Fekete lyukak sugárzása
Elküldve: 2018.02.07. 02:51
A világ szerintem egyik legérdekesebb dolga, hogy az elektromágneses sugárzáshoz hasonlóan (ami már önmagában is csodálatos dolog) nem csak a töltések gyorsuló mozgása kelt tovaterjedő hullámzásokat a térben, hanem egészen általánosan minden tömeg gyorsuló mozgása (az anyagfajtától függetlenül) tovaterjedő hullámokat kelt a térben. A töltéseké az elektromágneses térben jelenik meg, a tömegeké pedig a gravitációs térben, amely ugye az általános relativitáselmélet szerint maga a téridő, tehát ennek a görbületi szerkezete jön hullámzásba. Ezek a hullámok csakúgy, mint az elektromágnesesek, a vákuumbeli fény sebességével (a hatásterjedés felső korlátja) terjednek, és energiát, impulzust, impulzusmomentumot szállítanak magukkal.
Kicsit bővebben:
https://hu.wikipedia.org/wiki/Gravit%C3 ... ull%C3%A1m
Elején:
"A jelenség formailag az elektromágneses sugárzáshoz hasonló, de lényeges különbség a kettő között, hogy negatív tömeg jelenlegi tudásunk szerint nincs. Emiatt nincs gravitációs dipólus, hanem a gravitációs sugárzás kvadrupól sugárzás. Továbbá érvényes rá a Birkhoff-tétel alapján, hogy egy szimmetrikusan oszcilláló tömegeloszlás nem képes gravitációs hullámot létrehozni."
Kétharmadánál:
"Egy elszigetelt rendszer kvadrupólmomentumának harmadik időderiváltja (vagy I. multipólmomentumának I. deriváltja) kell nemnulla legyen a gravitációs sugárzás keltéséhez. Ezzel ahhoz hasonló, hogy elektromágneses sugárzás keltéséhez is változó dipólmomentumú elektromos töltésre, vagy áramra van szükség."
Multipólmomentumok töltésekre: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/t ... 05s06.html
Kvadrupólsugárzás töltésekre: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/t ... 09s06.html (71.5)
Közismert, hogy egy fekete lyuk körül eseményhorizont van, amin keresztül csak befelé vezet út, kifelé azonban nem. Ebből első elgondolásra az következik, hogy egy fekete lyuk folyton csak növekedni képes, csökkenni azonban nem. Penrose (és Hawking is) azonban megmutatta, hogy van mód arra, hogy fejlődése során fogyatkozzon egy fekete lyuk. A forgó fekete lyuk eseményhorizontja körül egy úgynevezett ergoszféra van, amelyben vannak külső vonatkoztatás szerint negatív energiájú pályák, melyek kizárólag az eseményhorizont felé vezetnek, és nincs olyan részük, amely kívül esne az ergoszférán. Ez azt jelenti, hogy ha a gravitációs vonzás hatására kívülről az ergoszférába bejutott anyag (egy része) ilyen pályára kerül (pl. bomlás, sugárzás folytán), akkor az a továbbiakban (külső viszonylatban) negatív energiával, azaz negatív tömeggel kerül be az eseményhorizont alá csökkentve a fekete lyuk pozitív tömegét, miáltal az fogyatkozni fog. Ezt Penrose-folyamatnak nevezik (Landau II könyv, 104. paragrafus kétharmadánál röviden, valamint: https://en.wikipedia.org/wiki/Penrose_process ). (A Hawking-sugárzás egészen más, nem tartozik ezen fejtegetéshez.)
A dolog amiért konkrétan felvetettem ezt a témát a következő:
Gondoljunk el két fekete lyukat, amelyek egymás körül keringenek, majd bespirálozva végül összeolvadnak egyetlen fekete lyukká. Ezalatt olyan a gyorsuló mozgásuk, hogy közben gravitációs hullámok formájában energiát, impulzust, impulzus momentumot sugároz ki a rendszer. Most nézzünk hirtelen, egy olyan esetet, amikor a két spirálozó objektum nem fekete lyuk, hanem olyan objektum, hogy konkrét létező anyagdarabokból, részecskékből, atomokból, molekulákból épülnek fel, azaz minden részének megvan a helye a világban, nincs eseményhorizont, de azért nincsenek túl messze a fekete lyukká válás esetétől. A mozgó rendszer nyilván így is sugározni fog gravitációsan.
