Процес Пенроуза (також механізм Пенроуза) теоретична концепція в області квантової фізики, розроблена Роджером Пенроузом, за допомогою якої можна отримати енергію з обертальної чорної діри. Процес використовує переваги ергосфери — еліпсоїдальної ділянки викривленого простору навколо горизонту подій, яка обертається швидше за швидкість світла (з точки зору зовнішнього спостерігача будь-яка речовина всередині змушена рухатися в напрямку обертання чорної діри).
Максимальний можливий приріст енергії для розпаду однієї частинки за класичним процесом Пенроуза становить 20,7% від її маси у випадку незарядженої чорної діри (за припущення максимального обертання чорної діри). Оскільки енергія береться від обертання чорної діри, існує обмеження на те, скільки енергії можна отримати за допомогою процесу Пенроуза та подібних теорій (наприклад для незарядженої чорної діри лише не більше 29% від її початкової маси; більша ефективність можлива для заряджених обертальних чорних дір).
Історія
Незабаром після відкриття метрики Керра в 1963 році, стало зрозуміло, що поза горизонтом подій чорної діри існує область, де жоден часоподібний спостерігач не може залишатися нерухомим. 1969 році Роджер Пенроуз довів, що частинки в цій області ергосфери можуть мати від'ємну енергію, виміряну спостерігачем на нескінченності. У 1971 році Пенроуз запропонував спосіб вилучення енергії з чорної діри іншими способами. На відміну від [en], який спирався на магнетизм, процес Пенроуза спирався на збереження імпульсу. Подібно до процесу Блендфорда-Знаєка, енергія витягується з обертання чорної діри, таким чином обмежуючи тривалість життя цього об'єкта. У точці, де чорна діра перестане обертатися, вона перестане бути джерелом енергії через цей процес. Тим не менш, з цим процесом є проблеми. Сам Пенроуз у своїй власній статті казав, що метод неймовірно неефективний, хоча пізніші розрахунки Чандрасекара в 1983 році показали, що теоретична ефективність може досягати 20% додаткової отриманої енергії.
Деталі ергосфери
Зовнішня поверхня ергосфери - це поверхня, на якій світло, що рухається в напрямку, протилежному обертанню чорної діри, залишається у фіксованій кутовій координаті, згідно з зовнішнім спостерігачем. Оскільки масивні частинки обов’язково рухаються повільніше ніж світло, вони обов’язково рухатимуться разом із обертанням чорної діри. Внутрішньою межею ергосфери є горизонт подій, гіперповерхня в просторі-часі, звідки світло не може потрапити до спостерігача.
Оскільки всередині ергосфери навіть світло не може встигати за обертанням чорної діри, траєкторії нерухомих (з точки зору спостерігача) об’єктів стають схожими на простір, а не на час (що було б у нормальній матерії) . Математично, компонент метрики змінює свій знак всередині ергосфери. Це дозволяє матерії мати негативну енергію всередині ергосфери, доки вона рухається проти обертання чорної діри досить швидко (або, з точки зору спостерігача, достатньою мірою чинить опір тягненню). У квантовій фізиці поняття "негативна енергія" означає, що деякі системи можуть мати енергію, яка менше нуля. Це можливо завдяки тому, що в квантовому світі існує багато явищ, які не зустрічаються у класичній фізиці.
Завдяки цьому механізм Пенроуза дозволяє отримувати енергію. У загальному вигляді ідея полягає в тому, що об’єкт з негативною енергією (як електрон) може бути використаний для збільшення енергії іншого об’єкта. Це досягається за допомогою складного процесу, що включає квантові ефекти та інші явища. Механізм Пенроуза використовує це, занурюючись в ергосферу, скидаючи об’єкт, який отримав негативну енергію, і повертається з більшою енергією, ніж раніше.
Таким чином, обертальна енергія витягується з чорної діри, в результаті чого чорна діра обертається повільніше. Максимальна кількість енергії (на масу вкинутого об’єкта) витягується, якщо чорна діра обертається з максимальною швидкістю, об’єкт просто зачіпає горизонт подій і розпадається на пакети світла, що рухаються вперед і назад (перший вислизає від чорної діри, другий падає всередину).
У допоміжному процесі чорну діру можна розкрутити (збільшити швидкість її обертання), посилаючи частинки, які не розщеплюються, а натомість віддають увесь свій кутовий момент чорній дірі. Однак це не обернений процес Пенроуза, оскільки обидва збільшують ентропію чорної діри, кидаючи в неї матеріал.
