Модель Оппенгеймера – Снайдера

В общей теории относительности модель Оппенгеймера-Снайдера представляет собой решение уравнений поля Эйнштейна , основанное на метрике Шварцшильда, описывающей коллапс объекта огромной массы в черную дыру . ^{[ 1 ]} Оно названо в честь физиков Дж. Роберта Оппенгеймера и Хартланда Снайдера , опубликовавших его в 1939 году. ^{[ 2 ]}

Во время коллапса звезды в черную дыру геометрия внешней стороны сферы является геометрией Шварцшильда. Однако геометрия внутри, как ни странно, та же геометрия Робертсона-Уокера, что и в остальной наблюдаемой Вселенной. ^{[ 3 ]}

История

Альберт Эйнштейн , разработавший свою теорию общей относительности в 1915 году, первоначально отрицал возможность существования черных дыр. ^{[ 4 ]} хотя они были подлинным следствием метрики Шварцшильда, полученной Карлом Шварцшильдом в 1916 году, первого известного нетривиального точного решения уравнений поля Эйнштейна. ^{[ 1 ]} статью «О стационарной системе со сферической симметрией, состоящей из множества гравитирующих масс» В 1939 году Эйнштейн опубликовал в «Анналах математики» , утверждая, что обеспечил «ясное понимание того, почему эти « шварцшильдовские особенности » не существуют в физической реальности». ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Спустя несколько месяцев после выхода статьи Эйнштейна, ^{[ 4 ]} Дж. Роберт Оппенгеймер и его ученик Хартланд Снайдер изучили эту тему в своей статье «О продолжающемся гравитационном сокращении», приведя аргументы, противоположные аргументам Эйнштейна. ^{[ 6 ]}^{[ 5 ]} Они показали, что когда у достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, она будет подвергаться продолжающемуся гравитационному сжатию и отделиться от остальной Вселенной границей, называемой горизонтом событий , из которой не может выйти даже свет. В этой статье было предсказано существование того, что сегодня известно как черные дыры. ^{[ 1 ]}^{[ 7 ]} Термин «черная дыра» был придуман десятилетия спустя, осенью 1967 года, Джоном Арчибальдом Уилером на конференции, проведенной Институтом космических исследований Годдарда в Нью-Йорке; ^{[ 7 ]} в следующем году он впервые появился в печати. ^{[ 8 ]} Оппенгеймер и Снайдер впервые в современной физике использовали собственную теорию гравитации Эйнштейна, чтобы доказать, как могут развиваться черные дыры, но без ссылки на вышеупомянутую статью Эйнштейна. ^{[ 4 ]} Однако Оппенгеймер и Снайдер ссылались на более раннюю статью Оппенгеймера и Волкова о нейтронных звездах, улучшающую работу Льва Давидовича Ландау . ^{[ 7 ]} Ранее, в том же году, Оппенгеймер и трое его коллег, Ричард Толман , Роберт Сербер и Джордж Волкофф , исследовали стабильность нейтронных звезд, получив предел Толмана-Оппенгеймера-Волкова . ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Оппенгеймер не будет возвращаться к этой теме в будущих публикациях. ^{[ 12 ]}

Модель

Модель Оппенгеймера-Снайдера продолжающегося гравитационного коллапса описывается линейным элементом ^{[ 13 ]}

ds^{2}=-d{\tau ^{2}}+A^{2}({\eta })\left({\frac {dR^{2}}{1-2M{\frac {R_{-}^{2}}{R_{b}^{2}}}{\frac {1}{R_{+}}}}}+R^{2}d\Omega ^{2}\right)

.