A kérdés az, hogy a spirálozó keringőzés folytán a résztvevő felek veszítenek-e a saját nyugalmi tömegükből és spinjükből (saját impulzusmomentumukból), vagy kezdetben még nem, csak mikor már összeérnek a folyamat során, és addig a rendszer csak a pályamozgásukból adódó energiát képes felhasználni az elsugárzott gravitációs teljesítmény fedezésére. Ezt a pályamozgást a bespirálozás közben gravitációs potenciális energia is táplálja.
Érezhető, hogy a második esetben problémás lenne, ha az objektumból eltűnne az a nyugalmi tömeg, amihez tartozó konkrét alkotórésze végig ott van benne. A saját spinjének irányának értelmezéséhez szükséges a környező tér irányultsága is, tehát ez egy külső megfigyelő számára nem mondható fixnek a görbülő téridőben, ez tehát változni látszhat, hasonlóan a spinjének forgásmennyisége is, mert az alkotórészek pályája egyedien alakul, ami kihat az objektum teljes spinjére.
Az első eredeti esetben azonban már fekete lyukak az objektumok, amelyek eseményhorizonttal rendelkeznek egy olyan koordinátázásban, amelyben szerepel a külső távolabbi megfigyelő, és ugye ennek szemléletéből vizsgáljuk a folyamatot. Ekkor szintén problémás lenne, ha az elsugárzódott teljesítményt a fekete lyuk saját nyugalmi tömege fedezné, és ezáltal fogyatkozna, mielőtt még összeérnének. Ez azt jelentené, hogy még a Penrose-folyamat lehetősége és megtörténte nélkül már veszítene a tömegéből, ami ellentmondás volna. A saját spinjének megváltozása is itt már problémába ütközik, hiszen az is csak úgy tudna változni, ha ennek megfelelő beáramlás történne a fekete lyukba, annak eseményhorizontja alá, de ez nem történik még.
Teljesen logikus, azt gondolni, hogy ekkor még csak a pályamozgásukból, azaz annak kinetikájából fedeződhet a gravitációsan elsugárzott teljesítmény, tehát a pályamozgás (ami persze a görbült téridőben igen bonyolult kalkulációkkal számolható) okolható.
http://www.termeszetvilaga.hu/fizika_ev ... erjes.html
Kétharmadánál:
"A kvadrupólformulából a pályaadatok alapján meghatározható a gravitációs hullámok kisugárzására fordított teljesítmény. Ez a kereken 1025 watt teljesítmény a pálya menti mozgás energiáját csökkenti. [...] a két égitest már 250 km-re megközelíti egymást. A folyamat ekkor már jelentősen felgyorsul, hiszen a teljes energia egyre nagyobb hányada fordul át a gravitációs sugárzás energiájává. Ez gyorsabb pályaméret- és keringési időcsökkenéssel jár együtt."
Ha ez tényleg (és szerintem vélhetően) így van, akkor:
A bespirálozás vége felé, mikor már annyira közel kerül a két objektum egymáshoz, hogy az ergoszférájuk egybeér, és az eseményhorizontjuk is elkezd összeolvadni, létrejön a Penrose-effektus, amiben külső vonatkozásban a sugárzási visszalökődés hatására valamennyi részben bizonyára negatív energiájú "pályán" is zuhannak egymásba (ez az egyesülő eseményhorizont és ergoszféra helyezkedése alapján, ha nehezen is, de valahogyan talán kalkulálható), és ezáltal csökkentik egymás, és a végső objektum tömegét. Az ennek megfelelő energia gravitációs hullámok formájában elsugárzódik. Lényegében itt is a kinetika (mozgás) folytán jön létre a sugárzásnak ez a része is. Az eseményhorizont alól semmi sem jön ki. Abba csak befelé van út a relativitáselmélet szerint.
