociety.org/scifi.
Safari ya ndani ya shimo Nyeusi
Ukweli kwamba wanasayansi hawawezi kuona ndani ya mashimo meusi haukuwazuia wasijaribu kuhesabu wanavyo. Mojawapo ya mambo ya kwanza mahesabu haya yalionyesha ni kwamba malezi ya shimo jeusi huharibu karibu habari zote kuhusu nyota iliyoanguka ili kuiunda. Wanafizikia wanapenda kusema “mashimo meusi hayana nywele,” maana yake ni kwamba hakuna kitu kinachotoka kwenye shimo jeusi kutupa dalili kuhusu aina gani ya nyota iliyotengeneza au nyenzo gani imeshuka ndani. Taarifa pekee ya shimo nyeusi inaweza kufunua kuhusu yenyewe ni wingi wake, spin yake (mzunguko), na ikiwa ina malipo yoyote ya umeme.
Ni nini kinachotokea kwa kuanguka kwa nyota ya msingi ambayo ilifanya shimo nyeusi? Mahesabu yetu bora yanatabiri kwamba nyenzo zitaendelea kuanguka chini ya uzito wake mwenyewe, na kutengeneza uhakika usio na kikawa-mahali pa kiasi cha sifuri na wiani usio na kiko-ambayo tunatoa jina la umoja. Kwa umoja, muda wa nafasi huacha kuwepo. Sheria za fizikia kama tunavyojua zinavunjika. Hatuna ufahamu wa kimwili au zana za hisabati kuelezea umoja yenyewe, au hata kama singularities kweli hutokea. Kutoka nje, hata hivyo, muundo mzima wa shimo la msingi nyeusi (moja ambayo haipatikani) inaweza kuelezewa kama umoja unaozungukwa na upeo wa tukio. Ikilinganishwa na wanadamu, mashimo nyeusi ni vitu rahisi sana.
Wanasayansi pia wamehesabu nini kitatokea kama mwanaanga angeanguka ndani ya shimo jeusi. Hebu tuchukue nafasi ya kuchunguza umbali mrefu, salama mbali na upeo wa macho ya tukio na uangalie mwanaanga huyu akianguka kuelekea. Mwanzoni anaanguka mbali na sisi, akihamia milele kwa kasi, kana kwamba alikuwa akikaribia nyota yoyote kubwa. Hata hivyo, anapokaribia upeo wa tukio la shimo nyeusi, mambo yanabadilika. Uwanja wenye nguvu wa mvuto unaozunguka shimo jeusi litafanya saa zake ziendeshe polepole zaidi, zikionekana kwa mtazamo wetu wa nje.
Kama, kama yeye inakaribia tukio upeo wa macho, yeye hutuma nje ishara mara moja kwa sekunde kulingana na saa yake, tutaona nafasi kati ya ishara yake kukua kwa muda mrefu na muda mrefu mpaka inakuwa kubwa mno wakati yeye kufikia tukio upeo wa macho. (Akikumbuka majadiliano yetu ya mabadiliko ya mvuto wa mvuto, tunaweza kusema kwamba ikiwa astronaut anayetumia mwanga wa bluu kutuma ishara zake kila sekunde, tutaona nuru ikawa nyekundu na nyekundu mpaka wavelength yake iko karibu usio.) Kama nafasi kati ya tiba za saa inakaribia infinity, itaonekana kwetu kwamba astronaut anakuja polepole kuacha, waliohifadhiwa kwa wakati katika tukio upeo wa macho.
Kwa njia hiyo hiyo, jambo lote lililoanguka ndani ya shimo nyeusi litaonekana pia kwa mwangalizi wa nje kuacha kwenye upeo wa tukio hilo, waliohifadhiwa mahali na kuchukua muda usio na mwisho wa kuanguka kwa njia hiyo. Lakini usifikiri jambo hilo kuanguka ndani ya shimo nyeusi kwa hiyo litaonekana kwa urahisi katika upeo wa tukio hilo. Redshift kubwa itafanya kuwa vigumu sana kuchunguza mionzi yoyote kutoka kwa waathirika “waliohifadhiwa” wa shimo nyeusi.
Hii, hata hivyo, ni jinsi tu sisi, iko mbali na shimo nyeusi, kuona mambo. Kwa astronaut, wakati wake unaendelea kwa kiwango chake cha kawaida na yeye huanguka moja kwa njia ya tukio upeo wa macho ndani ya shimo nyeusi. (Kumbuka, upeo huu sio kizuizi cha kimwili, lakini ni kanda tu katika nafasi ambapo ukingo wa spacetime hufanya kutoroka haiwezekani.)
Unaweza kuwa na shida na wazo kwamba wewe (kuangalia kutoka mbali) na astronaut (kuanguka ndani) wana mawazo tofauti kuhusu kile kilichotokea. Hii ndiyo sababu mawazo ya Einstein kuhusu nafasi na wakati huitwa nadharia za relativity. Nini kila mwangalizi hatua kuhusu dunia inategemea (ni jamaa na) sura yake ya kumbukumbu. Mwangalizi katika mvuto mkali hupima muda na nafasi tofauti na yule aliyeketi katika mvuto dhaifu. Wakati Einstein alipendekeza mawazo haya, wanasayansi wengi pia walikuwa na shida na wazo kwamba maoni mawili tofauti ya tukio hilo yanaweza kuwa sahihi, kila mmoja katika “dunia” yake mwenyewe, na walijaribu kupata makosa katika mahesabu. Hakukuwa na makosa: sisi na astronaut kweli tungemwona akianguka ndani ya shimo nyeusi tofauti sana.
