Мифы современной популярной физики⁠⁠

Мопед не мой, я просто разместил объяву покрал статью с Хабра.

Где-то в альтернативной вселенной, согласно MWI, я стал гениальным физиком. Но в этой вселенной просто подробно слежу за профессиональными публикациями в области физики, зарабатывая себе на хлеб развозкой пиццы базами данных. Как следствие чуть более глубоких знаний, я не могу смотреть никаких научно-популярных передач. Это как железом по стеклу — тут oversimplification, тут просто неверно, тут есть тонкости…

Я решил сформировать список наиболее часто встречающихся неправд и полуправд. Итак, самое частое это…

Большой взрыв

Его изображают примерно так:

Далее обычно следует заявление: «Когда Вселенная была не больше размера атома...» и т. д. Здесь пропущено самое главное слово, которое полностью меняет смысл: «Когда видимая Вселенная была не больше размера атома...». Видимая Вселенная, грубо говоря, это область, где свет мог пройти от одного места до другого с момента t=0. То есть небольшой шарик, который раздувается (примерно!) со скоростью света (на самом деле быстрее). Таких шариков может быть бесконечно много.

Более того, если Вселенная бесконечна, то она бесконечна с самого начала. Бесконечна и почти однородна. И эта картинка (и еще красивый рендер со взрывом, который любят показывать) никакого отношения к реальности не имеет. Нет никакой точки, где был взрыв, который распространялся в окружающую пустоту. Повторюсь, вселенная была почти однородной (и чем дальше в прошлое, тем более однородной).

Кроме того, теория Большого взрыва это НЕ теория о большом взрыве (t=0). Это теория о том, что случилось после большого взрыва (t>0). Она не отвечает на вопрос, в частности, почему этот большой взрыв произошел. Да и само название — Big Bang — вначале использовалось как высмеивание теории, но прилипло к ней.

Черные дыры

О, здесь просто бездна (черная дыра) популярных мифов. Начнем с Интерстеллар:

Для того, чтобы замедление времени было бы таким, планета должна была быть на расстоянии чуть более 0.003% от радиуса Шварцшильда. Между тем, судя по виду на черную дыру:

планета находится от горизонта событий не менее чем на 10*Rs. Мы уже не говорим о том, что такая планета, наверное, худший кандидат на планету, куда стоило лететь. Конечно, это художественный фильм. Никто не судит Звездные войны за звук взрывов в космосе. Но Звездные войны никогда и не претендовали на научность. А Интерстеллар — претендовал, причем с пафосом. Поэтому с него и другой спрос.

Чтобы закрыть тему с Интерстеллар, по современным научным данным, библиотеки внутри черной дыры тоже нет.

Замедление времени в черной дыре бесконечно

Интересный случай полуправды и неверных выводов. Начинается все с правильного утверждения: при приближении к горизонту событий для наблюдателей, подвешенных над черной дырой, замедление времени стремится к бесконечности. Это верно. Но из этого утверждения вырастает сразу несколько мифов:

• Замедление времени для падающего в черную дыру наблюдателя бесконечно

• Поэтому он увидит все будущее Вселенной — она для него будет ускоряться

• Падающие наблюдатели так и висят где-то недалеко от горизонта — ведь время для них бесконечно замедлилось

• Можно броситься им вслед и догнать их где-то там у горизонта, сколько бы не прошло времени

• Более того, они так никогда и не упадут в черную дыру, ведь для этого нужно бесконечное время

• Более того, можно даже сказать что на самом деле черных дыр не существует, ведь для их формирования нужно бесконечное время.

Все эти выводы растут из первого, неверного. Но он выглядит так правдоподобно, что в начале прошлого века долго вводил в заблуждение даже профессиональных физиков! Итак, мы имеем набор точек все ближе и ближе к горизонту, и замедление времени при приближении к горизонту стремится к бесконечности, а раз траектория падающего в черную дыру тела проходит через все эти точки, то для него замедление времени стремится к бесконечности! Логично? А вот и нет.

