Hogyan tudnám a Feketelyuk körül létrejövő eseményhorizontot megérteni?

De reagáltak rá: a gravitációs vöröseltolódás miatt a fény spektruma eltolódik a vörös felé, vagyis a látható tartomány egyre nagyobb része tolódik át a láthatatlan infravörösbe, a maradék fény ezért halványabb lesz a színe pedig megváltozik, vörösebb lesz. Ha valami villog, annak lassulása ugyanezen okból van: a periodikus jelenségek periódusideje megnyúlik, hiszen az idő innen nézve ott lelassul, a periódusok a kisebb frekvenciák felé tolódnak el.

"Illetve én személy szerint azt sem értem, hogy a fekete lyukba az anyag miért nem egyenes vonalban száguld bele (hiszen az a legrövidebb út), és helyette miért választja a leghosszabb utat, miért köröz körbe-körbe?"

Ugyanazért, amiért a bolygók sem egyenes vonalba zuhannak bele a Napba: mert van pálya menti perdületük, és az inerciális mozgás trajektóriája a kezdeti feltételektől függ. Még ha létezne is a természetben nem forgó fekete lyuk (valószínűleg nem létezik), meglehetősen nehéz úgy elindítani egy tárgyat feléje, hogy az ne rendelkezzen hozzá képest impulzusmomentummal. Ha pedig rendelkezik, akkor máris spirál alakban fog belezuhanni, nem egyenesen. Forgó fekete lyukak esetében pedig maga a téridő is "felcsavarodik" a lyuk körül, tehát az inerciális mozgások is ennek megfelelően "igyekeznek ezt a felcsavarodást követni".

Alapozás:

Először is tisztázzuk, hogy:

- nincs az egész világban egységesen telő egyetemes idő

- a fénysebesség állandósága inerciarendszerekben érvényes

- gravitáció = téridő görbülete

Modellekkel közelítjük a világ leírását. A newtoni fizikai modell segítségével kiválóan lehet tervezni hidakat, épületeket, autókat stb. , lehet majd 2000 év múlva is, sosem fog elavulni vagy megdőlni. A newtoni fizika azonban hülyeséget mond a fénysebesség közeli sebességek mozgási dinamikájáról, valamint a nagyon nagy és a nagyon kis dolgok fizikájában is téves dolgok jönnek ki belőle azaz az elmélet nem „látja” saját maga érvényességének korlátait. A relativitáselmélet megjósolta a gravitációs lencsehatást, a fekete lyukak létezését még mielőtt meg tudták figyelni létezésüket, a most nem régiben közvetlenül kísérletileg igazolt gravitációs hullámok létezését, rel. elmélet nélkül nem tudnánk GPS-t gyártani és még sorolhatnám. A rel. elmélet kis sebességeknél kiadja a newtoni fizikát vagyis a rel. elmélet egy pontosabb modellje a világnak amely magában foglalja a klasszikus fizikát.

----------------------

„Úgy nagyjából tudom mi az az idődiletáció, bár azt is nagyon nehezem tudom elképzelni. Bár szerintem köze van a fény kettős természetéhez.”

Nincs köze hozzá, ez annál sokkal mélyebb. Az hogy fénysebességnek nevezzük az történelmi esetlegesség. Mivel előbb ismertük az optikát aztán a rel. elméletet. Van egy lehető legnagyobb sebesség mely a világ kauzális szerkezetébe van beépítve, nem szükségszerű hogy legyen valami ami ezt képes elérni, de a mi világunk pont olyan hogy ilyen például a fény.

