Reactor de singularidad

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Un reactor singular ( reactor colapsar ) es una fuente de energía hipotética , donde se utilizan agujeros negros microscópicos (colapsares) como fluido de trabajo . El principio de funcionamiento de un reactor de este tipo es utilizar la energía liberada durante la evaporación de un agujero negro . También se puede utilizar como motor a reacción .

Se consideran dos tipos de reactores singulares:

acción explosiva - produce agujeros negros individuales
Acción continua: el agujero negro se alimenta constantemente de materia.

La teoría de los agujeros negros requiere en este caso

El concepto de agujero negro como un objeto absolutamente absorbente fue corregido por Starobinsky y Zeldovich en 1974 para los agujeros negros giratorios y luego, en el caso general, por S. Hawking en 1975 . Al estudiar el comportamiento de los campos cuánticos cerca de un agujero negro, Hawking predijo que un agujero negro necesariamente irradia partículas al espacio exterior y, por lo tanto, pierde masa [1] . Este efecto se llama radiación de Hawking (evaporación) . En pocas palabras, el campo gravitatorio polariza el vacío, como resultado de lo cual es posible la formación no solo de pares virtuales, sino también reales de partículas y antipartículas . Una de las partículas, que resultó estar justo por debajo del horizonte de sucesos, cae en el agujero negro, y la otra, que resultó estar justo por encima del horizonte, se va volando, llevándose la energía (es decir, parte de la masa) del agujero negro. El poder de radiación de un agujero negro es

L={\frac {\hbar c^{6}}{15360\pi G^{2}M^{2}}}={\frac {P_{P}m_{P}^{2} }{15360\pi M^{2}}}

y la perdida de peso

{\frac {dM}{dt}}=-{\frac {\hbar c^{4}}{15360\pi G^{2}M^{2}}}=-{\frac {m_ {P}^{3}}{15360\pi t_{P}M^{2}}}

La composición de la radiación depende del tamaño del agujero negro: para los agujeros negros grandes, estos son principalmente fotones sin masa y neutrinos ligeros , y las partículas pesadas comienzan a estar presentes en el espectro de los agujeros negros ligeros. El espectro de la radiación de Hawking para campos sin masa resultó ser estrictamente coincidente con la radiación de un cuerpo absolutamente negro , lo que permitió asignar una temperatura al agujero negro.

T_{H}={\frac {\hbar c^{3}}{8\pi kGM}}={\frac {E_{P}^{2}}{8\pi kMc^{2} ))={\frac {m_{P}^{2}c^{2}}{8\pi kM}}={\frac {(m_{P}c)^{2}}{8\pi kM ))={\frac {T_{P}m_{P}}{8\pi M}}

donde ħ es la constante de Planck reducida , c es la velocidad de la luz, k es la constante de Boltzmann , G es la constante de gravedad , M es la masa del agujero negro, es la energía de Planck , es la masa de Planck , es el momento de Planck , es la temperatura de Planck , es la potencia de Planck , es el tiempo de potencia de Planck . $E_{P}$ ${\ Displaystyle m_ {P}}$ $m_{P}c$ $T_{P}$ $P_{P}$ $t_{P}$

Sobre esta base se construyó la termodinámica de los agujeros negros, incluyendo el concepto clave de la entropía de un agujero negro, que resultó ser proporcional al área de su horizonte de eventos:

S={\frac {Akc^{3}}{4\hbar G}}={\frac {Ak}{4S_{P}}}={\frac {Ak}{4{\ell }_ {P}^{2}}}

donde es el área del horizonte de eventos, es el área de Planck y es la longitud de Planck . $A$ ${\ Displaystyle S_ {P}}$ ${\displaystyle {\ell }_{P))$

La tasa de evaporación de un agujero negro es mayor cuanto menor es su tamaño [2] . La evaporación de los agujeros negros de escala estelar (y especialmente galáctica) puede despreciarse, sin embargo, para los agujeros negros primarios y especialmente para los cuánticos, los procesos de evaporación se vuelven centrales.

Debido a la evaporación, todos los agujeros negros pierden masa y su tiempo de vida resulta finito:

\tau ={\frac {5120\pi G^{2}M^{3}}{\hbar c^{4}}}

Al mismo tiempo, la intensidad de la evaporación aumenta como una avalancha, y la etapa final de la evolución tiene la naturaleza de una explosión, por ejemplo, un agujero negro con una masa de 1000 toneladas se evaporará en aproximadamente 84 segundos, liberando energía igual a una explosión de unos diez millones de bombas atómicas de potencia media.