Ennek ellenére van(nak), aki(k) másképpen látja(ák) ezt a folyamatot:
____________________________________________________________
- Az egymás körül keringő összeolvadó fekete lyukak nem a saját nyugalmi energiájukból sugározzák ki a gravitációs hullámokat, hanem a kinetikus energiájukból.
- Az állítás súlyos tévedés.
- A relativitáselméletben nincs külön "mozgási energia". És persze külön "nyugalmi energia" (meg "belső energia" stb.) sincs. Csak energia van, minden felosztás nélkül. Hozzá kell szokni a gondolathoz: nem létezik olyan fizikai fogalom, hogy "mozgási energia".
- Hasonló a helyzet a gravitációs hullámokat kisugárzó fekete lyukakkal is. Ezeknek sincs külön "nyugalmi" és "mozgási" energiájuk. Csak energiájuk van, osztatlanul, és ebből veszítenek a hullámok kisugárzásával.
- A fekete lyukakkal kapcsolatban külön félreértések forrása az az elképzelés, hogy a "nyugalmi energiájuk" valahol belül van, az eseményhorizont mögött, az oda bebújt anyagban rejtőzik, ezért abból nem tudnak veszíteni, míg a "mozgási energiájuk" valami külső, könnyen elveszíthető valami. Ez megint hibás. A fekete lyuk, mint minden más korlátos objektum, a külvilág felé egyetlen egységként jelenik meg, és a távoli megfigyelő számára az energiájából és impulzusából összerakott négyesimpulzus-vektora képviseli. Ennek abszolút értéke az objektum tömege. Mindez a belső szerkezettől, annak láthatóságától vagy láthatatlanságától, megismerhetetlenségétől teljesen függetlenül. Ha egy ilyen objektumokból (pl. két fekete lyukból) álló rendszer hullámokat sugároz, a rendszer egészének energiája csökken. Még azt sem mondhatjuk, hogy az egyik vagy a másik fekete lyuk veszített energiát - a két lyukból és a közöttük levő összegyűrt téridőből álló egész rendszert kell egységnek tekinteni, ennek kell kiszámítani a teljes impulzusát és energiáját, ez a jellemző kifelé a rendszerre.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Mi az igazság ebben a dologban?
Kicsit bővebben:
https://hu.wikipedia.org/wiki/Gravit%C3 ... ull%C3%A1m
Elején:
"A jelenség formailag az elektromágneses sugárzáshoz hasonló, de lényeges különbség a kettő között, hogy negatív tömeg jelenlegi tudásunk szerint nincs. Emiatt nincs gravitációs dipólus, hanem a gravitációs sugárzás kvadrupól sugárzás. Továbbá érvényes rá a Birkhoff-tétel alapján, hogy egy szimmetrikusan oszcilláló tömegeloszlás nem képes gravitációs hullámot létrehozni."
Kétharmadánál:
"Egy elszigetelt rendszer kvadrupólmomentumának harmadik időderiváltja (vagy I. multipólmomentumának I. deriváltja) kell nemnulla legyen a gravitációs sugárzás keltéséhez. Ezzel ahhoz hasonló, hogy elektromágneses sugárzás keltéséhez is változó dipólmomentumú elektromos töltésre, vagy áramra van szükség."
