Haben sie eine Oberfläche? Schließlich ist jeder an die Vorstellung eines Schwarzen Lochs als Singularität des Ereignisses gewöhnt, das sich aus unserer Sicht am Horizont verbirgt. Bei der Untersuchung der Thermodynamik von Schwarzen Löchern sind Physiker jedoch längst zu dem Schluss gekommen, dass sie sich nicht als dreidimensionale, sondern als zweidimensionale Objekte verhalten. Beispielsweise ist die Anzahl der Komponenten eines Schwarzen Lochs als thermodynamisches System proportional zum Quadrat des Radius des Ereignishorizonts und nicht zu seinem Würfel. Dieser "transparente Hinweis" wird normalerweise auf Probleme zurückgeführt, z. B .: Wohin gehen die Informationen, die über den Ereignishorizont fehlgeschlagen sind? Wenn eines von zwei quantenverschränkten Teilchen den Ereignishorizont überschreitet, womit ist dann das übrige verschränkt?
Mit bekannten Effekten der Relativitätstheorie lässt sich jedoch nachweisen, dass eine solche Oberfläche durchaus materiell ist. Aus der Sicht eines stationären externen Beobachters wird also kein in ein Schwarzes Loch fallendes Objekt jemals den Ereignishorizont durchqueren, da sich die mit dem Objekt verbundene Zeit im Bezugsrahmen relativ zum externen Beobachter verlangsamt, da in Gravitationsfeld in der Nähe von massiven Körpern, Zeit, auch für bewegungslose Körper, fließt langsamer als außerhalb des Feldes. Die Geschwindigkeit eines solchen Objekts in Bezug auf den externen Beobachter nimmt zuerst zu und verlangsamt sich dann. Wenn er sich dem Ereignishorizont nähert, wird die Zeit für ein solches Objekt fast zum Stillstand kommen. Um den Rest des Weges aus Sicht eines externen Beobachters zu überwinden, wird er eine unendlich lange Zeitspanne benötigen.
Auf der anderen Seite wird in dem Referenzrahmen, der mit dem fallenden Objekt verbunden ist, alles sehr schnell geschehen. Es wird jedoch nicht möglich sein, den Ereignishorizont darin zu überschreiten, sondern aus einem anderen Grund. Mit Annäherung der Bewegungsgeschwindigkeit an die Lichtgeschwindigkeit verringern sich die Entfernungen in Fahrtrichtung. Wenn Sie sich also entlang des Radius bewegen, verwandelt sich der Ereignishorizont von einem nahezu kugelförmigen in eine flache Scheibe, und die Ereignisse der Bewegung des Ereignishorizonts und des Mittelpunkts des Lochs werden gleichzeitig. Daher kann sich ein solches Objekt zu keinem Zeitpunkt zwischen dem Ereignishorizont und dem Zentrum befinden. Aus der Sicht dieses Objekts nähert sich ihm ein Loch mit einer Geschwindigkeit, die zur Lichtgeschwindigkeit tendiert. Daher sollte auch seine Masse gegen unendlich tendieren. Dies führt zu einer Vergrößerung des Radius des Ereignishorizonts (Radius der Scheibe) und zu einer "Verschlechterung" der Lösungen der Bewegungsgleichungen.
Für den Amateur reichen diese Argumente für die beiden Extremfälle aus, um zu verstehen, dass, wenn sich in einem externen Referenzrahmen nichts innerhalb des Ereignishorizonts befinden kann, kein Raum und keine Masse vorhanden sein kann. Es ist jedoch alles andere als einfach, dies genau zu beweisen. Tatsache ist, dass reale Substanz in der Regel nicht im Radius, sondern in einer Spirale in ein reales Loch eintritt. Für einen stationären externen Beobachter ist dies ein weiterer Mechanismus zur Verlangsamung des Sturzes, und im Bezugsrahmen der Materie ist alles sehr kompliziert, weil es wäre zu beweisen, dass die Länge der Spirale nicht schneller zunimmt als die relativistische Kontraktion ihrer Länge. Darüber hinaus erscheint diese Spirale nach dem Schnittpunkt des Ereignishorizonts in einem nicht existierenden Raum außerhalb der Anwendung von Schwerkraftgleichungen.