Kwa astronaut, hakuna kurudi nyuma. Mara moja ndani ya upeo wa tukio hilo, mwanaanga, pamoja na ishara yoyote kutoka kwa mtoaji wake wa redio, atabaki siri milele kutoka kwa ulimwengu nje. Hata hivyo, hatakuwa na muda mrefu (kwa mtazamo wake) kujisikia huruma mwenyewe anapokaribia shimo jeusi. Tuseme yeye ni kuanguka miguu kwanza. Nguvu ya mvuto ambayo umoja hufanya juu ya miguu yake ni kubwa zaidi kuliko kichwa chake, hivyo atatambulishwa kidogo. Kwa sababu umoja ni hatua, upande wa kushoto wa mwili wake utavutwa kidogo kuelekea kulia, na haki kidogo kuelekea kushoto, kuleta kila upande karibu na umoja. Kwa hiyo astronaut itakuwa imefungwa kidogo katika mwelekeo mmoja na aliweka katika nyingine. Wanasayansi wengine wanapenda kupiga mchakato huu wa kunyoosha na kupungua kwa tambi. Hatua ambayo astronaut huwa imetambulishwa sana kwamba anaangamia inategemea ukubwa wa shimo nyeusi. Kwa mashimo meusi yenye raia mabilioni ya mara masi ya Jua, kama vile yale yanayopatikana katika vituo vya galaxi, tambi huwa muhimu tu baada ya mwanaanga hupitia upeo wa macho wa tukio hilo. Kwa mashimo nyeusi na raia wa raia wachache wa jua, mwanaanga atatambulishwa na kuvunjwa hata kabla ya kufikia upeo wa tukio hilo.
Dunia ina vikosi sawa mawimbi juu ya astronaut kufanya spacewalk. Katika kesi ya Dunia, majeshi ya mawimbi ni ndogo sana kwamba hawana tishio kwa afya na usalama wa astronaut. Sio hivyo katika kesi ya shimo nyeusi. Hivi karibuni au baadaye, kama astronaut inakaribia shimo nyeusi, majeshi ya mawimbi yatakuwa makubwa sana kwamba astronaut itakuwa ripped mbali, hatimaye kupunguzwa kwa ukusanyaji wa atomi ya mtu binafsi ambayo itaendelea kuanguka yao inexorable katika umoja.
Kutoka majadiliano ya awali, labda utakubaliana kwamba kuruka ndani ya shimo nyeusi ni dhahiri uzoefu wa mara moja katika maisha! Unaweza kuona maelezo ya kuhusisha ya kifo kwa shimo nyeusi na Neil DeGrasse Tyson, ambapo anaelezea athari za vikosi vya mawimbi kwenye mwili wa binadamu mpaka hufa kwa tambi.
Maelezo kama hayo yanaweza kuonekana katika video hii ya Discovery Channel.
Dhana muhimu na Muhtasari
Nadharia inaonyesha kwamba nyota zilizo na vidonda vya stellar kubwa zaidi kuliko mara tatu wingi wa Jua wakati zinavyotolea mafuta yao ya nyuklia zitaanguka kuwa mashimo meusi. Upeo unaozunguka shimo nyeusi, ambapo kasi ya kutoroka inalingana na kasi ya mwanga, inaitwa upeo wa tukio, na radius ya uso inaitwa radius Schwarzschild. Hakuna, hata mwanga, unaweza kutoroka kupitia upeo wa tukio kutoka shimo nyeusi. Katika kituo chake, kila shimo nyeusi linafikiriwa kuwa na umoja, hatua ya wiani usio na kipimo na kiasi cha sifuri. Matter kuanguka ndani ya shimo nyeusi inaonekana, kama inavyotazamwa na mwangalizi wa nje, kufungia katika nafasi katika upeo wa tukio. Hata hivyo, kama tulikuwa tukiendesha jambo linaloongezeka, tungepitia upeo wa tukio hilo. Tunapokaribia umoja, vikosi vya mawimbi vingeivunja miili yetu mbali hata kabla ya kufikia umoja.
faharasa
- shimo nyeusi
- kanda katika spacetime ambapo mvuto ni nguvu sana kwamba hakuna chochote-hata mwanga-anaweza kutoroka
- tukio upeo
- mipaka katika spacetime vile kwamba matukio ndani ya mipaka hawezi kuwa na athari juu ya ulimwengu nje yake - yaani, mipaka ya kanda kuzunguka shimo nyeusi ambapo curvature ya spacetime tena hutoa njia yoyote nje.
- umoja
- hatua ya kiasi cha sifuri na wiani usio na kipimo ambacho kitu chochote kinachokuwa shimo nyeusi kinapaswa kuanguka, kulingana na nadharia ya relativity ya jumla