Замедление времени — это свойство траектории, а не точки пространства. То, что верно для наблюдателя, «подвешенного» на фиксированном растоянии над горизонтом, неверно для наблюдателя, падающего в черную дыру. Собственно, долгое время даже сам Эйнштейн не мог решить уравнение своей же общей теории относительности для областей внутри горизонта черной дыры — все упиралось в бесконечности на горизонте событий. Прогресс появился, когда вместо точек пространства стали рассматривать систему «дождя», свободно падающего внутрь черной дыры. В этой системе бесконечностей на горизонте не появлялось.

Более того, стало ясно то, что позже назвали «No drama» — при пересечении горизонта событий ничего особенного для свободно падающего наблюдателя не происходит — никакой тревожной музыки, пиу-пиу и зеленоватых всполохов. Провал под горизонт можно даже не заметить!

Для тех, кто хочет больше деталей о том, что происходит внутри черной дыры с точки зрения «дождя», я рекомендую почитать про координаты Эддингтона-Финкельштейна:

Они интересны тем, что просто водя по ним пальцем, можно графически дать ответы на много вопросов. В частности, про наши мифы:

• Свободно падающий наблюдатель достигает горизонта, а затем и сингулярности очень быстро (он падает почти со скоростью света). Если, не долетая горизонта, он передумает и даст «полный назад», то его раздавит в теории он очень долго будет выбираться назад, и вот тогда то он и схлопочет замедление времени по полной.

• Падающий наблюдатель видит оставленную им вселенную немного замедленной во времени и покрасневшей. Он продолжает ее видеть даже внутри горизонта (свет падает за ним)

• Падающие наблюдатели так и висят где-то недалеко от горизонта — но это чисто оптический эффект, свету от них очень сложно выбраться наружу

• Можно бросится им вслед, но как только вы станете приближаться к горизонту, вы увидите что их там уже нет. Если около горизонта висит «подвешенный» наблюдатель, то он сообщит (очень сильно замедленным голосом), что ваш коллега давно уже провалился внутрь. Давно — по данным этого наблюдателя с учетом того что он умный и корректирует свои наблюдения и в курсе того, что он сильно замедлен во времени. По его часам это время может быть очень коротким

• Более того, они так никогда и не упадут в черную дыру, ведь для этого нужно бесконечное время — ну, вы поняли что это совсем не так

Приливные силы разрывают всякого еще на подлете к черной дыре

Прочность нашего тела такова, что наше тело начнет разрывать примерно за секунду по времени до сингулярности. Учитывая, что свободное падение в черную дыру происходит почти всегда со скоростью, близкой к скорости света, то это произойдет примерно за 300000км до горизонта событий. Учитывая, что обычная черная дыра, являющаяся остатком звезды, имеет радиус 10-15-20км, то нас разорвет задолго до подлета к горизонту.

Однако, есть сверхмассивные черные дыры, массой в миллиарды солнечных масс, а радиусом больше орбиты Урана. В таких черных дырах лететь от горизонта к сингулярности — часы! именно в такие черные дыры можно провалиться, не заметив этого.

Чтобы получить черную дыру, надо сжать материю до чудовищной плотности

Опять таки, это верно для маленьких черных дыр. Радиус горизонта событий пропорционален массе. И это довольно удивительно, ведь при постоянной плотности масса объекта пропорциональна кубу радиуса.

Гравитационный радиус Земли чуть меньше сантиметра. Увеличим радиус Земли в 10 раз (оставив плотность материи такой же). Такая суперземля будет в 1000 раз тяжелее. Гравитационный радиус, соответственно, тоже увеличится в 1000 раз, а объем внутри гравитацонного радиуса увеличится в миллиард! раз. То есть в 1000 раз больше материи нам надо запихать в миллиард раз больший объем, то есть теперь сжимать материю надо в миллион раз меньше.

Таким образом, увеличивая масштаб любого тела, мы всегда дойдем до состояния, когда гравитационный радиус «догонит» настоящий. Так что черную дыру можно сделать из любого материала, не сжимая его — из воды, ваты, газа. Даже из вселенной с ее ничтожной средней плотностью — гравитационный радиус вселенной при ее плотности около 10 миллиардов световых лет.

Кстати, это одна из причин, почему невозможны статические решения Вселенной — она бы просто стала черной дырой. Нашей вселенной это не грозит, так как она расширяется.

Есть еще много мифов, если статья понравится, я продолжу.