Aber bevor wir beweisen, brauchen wir die richtigen Gleichungen. Ein Loch und ein hineinfallender Gegenstand sind aus Sicht eines externen Beobachters ein geschlossenes System, für das das Energieerhaltungsgesetz erfüllt sein muss. Daher muss die Masse dieses Systems im externen Referenzrahmen während des Sturzes konstant bleiben, und dazu muss die Masse jedes Körpers konstant bleiben. Wenn sich das Objekt jedoch beschleunigt, sollte seine Masse gemäß der speziellen Relativitätstheorie zunehmen. Es ist daher notwendig, diesen Anstieg dadurch zu kompensieren, dass die potentielle Energie des Objekts um den gleichen Betrag abnimmt und daher die gesamte Massenenergie konstant bleibt. Dann sollte die Masse des stationären Objekts im Gravitationsfeld abnehmen, wenn es sich dem massiven Objekt nähert und an der Grenze des Ereignisses für den externen Beobachter gegen Null tendiert. Daher gibt es keine Massenereignisse am Horizont. Die einfallende Substanz behält die Masse bei, kann diesen Horizont jedoch nicht überschreiten, und die Masse der von der Supernova verbleibenden unbeweglichen Substanz würde beim Überschreiten auf Null zurückgesetzt. Es stellt sich heraus, dass nicht nur das Licht, sondern auch die Schwerkraft aufgrund des Ereignishorizonts nicht nach draußen gehen kann, was logisch ist, weil es (Gravitationswellen) breitet sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Das Leben eines Schwarzen Lochs ist etwas analog zu dem eines Sterns vom Solartyp. Wenn einem solchen Stern der Wasserstoff ausgeht, vergrößert er sich (für die Sonne kann der maximale Radius nahe der Erdumlaufbahn liegen), entlädt die Gasschalen und zieht sich dann zu einem weißen Zwerg zusammen. Diese Zunahme der Größe mit abnehmender Temperatur und damit die Kräfte, die den Stern davon abhalten, zusammengedrückt zu werden, wirken auf den ersten Blick unnatürlich. Es sieht auch unnatürlich aus, wenn sich der Radius des Ereignishorizonts vergrößert, wie ein Bulldozer mit einem Messer, der die Masse aus der Mitte des Sterns herausdrückt und sie vor sich konzentriert.
Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) sind die Gleichheit des Einstein-Tensors, der ein Differentialoperator zweiten Grades vom Krümmungstensor des Raums g zum Masse-Energie-Tensor multipliziert mit einer Konstanten ist. Grundsätzlich steht einer Substitution der „richtigen“ Massen in diesen Gleichungen unter Berücksichtigung von Energiepotentialen (so) und Raumdimensionalitätsänderungen (so) nichts im Wege, aber die vorhandene Form des Masse-Energie-Tensors führt zu Fehlern. Wenn Sie beispielsweise Gleichungen in einem externen Koordinatensystem lösen, ersetzen Sie die Masse durch das interne (lokale) Koordinatensystem (ohne die potenzielle Energie zu subtrahieren), die Geschwindigkeit durch die externe und die Spannung (sofern diese berücksichtigt werden) durch die interne. Um die potentielle Energie korrekt zu berücksichtigen, muss man außerdem die Raumkrümmung kennen, d.h. Korrekturen an den Komponenten des Masse-Energie-Tensors sollten vom Krümmungstensor g abhängen, der die Schönheit der Gleichungen verletzt: Raum links ist Materie rechts. Aber hier liegt es nicht an der Schönheit - es wäre richtig.