Úgy tanítják a fizikaórán, hogy az inerciarendszerek meghosszabbíthatóak a végtelenségig, meg eleve úgy képzeli el az ember. A általános rel. elm. azt mondja hogy sok kicsi inerciarendszer van melyek nem rakhatók össze egy nagy inerciarendszerré. Ez a térképészethez hasonló, hogy egy-egy lokális térkép készíthető az egész Földről melyek önmagukba pontos térképek. Az összes lokális térkép azonban nem rakható össze egy nagy térképpé mivel a Föld görbül. (Ezért van úgy az autós térképeket, hogy van egy úthálózat a másik oldalon meg folytatódik, de átfedéssel rajzolják a másik oldalt, hogy hol folytatódik, hogy ne látszódjon a „csalás”.) Egy másik hasonlat szerint kiparkettáztatok egy négyzet alapterületű szobát. Kiszámolom, hogy hány méter széles és hány méter hosszú a szoba és tudom azt is, hogy egy parketta darab mekkora, így ki tudom számolni, hogy mennyi parkettára lesz szükség. Azonban, ha a szoba nagyon nagy lenne, Atlanti óceán területű, akkor ez már összemérhető a Föld méretével és nem számolhatok, csak simán négyzettel mivel figyelembe kell venni a Föld görbületét.

A fekete lyukak közelébe egyre kisebb lesz egy-egy inerciarendszer, egy adott távolságon belül atom átmérőnél is kisebb lesz. A gravitációs erőkülönbség 2 pont között egyre nagyobb lesz mely szétszedi az atomokat is. Mint említettem ,hogy nincs egyetemes idő, a fekete lyuk közelében lassabban telik az idő.

„Képzeld el úgy hogy a fekete lyukhoz közeledve a fény egyre jobban szeret körpályára állni (pár kör után azért elmegy valamerre, vagy ki vagy be).”

A fény egyenesen halad, ha az egyenest úgy definiáljuk, hogy a lehető legrövidebb út a lehetséges haladási irányok közül, de ez nem azonos az euklideszi geometriában tárgyalt egyenessel, ezt a matematikusok nagyvonalúan geodetikus vonalnak nevezik. Ekkor a térdő görbülete nagyon nagy. A téridő görbült nem a tér!

„Az, hogy a fény egy idő után körpályára áll ("kimerevedik a kép") akkor utána már azt nekem elvileg nem is kellene látnom, nem? Mert ha köröz a fény, akkor sosem szabadul el onnan, így sosem érne el a retinámhoz.”

Nem olyan értelemben állt körpályára, mint a Hold a Föld körül, hanem a térdő metrikája olyan furcsa ott. A fekete lyukat meg lehet úgy közelíteni ahonnan még el lehet menekülni belőle. Van olyan távolság ahonnan nincs menekvés. Ha valaki ott lenne akkor ő azt nem látná hogy már olyan közel van ahonnan nincs menekvés. Időben nem lehet állni, ott nem lehet térben állni, hiszen a szökési sebesség fénysebesség felett van.

„Azt tudom elképzelni, hogy ahogyan egyre több kört tesz meg a fény, egyre több időt tölt körözéssel, úgy "egyre lassabban ér ide" a fény. Amikor már eszméletlenül lelassul (több évet tölt körözéssel) akkor már olyan "lassan jön" a fény, hogy azt látom, mint ha megállt volna, de közben nem. (optika csalódás)”

Ez nem igaz. Annyira ortopéd módon görbült a téridő ott, hogy ami ott véges idő ami gyakorlati esetben mikroszekudum vagy annál is kisebb idő lenne, az innen egy örökkévalóság. Ahhoz hogy lásd is nem sima távcső kéne mivel úgy megnyúlna a kijövő fény hullámhossza, hogy mikrohullám majd rádióhullám tartományba nyúlna a kijövő fény hullámossza, rádióhullám meg speciális hosszú hullám detektor kéne. (Fénynek nevezem nem csak a látható fényt hanem bármely elektromágneses hullámot) A kijövő fény intenzitása egyre ráadásul egyre csökkenne, a hullámhossza meg egyre nőne már gyakorlatilag nem lenne olyan detektor ami észlelné, egyre hosszabb hullámhosszhoz egyre nagyobb detekor kéne ami felfogja. Mivel a világban nem csak egyedül ez a fekete lyuk létezetik, nem csak onnan érkezik fény, a máshonnan érkező fény elnyomná a belőle kijövő fényt.