Додаткова інформація:
- [en], одне з найкращих пояснень живлення квазарів
- Випромінювання Хокінга, випромінювання чорного тіла, яке, як вважають, випромінюють чорні діри через квантові ефекти
- Світське життя, науково-фантастичний фільм 2018 року, який містить місію з використання процесу
- [en], астрофізик і перша людина, яка успішно розробила механізм Пенроуза для отримання енергії з обертової чорної діри для живлення квазарів
- [en] – Фізичний ефект при попаданні бозонного поля на чорну діру, що обертається
Список літератури:
- R. Penrose and R. M. Floyd, "Extraction of Rotational Energy from a Black Hole", Nature Physical Science 229, 177 (1971).
- Misner, Thorne, and Wheeler, Gravitation, Freeman and Company, 1973.
- Chandrasekhar, Subrahmanyan (1983). The Mathematical Theory of Black Holes. с. 369. Bibcode:1983mtbh.book.....C. ISBN .
- Carroll, Spacetime and Geometry pg. 271
- Bhat, Manjiri; Dhurandhar, Sanjeev; Dadhich, Naresh (1985). Energetics of the Kerr-Newman black hole by the penrose process. Journal of Astrophysics and Astronomy. 6 (2): 85—100. Bibcode:1985JApA....6...85B. doi:10.1007/BF02715080.
Подальше читання
- Chandrasekhar, Subrahmanyan (1999). Mathematical Theory of Black Holes. Oxford University Press. ISBN .
- Carroll, Sean (2003). Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity. ISBN .
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Proces Penrouza takozh mehanizm Penrouza teoretichna koncepciya v oblasti kvantovoyi fiziki rozroblena Rodzherom Penrouzom za dopomogoyu yakoyi mozhna otrimati energiyu z obertalnoyi chornoyi diri Proces vikoristovuye perevagi ergosferi elipsoyidalnoyi dilyanki vikrivlenogo prostoru navkolo gorizontu podij yaka obertayetsya shvidshe za shvidkist svitla z tochki zoru zovnishnogo sposterigacha bud yaka rechovina vseredini zmushena ruhatisya v napryamku obertannya chornoyi diri Trayektoriyi til u procesi Penrouza Maksimalnij mozhlivij pririst energiyi dlya rozpadu odniyeyi chastinki za klasichnim procesom Penrouza stanovit 20 7 vid yiyi masi u vipadku nezaryadzhenoyi chornoyi diri za pripushennya maksimalnogo obertannya chornoyi diri Oskilki energiya beretsya vid obertannya chornoyi diri isnuye obmezhennya na te skilki energiyi mozhna otrimati za dopomogoyu procesu Penrouza ta podibnih teorij napriklad dlya nezaryadzhenoyi chornoyi diri lishe ne bilshe 29 vid yiyi pochatkovoyi masi bilsha efektivnist mozhliva dlya zaryadzhenih obertalnih chornih dir IstoriyaNezabarom pislya vidkrittya metriki Kerra v 1963 roci stalo zrozumilo sho poza gorizontom podij chornoyi diri isnuye oblast de zhoden chasopodibnij sposterigach ne mozhe zalishatisya neruhomim 1969 roci Rodzher Penrouz doviv sho chastinki v cij oblasti ergosferi mozhut mati vid yemnu energiyu vimiryanu sposterigachem na neskinchennosti U 1971 roci Penrouz zaproponuvav sposib viluchennya energiyi z chornoyi diri inshimi sposobami Na vidminu vid en yakij spiravsya na magnetizm proces Penrouza spiravsya na zberezhennya impulsu Podibno do procesu Blendforda Znayeka energiya vityaguyetsya z obertannya chornoyi diri takim chinom obmezhuyuchi trivalist zhittya cogo ob yekta U tochci de chorna dira perestane obertatisya vona perestane buti dzherelom energiyi cherez cej proces Tim ne mensh z cim procesom ye problemi Sam Penrouz u svoyij vlasnij statti kazav sho metod nejmovirno neefektivnij hocha piznishi rozrahunki Chandrasekara v 1983 roci pokazali sho teoretichna efektivnist mozhe dosyagati 20 dodatkovoyi otrimanoyi energiyi Detali ergosferiZovnishnya poverhnya ergosferi ce poverhnya na yakij svitlo sho ruhayetsya v napryamku protilezhnomu obertannyu