Multipólmomentumok töltésekre: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/t ... 05s06.html
Kvadrupólsugárzás töltésekre: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/t ... 09s06.html (71.5)
Közismert, hogy egy fekete lyuk körül eseményhorizont van, amin keresztül csak befelé vezet út, kifelé azonban nem. Ebből első elgondolásra az következik, hogy egy fekete lyuk folyton csak növekedni képes, csökkenni azonban nem. Penrose (és Hawking is) azonban megmutatta, hogy van mód arra, hogy fejlődése során fogyatkozzon egy fekete lyuk. A forgó fekete lyuk eseményhorizontja körül egy úgynevezett ergoszféra van, amelyben vannak külső vonatkoztatás szerint negatív energiájú pályák, melyek kizárólag az eseményhorizont felé vezetnek, és nincs olyan részük, amely kívül esne az ergoszférán. Ez azt jelenti, hogy ha a gravitációs vonzás hatására kívülről az ergoszférába bejutott anyag (egy része) ilyen pályára kerül (pl. bomlás, sugárzás folytán), akkor az a továbbiakban (külső viszonylatban) negatív energiával, azaz negatív tömeggel kerül be az eseményhorizont alá csökkentve a fekete lyuk pozitív tömegét, miáltal az fogyatkozni fog. Ezt Penrose-folyamatnak nevezik (Landau II könyv, 104. paragrafus kétharmadánál röviden, valamint: https://en.wikipedia.org/wiki/Penrose_process ). (A Hawking-sugárzás egészen más, nem tartozik ezen fejtegetéshez.)
A dolog amiért konkrétan felvetettem ezt a témát a következő:
Gondoljunk el két fekete lyukat, amelyek egymás körül keringenek, majd bespirálozva végül összeolvadnak egyetlen fekete lyukká. Ezalatt olyan a gyorsuló mozgásuk, hogy közben gravitációs hullámok formájában energiát, impulzust, impulzus momentumot sugároz ki a rendszer. Most nézzünk hirtelen, egy olyan esetet, amikor a két spirálozó objektum nem fekete lyuk, hanem olyan objektum, hogy konkrét létező anyagdarabokból, részecskékből, atomokból, molekulákból épülnek fel, azaz minden részének megvan a helye a világban, nincs eseményhorizont, de azért nincsenek túl messze a fekete lyukká válás esetétől. A mozgó rendszer nyilván így is sugározni fog gravitációsan.
A kérdés az, hogy a spirálozó keringőzés folytán a résztvevő felek veszítenek-e a saját nyugalmi tömegükből és spinjükből (saját impulzusmomentumukból), vagy kezdetben még nem, csak mikor már összeérnek a folyamat során, és addig a rendszer csak a pályamozgásukból adódó energiát képes felhasználni az elsugárzott gravitációs teljesítmény fedezésére. Ezt a pályamozgást a bespirálozás közben gravitációs potenciális energia is táplálja.
Érezhető, hogy a második esetben problémás lenne, ha az objektumból eltűnne az a nyugalmi tömeg, amihez tartozó konkrét alkotórésze végig ott van benne. A saját spinjének irányának értelmezéséhez szükséges a környező tér irányultsága is, tehát ez egy külső megfigyelő számára nem mondható fixnek a görbülő téridőben, ez tehát változni látszhat, hasonlóan a spinjének forgásmennyisége is, mert az alkotórészek pályája egyedien alakul, ami kihat az objektum teljes spinjére.
Az első eredeti esetben azonban már fekete lyukak az objektumok, amelyek eseményhorizonttal rendelkeznek egy olyan koordinátázásban, amelyben szerepel a külső távolabbi megfigyelő, és ugye ennek szemléletéből vizsgáljuk a folyamatot. Ekkor szintén problémás lenne, ha az elsugárzódott teljesítményt a fekete lyuk saját nyugalmi tömege fedezné, és ezáltal fogyatkozna, mielőtt még összeérnének. Ez azt jelentené, hogy még a Penrose-folyamat lehetősége és megtörténte nélkül már veszítene a tömegéből, ami ellentmondás volna. A saját spinjének megváltozása is itt már problémába ütközik, hiszen az is csak úgy tudna változni, ha ennek megfelelő beáramlás történne a fekete lyukba, annak eseményhorizontja alá, de ez nem történik még.
