En 1915, Schwarzschild aprobó una solución sobre la distribución de la materia esférica en la relatividad general. Basándose en esta solución, descubrió que el espacio-tiempo está tan curvado dentro de este radio esférico que ninguna materia, ni siquiera la luz, puede escapar de él. Por lo tanto, los agujeros negros son "negros" y no se pueden observar y sólo se pueden descubrir indirectamente.
Los agujeros negros se forman por explosiones de supernovas en las últimas etapas de la evolución de estrellas masivas. Generalmente, las estrellas con una masa de 30 veces la del Sol evolucionarán hasta convertirse en agujeros negros. Según la fórmula del radio de Schwarzschild, el radio de Schwarzschild del sol es de 3000 metros y el radio de Schwarzschild de la Tierra es de 0,9 centímetros. En términos generales, si la Tierra se comprime a 0,9 centímetros, se convertirá en un agujero negro.
Durante mucho tiempo, las imágenes de agujeros negros que hemos visto han sido simuladas por científicos utilizando ordenadores basándose en teorías relevantes. Hasta 2019, la publicación de la primera fotografía de un agujero negro confirmó una vez más la exactitud de la teoría general de la relatividad de Einstein.
Los agujeros negros son un fenómeno predicho por la teoría general de la relatividad de Einstein. Einstein utilizó la relatividad general para allanar el camino para que los agujeros negros entraran en el campo científico. Ésta no era su verdadera intención.
En 1915, Einstein dio una serie de conferencias sobre la relatividad general, afirmando que el espacio y el tiempo eran un continuo que podía ser distorsionado por cualquier cosa con masa. El resultado de la distorsión es la gravedad, que es el resultado de la distorsión del espacio-tiempo, obligando a todo, desde la luz hasta los planetas e incluso las manzanas que caen del árbol, a seguir caminos curvos a través del espacio.
Cuando Einstein desarrolló su teoría general de la relatividad, pasó unos diez años aproximando sus propias ecuaciones utilizando una forma de matemática llamada cálculo tensorial. Incluso los mejores científicos se sienten confundidos por las matemáticas. Sin embargo, este desafío no disuadió al astrónomo contemporáneo de Einstein, un físico teórico llamado Karl Schwarzschild. Schwarzschild era un realista de corazón, pero era muy bueno manejando conceptos teóricos. Cuando Einstein publicó su artículo sobre la relatividad general en 1915, Schwarzschild fue uno de los primeros en darse cuenta de su importancia.
Schwarzschild era un patriota alemán, por lo que cuando estalló la Primera Guerra Mundial dejó de lado sus investigaciones astronómicas y optó por alistarse en el ejército. Estaba librando guerras en Bélgica, Francia y Rusia cuando leyó el artículo de Einstein. Sin embargo, Schwarzschild se sintió atraído por la esencia de la relatividad general y comenzó a buscar respuestas precisas a sus ecuaciones. Dos meses después de ser enviado a casa tras una grave enfermedad, Schwarzschild finalmente pudo concentrarse en sus cálculos. Poco antes de su muerte en 1916, Schwarzschild completó su trabajo y lo publicó ese mismo año: "Sobre el campo gravitacional de masas puntuales en la teoría de Einstein", que se convirtió en uno de los pilares de la investigación moderna de la relatividad. El libro presenta sus soluciones a los problemas no resueltos de Einstein. ecuaciones.
Cuando Einstein escribió su teoría general de la relatividad, descubrió una nueva forma de describir la gravedad como resultado de una distorsión del espacio-tiempo. La materia y la energía existen en un contexto espacio-temporal, con tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal. La masa de un objeto distorsiona la estructura del espacio-tiempo: cuanto más masivo es un objeto, mayor es su impacto en el espacio-tiempo. Así como una bola de bolos colocada en un trampolín estira la tela y hace que se hunda, los planetas y las estrellas distorsionan el espacio-tiempo, un fenómeno conocido como "efecto de línea corta". Por lo tanto, un planeta que orbita alrededor del Sol no es atraído por el Sol; simplemente sigue la deformación curva del espacio-tiempo causada por la masa del Sol. La razón por la que un planeta nunca cae hacia el Sol es por la velocidad del planeta. En resumen, "la materia le dice al espacio-tiempo cómo doblarse, y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse".
Schwarzschild se dio cuenta de que la velocidad de escape de la superficie de un objeto depende de su masa y radio. Por ejemplo, la velocidad de escape de la Tierra es de unos 11,2 kilómetros por segundo, la velocidad que debe alcanzar un cohete antes de abandonar la Tierra. Sin embargo, si el radio de una masa determinada puede reducirse lo suficiente, la velocidad de escape aumenta hasta alcanzar la velocidad de la luz, que es de 300.000 kilómetros por segundo.
En ese punto, ni la materia ni la radiación pueden escapar de la superficie. Además, las fuerzas atómicas o subatómicas no pueden hacer que un objeto soporte su propio peso. Como resultado, el objeto colapsa en un punto infinitesimal: el objeto original desaparece de la vista, dejando sólo su atracción gravitacional para marcar su presencia. De esta forma, se creará un pozo sin fondo llamado singularidad en la estructura espacio-temporal. Schwarzschild también explicó que una singularidad está rodeada por un límite gravitacional esférico que siempre atrapa todo lo que entra. Este límite se llama horizonte. Schwarzenegger también propuso una fórmula para calcular el tamaño del horizonte. Este es el radio de Schwarzschild, el borde del pozo sin fondo del espacio-tiempo. El radio de Schwarzschild del sol es de 3 km, es decir, su horizonte de sucesos está a 3 km de su superficie y el radio de Schwarzschild de la Tierra es de 9 mm.