В это выражение входят следующие величины:

Координаты $(\tau ,R,\theta ,\phi )$ где $\theta ,\phi$ являются координатами 2-сферы.
$R_{b}$ - положительная величина, «граничный радиус», представляющий границу области материи.
$M$ – положительная величина, масса.
$R_{-}=\mathrm {min} (R,R_{b})$ и $R_{+}=\mathrm {max} (R,R_{b})$ .
$\eta$ определяется неявно уравнением

$\tau (\eta ,R)={\frac {1}{2}}{\sqrt {\frac {R_{+}^{3}}{2M}}}(\eta +\sin \eta ).$

$A(\eta )={\frac {1+\cos \eta }{2}}$ .

Это выражение справедливо как в области материи $R<R_{b}$ , а вакуумная область $R>R_{b}$ , и постоянно переходит между ними.

Прием и наследие

Кип Торн напомнил, что физики поначалу отнеслись к этой модели скептически, считая ее в то время «действительно странной». ^{[ 12 ]} Далее он объяснил: «Людям той эпохи было трудно понять эту статью, потому что вещи, которые вытягивались из математики, настолько отличались от любой мысленной картины того, как вещи должны вести себя во Вселенной». ^{[ 14 ]} Сам Оппенгеймер мало думал об этом открытии. ^{[ 2 ]} Однако некоторые считали открытие модели более значительным, чем открытие Оппенгеймера. ^{[ 2 ]} и модель позже будет описана как дальновидное мышление. ^{[ 12 ]} Фримен Дайсон считал, что это величайший вклад Оппенгеймера в науку. Лев Давидович Ландау включил статью Оппенгеймера-Снайдера в свой «золотой список» классических работ. ^{[ 2 ]} Джон Арчибальд Уилер изначально был противником этой модели до конца 1950-х годов. ^{[ 1 ]}^{[ 12 ]} когда его попросили вести курс общей теории относительности в Принстонском университете. ^{[ 8 ]} Уилер заявил на конференции в 1958 году, что модель Оппенгеймера-Снайдера не учитывает многие особенности реалистической звезды. сообщил ему Однако позже он полностью изменил свое мнение после того, как Эдвард Теллер , что компьютерное моделирование, проведенное Стирлингом Колгейтом и его командой в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, показало, что достаточно тяжелая звезда будет подвергаться продолжающемуся гравитационному сжатию, аналогично идеализированному сценарию. описано Оппенгеймером и Снайдером. ^{[ 1 ]} Впоследствии Уилер сыграл ключевую роль в возрождении интереса к общей теории относительности в Соединенных Штатах и популяризировал термин «черная дыра» в конце 1960-х годов. ^{[ 8 ]} Различные физики-теоретики занимались этой темой. ^{[ 5 ]} а к концу 1960-х и началу 1970-х годов достижения наблюдательной астрономии, такие как радиотелескопы , изменили отношение научного сообщества. ^{[ 14 ]} Пульсары уже были открыты, и черные дыры больше не считались просто школьной диковинкой. ^{[ 15 ]} Лебедь X-1 , первый кандидат в твердые черные дыры, был обнаружен Ухуру в 1971 году. рентгеновским космическим телескопом ^{[ 1 ]} Джереми Бернштейн назвал ее «одной из величайших работ по физике двадцатого века». ^{[ 14 ]}

После получения Нобелевской премии по физике в 2020 году Роджер Пенроуз назвал модель Оппенгеймера-Снайдера одним из источников вдохновения для своих исследований. ^{[ 16 ]}^{[ 12 ]}

Индус писал в 2023 году: ^{[ 17 ]}

Мир физики действительно помнит эту статью. Хотя Оппенгеймера помнят в истории как «отца атомной бомбы», его величайший вклад как физика был сделан в области физики черных дыр. Работы Оппенгеймера и Хартланда Снайдера помогли превратить черные дыры из математических вымыслов в реальные физические возможности – то, что можно найти в космосе.