Der Masse-Energie-Tensor wurde unter der Bedingung eingeführt, dass beim Übergang auf andere Bezugssysteme die Gesetze der Energieerhaltung, des Impulses und des Drehimpulses erfüllt sind. Diese Gesetze selbst folgen aus dem Satz von Noether, wenn es entsprechende Symmetriegruppen im Raum gibt. Im allgemeinen Fall eines gekrümmten Riemannschen Raums fehlen diese Symmetriegruppen jedoch. Einstein und Klausifilts versuchten daher zu beweisen, dass, da die Beschränkung in Form von Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) dem Raum auferlegt ist, ein Sonderfall des gekrümmten Raums realisiert wird, in dem diese Symmetriegruppen vorliegen. Sie versuchten daher, die Gültigkeit von Erhaltungsgesetzen unter Verwendung von Gleichungen zu beweisen, die unter Verwendung derselben Gesetze abgeleitet wurden. Aber auch in diesem Beweis, wie Logunov in den siebziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts zeigte, wurde ein mathematischer Fehler gemacht.
Die Tatsache, dass in den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie nicht alles in Ordnung ist, wurde mehr als einmal entdeckt. In der Folge entstanden verschiedene alternative Gravitationstheorien, in denen versucht wurde, die festgestellten Mängel zu überwinden. Sie wurden jedoch nicht nur aus physischen, sondern auch aus sozio-psychologischen Gründen verbreitet, ähnlich denen, bei denen die Kapitalisierung von Bitcoin die Kapitalisierung der meisten alternativen Kryptowährungen übersteigt, obwohl sie technologisch fast alle besser sind als Bitcoin. Wenn ein Mensch mit etwas sehr Komplexem, Unverständlichem und Schwierigem konfrontiert ist, dann versucht er in der Regel nicht, diese Schwierigkeit zu überwinden, sondern folgt dem ausgetretenen Pfad, vertraut den Behörden und erkennt sogar, dass er sich irrt, und bevorzugt es, sich mit allen anderen zu irren vorher. In der Theorie der Schwarzen Löcher dominieren also die Ideen, die auf der anfänglichen Lösung der Gleichungen der allgemeinen Relativität beruhen, trotz all ihrer Probleme und Absurditäten.
Aus physikalischer Sicht führten drei Fehler zu diesen Problemen. Erstens entstand die Theorie der Schwarzen Löcher aus der Schwarzschild-Lösung der Gleichungen der allgemeinen Relativität für das vom materiellen Punkt erzeugte Feld. Dies ist die allererste und am meisten nachgefragte Lösung für diese Gleichungen, und vor der Entdeckung von Gravitationswellen betrafen sie fast alle experimentellen Bestätigungen der allgemeinen Relativitätstheorie. Es beschreibt gut das Gravitationsfeld der Sterne und das Feld der Schwarzen Löcher mit Ausnahme der Region in der Nähe des Ereignishorizonts. Dies ist jedoch eine Lösung für eine an einem Punkt konzentrierte Masse. Dieses abstrakte Modell nimmt zunächst vor dem Lösen eine Singularität an, und das Lösen von Gleichungen "bestätigt" das Vorhandensein dieser Singularität. Der Fehler ist, dass zunächst angenommen wird, dass es Masse gibt, wo sie nicht sein kann.
Zweitens wird die Masse in die Gleichungen eingesetzt, ohne die potentielle Energie zu berücksichtigen.
Drittens wird der gesamte Raum eines Schwarzen Lochs mit der möglichen Ausnahme der Singularität selbst anfänglich als eine vierdimensionale Raumzeit betrachtet, d.h. Die Änderung der Raumdimension wird nicht berücksichtigt.
Woher kam die Gelegenheit, die Dimension zu ändern? In dem Bezugssystem, das einem Objekt zugeordnet ist, das entlang des Radius fällt, verwandelt sich der Ereignishorizont in eine Scheibe. Erreicht es sein Ziel, erscheint es im zweidimensionalen Raum, weil Alle Längen zwischen physischen Objekten in Bewegungsrichtung gehen gegen Null. Daher kann es nicht aus dieser Scheibe herausfliegen, auch wenn es dort nicht mit Materie kollidiert. Bei diesem Übergang wird die "verschwundene" Raumachse in die Zeitachse umgewandelt, so dass der Raum außerhalb für Materie auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs vorbei wird.