Teljesen logikus, azt gondolni, hogy ekkor még csak a pályamozgásukból, azaz annak kinetikájából fedeződhet a gravitációsan elsugárzott teljesítmény, tehát a pályamozgás (ami persze a görbült téridőben igen bonyolult kalkulációkkal számolható) okolható.
http://www.termeszetvilaga.hu/fizika_ev ... erjes.html
Kétharmadánál:
"A kvadrupólformulából a pályaadatok alapján meghatározható a gravitációs hullámok kisugárzására fordított teljesítmény. Ez a kereken 1025 watt teljesítmény a pálya menti mozgás energiáját csökkenti. [...] a két égitest már 250 km-re megközelíti egymást. A folyamat ekkor már jelentősen felgyorsul, hiszen a teljes energia egyre nagyobb hányada fordul át a gravitációs sugárzás energiájává. Ez gyorsabb pályaméret- és keringési időcsökkenéssel jár együtt."
Ha ez tényleg (és szerintem vélhetően) így van, akkor:
A bespirálozás vége felé, mikor már annyira közel kerül a két objektum egymáshoz, hogy az ergoszférájuk egybeér, és az eseményhorizontjuk is elkezd összeolvadni, létrejön a Penrose-effektus, amiben külső vonatkozásban a sugárzási visszalökődés hatására valamennyi részben bizonyára negatív energiájú "pályán" is zuhannak egymásba (ez az egyesülő eseményhorizont és ergoszféra helyezkedése alapján, ha nehezen is, de valahogyan talán kalkulálható), és ezáltal csökkentik egymás, és a végső objektum tömegét. Az ennek megfelelő energia gravitációs hullámok formájában elsugárzódik. Lényegében itt is a kinetika (mozgás) folytán jön létre a sugárzásnak ez a része is. Az eseményhorizont alól semmi sem jön ki. Abba csak befelé van út a relativitáselmélet szerint.
Ennek ellenére van(nak), aki(k) másképpen látja(ák) ezt a folyamatot:
____________________________________________________________
- Az egymás körül keringő összeolvadó fekete lyukak nem a saját nyugalmi energiájukból sugározzák ki a gravitációs hullámokat, hanem a kinetikus energiájukból.
- Az állítás súlyos tévedés.
- A relativitáselméletben nincs külön "mozgási energia". És persze külön "nyugalmi energia" (meg "belső energia" stb.) sincs. Csak energia van, minden felosztás nélkül. Hozzá kell szokni a gondolathoz: nem létezik olyan fizikai fogalom, hogy "mozgási energia".
- Hasonló a helyzet a gravitációs hullámokat kisugárzó fekete lyukakkal is. Ezeknek sincs külön "nyugalmi" és "mozgási" energiájuk. Csak energiájuk van, osztatlanul, és ebből veszítenek a hullámok kisugárzásával.
- A fekete lyukakkal kapcsolatban külön félreértések forrása az az elképzelés, hogy a "nyugalmi energiájuk" valahol belül van, az eseményhorizont mögött, az oda bebújt anyagban rejtőzik, ezért abból nem tudnak veszíteni, míg a "mozgási energiájuk" valami külső, könnyen elveszíthető valami. Ez megint hibás. A fekete lyuk, mint minden más korlátos objektum, a külvilág felé egyetlen egységként jelenik meg, és a távoli megfigyelő számára az energiájából és impulzusából összerakott négyesimpulzus-vektora képviseli. Ennek abszolút értéke az objektum tömege. Mindez a belső szerkezettől, annak láthatóságától vagy láthatatlanságától, megismerhetetlenségétől teljesen függetlenül. Ha egy ilyen objektumokból (pl. két fekete lyukból) álló rendszer hullámokat sugároz, a rendszer egészének energiája csökken. Még azt sem mondhatjuk, hogy az egyik vagy a másik fekete lyuk veszített energiát - a két lyukból és a közöttük levő összegyűrt téridőből álló egész rendszert kell egységnek tekinteni, ennek kell kiszámítani a teljes impulzusát és energiáját, ez a jellemző kifelé a rendszerre.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Mi az igazság ebben a dologban?