В популярной культуре

В фильме 2023 года «Оппенгеймер» происходит взаимодействие между Оппенгеймером и его учеником Снайдером, поскольку их статья была опубликована в тот же день, что и вторжение в Польшу . ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

См. также

Уравнение Толмана – Оппенгеймера – Волкова

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж МакЭвой, JP; Сарате, Оскар (1995). Представляем Стивена Хокинга . Тотемные книги. ISBN 978-1-874-16625-2 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Бартусяк, Марсия (2015). «Глава 6: Сохраняется только его гравитационное поле». Черная дыра: как идея, от которой отказались ньютоновцы, которую ненавидел Эйнштейн и на которую сделал ставку Хокинг, стала любимой . Нью-Хейвен, Коннектикут: Издательство Йельского университета . ISBN 978-0-300-21085-9 .
^ Гамильтон, Эндрю (13 ноября 2011 г.). «Коллапс в черную дыру» . JILA, Университет Колорадо, Боулдер . Проверено 29 февраля 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Бернштейн, Джереми (2007). «Неохотный отец черных дыр» . Научный американец . 17 : 4–11. doi : 10.1038/scientificamerican0407-4sp . Проверено 3 августа 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Исааксон, Уолтер (2007). «Глава одиннадцатая: Вселенная Эйнштейна». Эйнштейн: Его жизнь и Вселенная . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. стр. 250–1. ISBN 978-0-7432-6473-0 .
^ Оппенгеймер-младший; Снайдер, Х. (1939). «О продолжающемся гравитационном сжатии» . Физический обзор . 56 (5): 455–459. Бибкод : 1939PhRv...56..455O . дои : 10.1103/PhysRev.56.455 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Паис, Авраам ; Криз, Роберт (2006). Дж. Роберт Оппенгеймер: Жизнь . Издательство Оксфордского университета. стр. 31–2. ISBN 978-0-195-32712-0 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Бартусяк, Марсия (2015). «Глава 9: Почему бы вам не назвать это черной дырой?». Черная дыра: как идея, от которой отказались ньютоновцы, которую ненавидел Эйнштейн и на которую сделал ставку Хокинг, стала любимой . Нью-Хейвен, Коннектикут: Издательство Йельского университета . ISBN 978-0-300-21085-9 .
^ Толман, Ричард К. (1939). «Статические решения уравнений поля Эйнштейна для сфер жидкости» . Физический обзор . 55 (364): 364–373. Бибкод : 1939PhRv...55..364T . дои : 10.1103/PhysRev.55.364 .
^ Оппенгеймер-младший; Сербер, Роберт (1938). «О стабильности звездных нейтронных ядер». Физический обзор . 54 (7): 540. Бибкод : 1938ФРв...54..540О . дои : 10.1103/PhysRev.54.540 .
^ Оппенгеймер-младший; Волков, Г.М. (1939). «О массивных нейтронных ядрах» (PDF) . Физический обзор . 55 (4): 374–381. Бибкод : 1939PhRv...55..374O . дои : 10.1103/PhysRev.55.374 . Архивировано (PDF) из оригинала 16 января 2014 г. Проверено 15 января 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и МакГрат, Дженни. « Факт об «Оппенгеймере» против вымысла: историк ядерной энергетики разбирает, что в фильме правильно, а что неправильно» . Бизнес-инсайдер . Проверено 2 августа 2023 г.
^ Донис, Питер (9 января 2023 г.). «Модель гравитационного коллапса Оппенгеймера-Снайдера: математические детали» . Форумы по физике. Аналитика . Проверено 3 октября 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Берд, Кай ; Шервин, Мартин Дж. (2006). Американский Прометей: Триумф и трагедия Дж. Роберта Оппенгеймера . Нью-Йорк: Винтажные книги. стр. 89–90. ISBN 978-0-375-72626-2 .
^ Паис, Авраам (2005). «Глава 15: Новая динамика». Тонок Господь: наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Издательство Оксфордского университета. п. 269. ИСБН 978-0-192-80672-7 .
^ Фонд Нобелевской премии (март 2021 г.). «Интервью Роджера Пенроуза» . Нобелевская премия . Проверено 5 августа 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Оппенгеймер: вспоминая физику, которая впервые сделала его великим» . Индус . 29 июля 2023 г. ISSN 0971-751X . Проверено 2 августа 2023 г.
^ Джонс, Нейт (25 июля 2023 г.). «Что в Оппенгеймере факт, а что вымысел?» . Стервятник . Проверено 2 августа 2023 г.