Es ist wichtig, dass eine Änderung der Raumdimension etwas früher eintritt, als das Objekt den Ereignishorizont erreicht. Wenn ein solcher Übergang beim Erreichen des Horizonts selbst auftritt, würde sich fast die gesamte Masse des Schwarzen Lochs auf den Ereignishorizont konzentrieren, aber die Masse der unbeweglichen Substanz auf dem Ereignishorizont aus Sicht eines externen Beobachters ist Null, d.h. Für einen externen Beobachter hätte ein solches Schwarzes Loch eine Masse von nahezu Null. Dies ist eine Folge der Tendenz der Geschwindigkeit des einfallenden Objekts zur Lichtgeschwindigkeit. Nach der doppelten Spezialtheorie der Relativitätstheorie ist die Geschwindigkeitsbegrenzung für ein reales Objekt aufgrund der Viskosität des physikalischen Vakuums (Wechselwirkung mit virtuellen Partikeln) jedoch die zweite Lichtgeschwindigkeit, die geringfügig unter der in den Gleichungen der Relativitätstheorie verwendeten liegt und dem Ereignishorizont entspricht.
Es gibt also einen physikalischen Mechanismus, der aufgrund der Viskositätskräfte des physikalischen Vakuums und einer Abnahme der Raumdimensionalität "vor dem Unendlichen bewahrt". Dadurch konzentriert sich die Masse des Schwarzen Lochs auf seiner Oberfläche, die sich in geringem Abstand außerhalb des Ereignishorizonts befindet. Dieser Abstand kann von der Verteilung der Massen über die Oberfläche abhängen, d.h. Die Oberfläche eines Schwarzen Lochs kann ein Relief aufweisen, das die Hawking-Strahlung beeinflusst, was bekannte Probleme mit Informationsverlust und Quantenverschränkung behebt und der Thermodynamik von Schwarzen Löchern entspricht.
Ein solches Modell erklärt natürlich die Asymmetrie von Materie und Antimaterie auf der Oberfläche eines Schwarzen Lochs. Alles, was von außen auf diese Oberfläche fiel, ist eine Substanz. Für ihn geht die Zeit in eine Richtung, entsprechend der Bewegungsrichtung zum Zentrum für einen externen „dreidimensionalen“ Beobachter (im Folgenden wird die Dimension des Raums durch die Anzahl der räumlich ähnlichen Achsen angegeben). Antiteilchen, von denen bekannt ist, dass sie sich in der Zeit in die entgegengesetzte Richtung "bewegen", können sich bei den Wechselwirkungsprozessen dieser zweidimensionalen Substanz in geringen Mengen bilden. In diesem Fall können Antiteilchen mit ausreichend hoher Energie, die beispielsweise beim Zusammenfallen einer zweidimensionalen Substanz in ein Schwarzes Loch mit eindimensionaler Oberfläche gebildet werden können, aus dem zweidimensionalen Raum in das umgebende dreidimensionale austreten.
Um einen solchen Übergang in einen zweidimensionalen Zustand in Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie zu beschreiben, sollten Gleichungen, die der Zeitachse des umgebenden Raums entsprechen, auf der Oberfläche des Schwarzen Lochs degenerieren, d.h. obere Reihe und linke Spalte der Tensorgleichung. Hierzu sollten die Effekte der doppelten speziellen Relativitätstheorie im Masse-Energie-Tensor ausreichend berücksichtigt werden.