chornoyi diri zalishayetsya u fiksovanij kutovij koordinati zgidno z zovnishnim sposterigachem Oskilki masivni chastinki obov yazkovo ruhayutsya povilnishe nizh svitlo voni obov yazkovo ruhatimutsya razom iz obertannyam chornoyi diri Vnutrishnoyu mezheyu ergosferi ye gorizont podij giperpoverhnya v prostori chasi zvidki svitlo ne mozhe potrapiti do sposterigacha Oskilki vseredini ergosferi navit svitlo ne mozhe vstigati za obertannyam chornoyi diri trayektoriyi neruhomih z tochki zoru sposterigacha ob yektiv stayut shozhimi na prostir a ne na chas sho bulo b u normalnij materiyi Matematichno d t 2 displaystyle dt 2 komponent metriki zminyuye svij znak vseredini ergosferi Ce dozvolyaye materiyi mati negativnu energiyu vseredini ergosferi doki vona ruhayetsya proti obertannya chornoyi diri dosit shvidko abo z tochki zoru sposterigacha dostatnoyu miroyu chinit opir tyagnennyu U kvantovij fizici ponyattya negativna energiya oznachaye sho deyaki sistemi mozhut mati energiyu yaka menshe nulya Ce mozhlivo zavdyaki tomu sho v kvantovomu sviti isnuye bagato yavish yaki ne zustrichayutsya u klasichnij fizici Zavdyaki comu mehanizm Penrouza dozvolyaye otrimuvati energiyu U zagalnomu viglyadi ideya polyagaye v tomu sho ob yekt z negativnoyu energiyeyu yak elektron mozhe buti vikoristanij dlya zbilshennya energiyi inshogo ob yekta Ce dosyagayetsya za dopomogoyu skladnogo procesu sho vklyuchaye kvantovi efekti ta inshi yavisha Mehanizm Penrouza vikoristovuye ce zanuryuyuchis v ergosferu skidayuchi ob yekt yakij otrimav negativnu energiyu i povertayetsya z bilshoyu energiyeyu nizh ranishe Takim chinom obertalna energiya vityaguyetsya z chornoyi diri v rezultati chogo chorna dira obertayetsya povilnishe Maksimalna kilkist energiyi na masu vkinutogo ob yekta vityaguyetsya yaksho chorna dira obertayetsya z maksimalnoyu shvidkistyu ob yekt prosto zachipaye gorizont podij i rozpadayetsya na paketi svitla sho ruhayutsya vpered i nazad pershij vislizaye vid chornoyi diri drugij padaye vseredinu U dopomizhnomu procesi chornu diru mozhna rozkrutiti zbilshiti shvidkist yiyi obertannya posilayuchi chastinki yaki ne rozsheplyuyutsya a natomist viddayut uves svij kutovij moment chornij diri Odnak ce ne obernenij proces Penrouza oskilki obidva zbilshuyut entropiyu chornoyi diri kidayuchi v neyi material Dodatkova informaciya en odne z najkrashih poyasnen zhivlennya kvazariv Viprominyuvannya Hokinga viprominyuvannya chornogo tila yake yak vvazhayut viprominyuyut chorni diri cherez kvantovi efekti Svitske zhittya naukovo fantastichnij film 2018 roku yakij mistit misiyu z vikoristannya procesu en astrofizik i persha lyudina yaka uspishno rozrobila mehanizm Penrouza dlya otrimannya energiyi z obertovoyi chornoyi diri dlya zhivlennya kvazariv en Fizichnij efekt pri popadanni bozonnogo polya na chornu diru sho obertayetsyaSpisok literaturi R Penrose and R M Floyd Extraction of Rotational Energy from a Black Hole Nature Physical Science 229 177 1971 Misner Thorne and Wheeler Gravitation Freeman and Company 1973 Chandrasekhar Subrahmanyan 1983 The Mathematical Theory of Black Holes s 369 Bibcode 1983mtbh book C ISBN 0 19 851291 0 Carroll Spacetime and Geometry pg 271 Bhat Manjiri Dhurandhar Sanjeev Dadhich Naresh 1985 Energetics of the Kerr Newman black hole by the penrose process Journal of Astrophysics and Astronomy 6 2 85 100 Bibcode 1985JApA 6 85B doi 10 1007 BF02715080 Podalshe chitannyaChandrasekhar Subrahmanyan 1999 Mathematical Theory of Black Holes Oxford University Press ISBN 0 19 850370 9 Carroll Sean 2003 Spacetime and Geometry An Introduction to General Relativity ISBN 0 8053 8732 3