[:2-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж МакЭвой, JP; Сарате, Оскар (1995). Представляем Стивена Хокинга . Тотемные книги. ISBN 978-1-874-16625-2 .

[:4-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Бартусяк, Марсия (2015). «Глава 6: Сохраняется только его гравитационное поле». Черная дыра: как идея, от которой отказались ньютоновцы, которую ненавидел Эйнштейн и на которую сделал ставку Хокинг, стала любимой . Нью-Хейвен, Коннектикут: Издательство Йельского университета . ISBN 978-0-300-21085-9 .

[3] Гамильтон, Эндрю (13 ноября 2011 г.). «Коллапс в черную дыру» . JILA, Университет Колорадо, Боулдер . Проверено 29 февраля 2024 г.

[:02-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Бернштейн, Джереми (2007). «Неохотный отец черных дыр» . Научный американец . 17 : 4–11. doi : 10.1038/scientificamerican0407-4sp . Проверено 3 августа 2023 г.

[:7-5] Jump up to: ^а ^б ^с Исааксон, Уолтер (2007). «Глава одиннадцатая: Вселенная Эйнштейна». Эйнштейн: Его жизнь и Вселенная . Нью-Йорк: Саймон и Шустер. стр. 250–1. ISBN 978-0-7432-6473-0 .

[6] Оппенгеймер-младший; Снайдер, Х. (1939). «О продолжающемся гравитационном сжатии» . Физический обзор . 56 (5): 455–459. Бибкод : 1939PhRv...56..455O . дои : 10.1103/PhysRev.56.455 .

[:6-7] Jump up to: ^а ^б ^с Паис, Авраам ; Криз, Роберт (2006). Дж. Роберт Оппенгеймер: Жизнь . Издательство Оксфордского университета. стр. 31–2. ISBN 978-0-195-32712-0 .

[:3-8] Jump up to: ^а ^б ^с Бартусяк, Марсия (2015). «Глава 9: Почему бы вам не назвать это черной дырой?». Черная дыра: как идея, от которой отказались ньютоновцы, которую ненавидел Эйнштейн и на которую сделал ставку Хокинг, стала любимой . Нью-Хейвен, Коннектикут: Издательство Йельского университета . ISBN 978-0-300-21085-9 .

[9] Толман, Ричард К. (1939). «Статические решения уравнений поля Эйнштейна для сфер жидкости» . Физический обзор . 55 (364): 364–373. Бибкод : 1939PhRv...55..364T . дои : 10.1103/PhysRev.55.364 .

[10] Оппенгеймер-младший; Сербер, Роберт (1938). «О стабильности звездных нейтронных ядер». Физический обзор . 54 (7): 540. Бибкод : 1938ФРв...54..540О . дои : 10.1103/PhysRev.54.540 .

[11] Оппенгеймер-младший; Волков, Г.М. (1939). «О массивных нейтронных ядрах» (PDF) . Физический обзор . 55 (4): 374–381. Бибкод : 1939PhRv...55..374O . дои : 10.1103/PhysRev.55.374 . Архивировано (PDF) из оригинала 16 января 2014 г. Проверено 15 января 2014 г.

[:0-12] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и МакГрат, Дженни. « Факт об «Оппенгеймере» против вымысла: историк ядерной энергетики разбирает, что в фильме правильно, а что неправильно» . Бизнес-инсайдер . Проверено 2 августа 2023 г.