Da der Übergang einer Substanz von einem dreidimensionalen Zustand in einen zweidimensionalen Zustand in der obigen Überlegung mit der Erzielung einer Geschwindigkeit in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit und nicht mit der Raumkrümmung verbunden ist, sollte dieses Phänomen im Prinzip auch bei der Beschleunigung von Materie außerhalb eines Schwarzen Lochs auftreten. Wenn Elementarteilchen eine innere Geometrie haben, die in der Theorie der Superstrings und einigen anderen Theorien, die die Physik auf Geometrie reduzieren, angenommen wird, können Teilchen mit dreidimensionaler Geometrie nicht mehr von Teilchen mit zweidimensionaler Geometrie unterschieden werden, die eine Projektion dieser dreidimensionalen Geometrie auf eine Ebene darstellen senkrecht zur Bewegungsrichtung. Hier geht es um die Geometrie des Partikels in den Dimensionen des umgebenden Raums, und das Partikel selbst kann zusätzliche lokal gefaltete Dimensionen haben. Es ist bekannt, dass es ein Energieniveau gibt, bei dem die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen zu einer einzigen elektroschwachen Wechselwirkung kombiniert werden, was dazu führt, dass Partikel, die sich nur in der schwachen Wechselwirkungsladung unterscheiden, nicht mehr zu unterscheiden sind. Es ist natürlich, die Identität dieser Übergänge anzunehmen, d.h. dass eine Abnahme der Dimension mit der Vereinigung von Wechselwirkungen verbunden ist. In Analogie kann dann angenommen werden, dass bei Erreichen eines noch höheren Energieniveaus, bei dem sich die elektroschwache Wechselwirkung mit der starken verbindet, die Teilchen eindimensional werden und mit der Energie der großen Vereinigung die einzige Zeitachse verbleibt, d.h. Alle Teilchen ohne lokal gefaltete Dimensionen werden zu Zeitquanten. In diesem Fall sind Teilchen mit einer kleineren Dimension im Raum mit einer größeren Dimension relativistisch.
Stellen Sie sich nun diese Situation vor. Im vierdimensionalen Raum erfuhr die Materie in den frühen Stadien ihrer Entwicklung eine Abnahme der Dimension. Dies kann nicht nur beim Erreichen der Oberfläche eines dreidimensionalen Schwarzen Lochs im vierdimensionalen Außenraum der Fall sein, sondern beispielsweise auch, wenn eine Substanz aus einem Weißen Loch ausgestoßen wird. Dann wird auch eine Substanz vor Antimaterie dominieren, wenn sich diese Substanz vor dem Verringern der Abmessung in eine Richtung bewegt. In diesem Fall werden dreidimensionale Partikel im ursprünglichen vierdimensionalen Raum relativistisch. Sie können sich jedoch relativ zueinander mit geringer Geschwindigkeit bewegen, wodurch sie sich in baryonische Materie kondensieren können, deren Entwicklung zum Auftreten von Physikern in dieser Substanz führen kann.
Diese Physiker werden natürlich annehmen, dass sie sich in einem festen Koordinatensystem befinden, und Partikel mit zweidimensionaler und eindimensionaler Geometrie werden als relativistisch betrachtet. Teilchen, die im ursprünglichen vierdimensionalen Raum „bewegungslos“ (genauer gesagt, nicht relativistisch) sind, sind für sie auch relativistisch, da das Verhältnis der Zeit im vierdimensionalen Raum um ein Vielfaches schneller als die Zeit im dreidimensionalen Raum fließt und daher sogar eine kleine (für den „vierdimensionalen“ Beobachter) Geschwindigkeitskomponente Aus Sicht der darin befindlichen Physiker werden die „bewegungslosen“ Partikel in der Projektion auf die Achse des dreidimensionalen Raums als Lichtgeschwindigkeit wahrgenommen. Gleichzeitig werden sie feststellen, dass diese "bewegungslosen" Teilchen keine gepaarten Antiteilchen aufweisen und alle Teilchen-Antiteilchen-Paare sich unter Bildung genau dieser "bewegungslosen" Teilchen auflösen (aufgrund des Impulserhaltungssatzes im ursprünglichen vierdimensionalen Raum). Darüber hinaus werden sie feststellen, dass die Masse der Teilchen, aus denen die Physiker bestehen, das Ergebnis von Symmetriebrechungen ist, um zu erklären, aus welchen Gründen sie das Higgs-Feld entwickeln müssen. Schließlich hätten sie höchstwahrscheinlich keine einfachere Erklärung dafür gefunden, dass es sich um eine gewöhnliche Masse handelt, die auf die Bewegung relativistischer Teilchen im ursprünglichen vierdimensionalen Raum zurückzuführen ist, die auch im dreidimensionalen Raum erhalten bleibt, aber wie eine Folge des Symmetriebrechens aussieht. Erinnert Sie das an irgendetwas?