„Ha te egy fekete lyuk terében egyhelyben állsz, és nézed, ahogy Hawking egy űrhajón radiális irányban befelé halad (szabadeséssel), akkor te …”

Az is érdekes, hogyha nem egy hanem 2 űrhajós esik bele a fekete lyukba 2 űrhajóval, akkor mind a kettő azt látná hogy a másik van mögötte. Bár nem tudom mit értesz fekete lyuk tere alatt konkrétan, de egy adott távolságon belül nem lehet állni. Időben ugye nem lehet megállni és térben meg mozogni, ez lenne a végtelen sebesség. Ott meg nem lehet térben állni vagyis bizonyos értelemben az egyik térbeli koordináta és az idő helyet cserél.

" Bár nem tudom mit értesz fekete lyuk tere alatt konkrétan, de egy adott távolságon belül nem lehet állni. Időben ugye nem lehet megállni és térben meg mozogni, ez lenne a végtelen sebesség."

Fekete lyuk tere alatt értelemszerűen a gravitációs teret (azaz görbült téridőt) értem. És én az eseményhorizonton kívüli helyzetről beszélek, ahol még egy elegendően erős űrhajó képes ellensúlyozni a gravitációt, tehát tud "egyhelyben" állni. Egy ilyen helyről megfigyelve egy bezuhanó másik megfigyelőt látnánk azt, hogy annak sajátideje a végelenbe nyúlik az eseményhorizonthoz közeledve.

"-Nincsen ingyen energia, mert ha mondjuk egy csillag közelítené meg a fekete lyukat, akkor egyre halványabb lenne a vöröseltolódás miatt a képe, így a "kimerevedés" pillanatában teljesen átlátszó lenne számunkra. (Átmenne infravörösbe, de mi azt nem látjuk)

(De a csillagot közben már ezer éve kvarkokra szedte a fekete lyuk 😁)"

Hacsak nem egy galaxis központjában található szuper méretű fekete lyukról beszélsz, akkor azért kicsit más egy ilyen találkozás lefolyása. A csillag anyaga szétszakad, akkréciós korongban bespirálozik a fekete lyukba, közben beindulhatnak ott még magfúziós folyamatok is, hatalmas energia szabadul fel. Nem szabad elfelejteni, hogy egy csillag hatalmas méretű ahhoz képest, amekkorák az inerciarendszerek az eseményhorizonthoz közel illetve összemérhető az eseményhorizontnak, mint felületnek a görbületével is, tehát a szétszakadás is nagyon inhomogén módon következik be, nem egyszerre esik hirtelen atomjaira a csillag, hanem a lyukhoz legközelebbi pontján lenne a legerősebb a kidudorodása és innen kezdődne meg az anyag leszakadása is. Egy szuperóriás fekete lyuk esetében es eseményhorizont kvázi egy sík felület, amelyet a csillag egésze ér el, ezért az árapály-erők hatása is más lesz erre a csillagra. Persze ez is szétszakad, de nyilván a finom részletek kicsit másképp zajlanak.

"-Akkor a fény körözni kezd a fekete lyuk körül, tehát nem lassabb, csak több időt tölt a fekete lyuk körül."

Ez attól függ, merre világítasz a fényforrással. A fény ún. fényszerű geodetikusokon közelekedik, amelyeknek a trajektóriáját a téridő metrikája határozza meg. Ha az eseményhorizonton éppen csak kívül lévő pontból pontosan kifelé (radiális irányban kifelé) világítasz mondjuk a Schwarzschild-téridőben, akkor az nem fog körözni semerre, hanem szépen jön kifelé egyenesen. Ha azonban egyre inkább "oldalt" világítasz, akkor arrafelé a fényszerű geodetikusok futása olyan, hogy akár nagyon sokszor is megkerülhetik a fekete lyukat, mielőtt átlépnék az eseményhorizontot. Illetve egy bizonyos szögig még nem is biztos, hogy belehullanak a fekete lyukba. Az eseményhorizontot éppen az jellemzi, hogy a radiális irányban kifelé induló fénysugarak sem képesek már kijutni a horizonton kívülre, tehát minden fényszerű geodetikus szükségszerűen az eseményhorizonton belülre tart. Ez tehát tisztán (Riemann-)geometriai fogalom.