El artículo de Schwarzschild contenía predicciones radicales. La idea de un pozo sin fondo en el espacio-tiempo ha preocupado a muchos científicos, incluido Einstein. El propio Einstein no creía en la existencia de los agujeros negros. Aunque su propia teoría predijo la existencia de agujeros negros, estaba totalmente en desacuerdo con esta idea. En 1939, Einstein publicó un artículo en "Annals of Mathematics" tratando de demostrar que tal pozo sin fondo de espacio y tiempo no podía existir. Porque va abiertamente en contra de la experiencia humana: el mundo es limitado y todo se puede pesar y medir.
En 1967, el físico estadounidense John Wheeler mejoró la afirmación original de Schwarzschild de "un objeto completamente colapsado por la gravedad" y lo llamó agujero negro. Los científicos ignoraron su importancia en la evolución de las estrellas durante unos cincuenta años y sólo recientemente se dieron cuenta de su espectacular impacto en el desarrollo del universo. El conocimiento científico moderno es que los agujeros negros existen y son una de las características más importantes del universo. Los astrónomos han podido detectarlos de forma indirecta a través de diferentes medios, por lo que no hay dudas sobre su existencia.
En primer lugar, hay que tener claro que Einstein no predijo los agujeros negros. Después de que Einstein publicara su teoría especial de la relatividad en 1905, pasó ocho años explorando la relatividad gravitacional a partir de 1907. Después de muchos desvíos y errores, dio una conferencia en la Academia de Ciencias de Prusia en junio de 1915438+0, explicando cómo funciona la gravedad y dando la famosa ecuación del campo gravitacional de Einstein:
La importancia de toda la ecuación es que la distribución de energía y momento de la materia espacial determina el estado de curvatura del espacio.
En 1916, el astrónomo alemán Karl Schwarzschild calculó la solución en vacío de la ecuación del campo gravitacional de Einstein. Esta solución muestra que si se concentra una gran cantidad de materia en un espacio, ocurrirá un fenómeno extraño a su alrededor, es decir, habrá una interfaz alrededor de las partículas; una vez que el "horizonte de sucesos" entre en esta interfaz, ni siquiera la luz puede escapar. Este "objeto increíble" fue denominado "agujero negro" por el físico estadounidense John Archibald Wheeler.
Einstein explicó que el fenómeno de atracción mutua entre objetos se debe a que la masa del objeto distorsiona el espacio-tiempo del entorno en el que se encuentra el objeto. El resultado de esta distorsión obliga a todos los objetos a viajar a través de él. espacio a lo largo de un camino curvo. Este fenómeno se sintió en nuestra última observación de que existe una atracción relativa entre sustancias. Por ejemplo, en nuestra vida diaria vemos el fenómeno de las manzanas que caen del árbol al suelo. Einstein dio una explicación: debido a la existencia de la Tierra, el espacio y el tiempo alrededor de la Tierra están distorsionados y la manzana simplemente camina a lo largo del espacio distorsionado. La explicación de Newton: todo en el mundo se atrae entre sí y la manzana cae; árbol debido a la gravedad de la tierra. Más tarde, durante las observaciones astronómicas, se descubrió que los resultados de los cálculos teóricos de Einstein estaban más cerca de la trayectoria de los cuerpos celestes, como los resultados del cálculo del valor de precesión del perihelio de Mercurio. Karl Schwarzschild utilizó la ecuación del campo gravitacional de Einstein para calcular una existencia especial, es decir, según la masa de un objeto, el espacio-tiempo de su entorno circundante puede distorsionarse y el grado de distorsión es proporcional a su tensor dinámico Tuv Proporcional. Calculando a Karl Schwarzschild podemos llegar a la siguiente conclusión: cuando el tensor dinámico Tuv de un cuerpo celeste es lo suficientemente grande, el espacio-tiempo de su entorno se distorsiona gravemente, de modo que cuando la luz (el objeto más rápido del universo) se acerca Cuando este cuerpo celeste se encuentra a cierta distancia, es imposible escapar. Más tarde, los científicos llamaron a este objeto agujero negro.
En otras palabras, Einstein solo dio un método para explicar el fenómeno de la gravedad, y Karl Schwarzschild utilizó este método para calcular un cuerpo celeste especial, que fue descubierto por un físico estadounidense llamado "agujero negro". John Archibald Wheeler.
A las 9 de la noche del 10 de octubre, hora de Beijing, astrónomos de muchos lugares del mundo, incluida China, anunciaron simultáneamente el "verdadero contenido" del agujero negro. Esta es la primera vez que los humanos han fotografiado un agujero negro, lo que demuestra que la teoría general de la relatividad de Einstein sigue siendo válida en condiciones extremas. El agujero negro está situado en el centro de M87, una galaxia elíptica gigante en la constelación de Virgo. Se encuentra a 55 millones de años luz de la Tierra y tiene una masa de aproximadamente 6.500 millones de veces la del Sol. Tiene una sombra en su área central, rodeada por un halo en forma de media luna, como se muestra arriba.