[physicsforums-13] Донис, Питер (9 января 2023 г.). «Модель гравитационного коллапса Оппенгеймера-Снайдера: математические детали» . Форумы по физике. Аналитика . Проверено 3 октября 2023 г.

[:5-14] Jump up to: ^а ^б ^с Берд, Кай ; Шервин, Мартин Дж. (2006). Американский Прометей: Триумф и трагедия Дж. Роберта Оппенгеймера . Нью-Йорк: Винтажные книги. стр. 89–90. ISBN 978-0-375-72626-2 .

[15] Паис, Авраам (2005). «Глава 15: Новая динамика». Тонок Господь: наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Издательство Оксфордского университета. п. 269. ИСБН 978-0-192-80672-7 .

[16] Фонд Нобелевской премии (март 2021 г.). «Интервью Роджера Пенроуза» . Нобелевская премия . Проверено 5 августа 2023 г.

[:1-17] Jump up to: ^а ^б «Оппенгеймер: вспоминая физику, которая впервые сделала его великим» . Индус . 29 июля 2023 г. ISSN 0971-751X . Проверено 2 августа 2023 г.

[18] Джонс, Нейт (25 июля 2023 г.). «Что в Оппенгеймере факт, а что вымысел?» . Стервятник . Проверено 2 августа 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

v т и Черные дыры
Outline
Types	BTZ black hole Schwarzschild Rotating Charged Virtual Kugelblitz Supermassive Primordial Direct collapse Rogue Malament–Hogarth spacetime
Size	Micro Extremal Electron Hawking star Stellar Microquasar Intermediate-mass Supermassive Active galactic nucleus Quasar LQG Blazar OVV Radio-Quiet Radio-Loud
Formation	Stellar evolution Gravitational collapse Neutron star Related links Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit White dwarf Related links Supernova Micronova Hypernova Related links Gamma-ray burst Binary black hole Quark star Supermassive star Quasi-star Supermassive dark star X-ray binary
Properties	Astrophysical jet Gravitational singularity Ring singularity Theorems Event horizon Photon sphere Innermost stable circular orbit Ergosphere Penrose process Blandford–Znajek process Accretion disk Hawking radiation Gravitational lens Microlens Bondi accretion M–sigma relation Quasi-periodic oscillation Thermodynamics Bekenstein bound Bousso's holographic bound Immirzi parameter Schwarzschild radius Spaghettification
Issues	Black hole complementarity Information paradox Cosmic censorship ER = EPR Final parsec problem Firewall (physics) Holographic principle No-hair theorem
Metrics	Schwarzschild (Derivation) Kerr Reissner–Nordström Kerr–Newman Hayward
Alternatives	Nonsingular black hole models Black star Dark star Dark-energy star Gravastar Magnetospheric eternally collapsing object Planck star Q star Fuzzball Geon
Analogs	Optical black hole Sonic black hole
Lists	Black holes Most massive Nearest Quasars Microquasars
Related	Outline of black holes Black Hole Initiative Black hole starship Black holes in fiction Big Bang Big Bounce Compact star Exotic star Quark star Preon star Gravitational waves Gamma-ray burst progenitors Gravity well Hypercompact stellar system Membrane paradigm Naked singularity Population III star Supermassive star Quasi-star Supermassive dark star Rossi X-ray Timing Explorer Superluminal motion Timeline of black hole physics White hole Wormhole Tidal disruption event Planet Nine
Notable	Cygnus X-1 XTE J1650-500 XTE J1118+480 A0620-00 SDSS J150243.09+111557.3 Sagittarius A* Centaurus A Phoenix Cluster PKS 1302-102 OJ 287 SDSS J0849+1114 TON 618 MS 0735.6+7421 NeVe 1 Hercules A 3C 273 Q0906+6930 Markarian 501 ULAS J1342+0928 PSO J030947.49+271757.31 P172+18 AT2018hyz Swift J1644+57
Category Commons