"-Azért kezd el körözni, mert a fekete lyuk nem magát az anyagot szippantja be, hanem teljesen meggörbíti, csavarja a téridő szövetét. A térben lévő dolgok (fény, anyag, antianyag stb) muszáj követniük a teret. Ha az elhajlított tér a fekete lyukba vezet, akkor az adott térrészben lévő anyagok is a fekete lyuk felé mennek."

Az anyag téridőben való mozgását leíró egyenletek a világ legbonyolultabbjai közé tartoznak. A dolog rendkívül komplex, mert egyrészt a téridőben, mint háttérben mozognak, másrészt maguk mint a téridő görbületének forrásai, szintén meghatározzák annak görbületét, és ilye módon visszahatnak saját mozgásukra. A dolog akkor egyszerűsödik le lényegesen, ha a mozgó anyag saját gravitációjától el lehet tekinteni, mert az a tér, amiben mozognak egy sokkal nagyobb égitest vgy nagyobb energiájú folyamat által keltett téridő-görbület. Ez utóbbi eset az, amikor azt mondjuk, hogy egy ún. "próbatest" mozog gravitációs térben. Ekkor ezt a teret egy a testtől független entitás hozza létre, és a test saját tere lényegtelen, elhanyagolható (vagy mi legalábis elhanyagoljuk). Hogy ez mikor mennyire jó közelítés, az mindig vizsgálat tárgya. Ha egy kettőscsillag-rendszer egyik tagja egy fekete lyuk, a másik pedig egy vörös óriás, akkor nyilván nem alkalams ez a közelítő modell. Ha viszont egy százmillió naptömegű fekete lyuk közelében lévő vörös törpét vizsgálunk, akkor már sokkal inkább használható lehet - egészen addig, amíg a vörös törpét egyetlen égitestként kezeljük, és nem firtatjuk azt, hogy mi történik a beljesében, ha egy ilyen nagy fekete lyuk közelébe kerül.

A lényeg, hog tipikusan nemcsak egyszerűen arról van szó, hogy az "örvénylő téridő magával ragadja az anyagot", hanem arról, hogy maga az anyag is mozog a téridőben és alakítja azt. Amennyiben viszont az adott téridő olyan, hogy minden pontjából minden idő- és fényszerű világvonal előbb-utóbb az eseményhorizonton belül végződik, akkor igen, az anyag belehull a fekete lyukba. Csak éppen ennek dinamikája nagyon nehezen követhető még számítógéppel is.

"Egy csillagremdszerben a csillag gravitációja kör vagy elipszis pályára kényszeríti az égitesteket körülötte. A fekete lyuk is ezt teszi, csak épp magával a térrel."

Egy fekete lyuk gravitációs tere attól távol semmiben nem különbözik egy ugyanolyan méretű csillag gravitációs terétől. Amíg a gravitáció gyenge, addig a newtoni fizika nagyszerű közelítést ad. Csak erős gravitációs terek esetén vagyunk kénytelenek az általános relativitáselméletet használni és a téridő görbületét figyelembe venni. Ettől persze ez az elmélet még gyenge terek esetén is érvényes, csak elhanyagolható mértékben különböző eredményt ad a newtoni fizikától.

"-A "kimerevedett" képet nem láthatjuk, mert közvetlenül az eseményhorizonton végtelen ideig kering a kép, így sosem jut el a kép a szemünkbe. Ha valami előtte van akár csak egy miliméterrel, akkor az a kép már "csak" évmilliárdokig kering, de egyszer elszabadul és eljön a szemembe. Ami a horizontotn túl van, az már a fekete lyuk felé megy."

Ahogy fentebb írtam, a fénykibocsájtás iránya sem mindegy. Ha hulla pontosan kifelé világítasz, akkor elvileg előbb utóbb onnan (az eseményhorizont közeléből) is levetíthetsz nekünk egy filmet, csak mi marhára vöröseltolódva fogjuk látni és nagyon lelassulva. Csak mi előbb halunk meg milliárdszor, minthogy végig tudjuk nézni. De keringésről itt nincs szó.