Al mismo tiempo, los agujeros negros grandes, cuya temperatura está por debajo de la temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas (2,7 K), solo pueden crecer en la etapa actual del desarrollo del Universo, ya que la radiación que emiten tiene menos energía que la radiación absorbida. Este proceso durará hasta que el gas fotónico de la radiación de fondo cósmico de microondas se enfríe como resultado de la expansión del Universo.

Sin la teoría cuántica de la gravedad, es imposible describir la etapa final de la evaporación, cuando los agujeros negros se vuelven microscópicos (cuánticos) [2] .

Alimentando agujeros negros

La materia que alimenta el agujero negro se verá obligada a superar la ligera presión de la radiación de Hawking.

Para calcular la presión de la luz con una incidencia normal de radiación y sin dispersión, puede utilizar la siguiente fórmula:

p={\frac{I}{c}}(1-k+\rho ),

donde es la intensidad de la radiación incidente; es la velocidad de la luz , es la transmitancia , es el coeficiente de reflexión . $yo$ $C$ $k$ $\rho$

Aquí

I={\frac {L}{\pi R^{2}}}

R es la posición actual de la materia expulsada en relación con el MBLH (en adelante, el pequeño agujero negro).

La ecuación de equilibrio de una nave estelar en pequeños agujeros negros

Masa de nave estelar en pequeños agujeros negros:

$M=M_{s}+M_{d}+M_{k},$

donde: M es la masa total del barco; M s es la masa del pequeño agujero negro del barco; M d es la masa del sistema de propulsión del barco; M k es la masa de la carga útil.

Ls es el poder de radiación del agujero negro es $Ls={\frac {\hbar c^{6}}{15360\pi G^{2}M_{s}^{2}}},$

consumo masivo de pequeños agujeros negros ${\frac {dM_{s}}{dt}}=-{\frac {\mu v\hbar c^{4}}{15360\pi G^{2}M_{s}^{2} }}.$

aceleración de tal nave en el caso de radiación pura $a={\frac {\mu uLs}{Mc)).$

temperatura del agujero negro $T_{H}={\frac {\hbar c^{3}}{8\pi kGM_{s}}},$

donde: es la constante de Planck reducida, c es la velocidad de la luz, k es la constante de Boltzmann, G es la constante gravitacional. $\hbar$

Estas fórmulas tienen en cuenta la eficiencia del sistema:

\muv

— cuánta materia se puede empujar hacia el MCH para mantenerlo en equilibrio, — qué cantidad de la energía resultante se puede enviar a los aceleradores y cuánto se destina a los radiadores.

\mu tu

Y ahora el balance. Relaciona masas y aceleración:

Kss=M_{s}^{2}(M_{s}+M_{d}+M_{k})a

Kss={\frac {\hbar c^{5}}{15360\pi G^{2}}}

El valor de Kss es 1,19 * 10 24 kg 3 m / s 2 .

Unidad de agujero negro en la ciencia ficción

El concepto de reactores singulares se originó en la ciencia ficción después del advenimiento de la teoría de Hawking. Se ven como una alternativa a los reactores de aniquilación ya los reactores artificiales de desintegración de protones , ya que el efecto Hawking puede verse como una forma alternativa a la aniquilación para convertir la materia en energía . A pesar de que un reactor de este tipo, a diferencia de la mayoría de las fuentes de energía fantásticas, tiene una justificación científica, muchos aspectos técnicos de la implementación de dicho dispositivo son completamente incomprensibles, en primer lugar, el método de producción y retención de agujeros negros.

Singularidad reactor o motor de una forma u otra se encuentra en diversas obras de ciencia ficción y juegos:

Alfa Centauro de Sid Meier
Babilonia 5
Star Wars - "Reactor de singularidad"
X3 - "Acelerador de tiempo del motor de singularidad"
Aniquilación total: Primavera
guardabosques del espacio 2
Stargate: SG-1 (y serie hermana)
Star Trek : los romulanos utilizaron reactores singulares.
Space Station 13 : en la mayoría de las versiones del juego, Singularity Engine es la principal fuente de energía de la estación y probablemente se use para corregir la órbita.
A través del horizonte

Notas

↑ Hawking, SW ¿Explosiones de agujeros negros? (Inglés) // Naturaleza. - 1974. - vol. 248 , núm. 5443 . - Pág. 30-31 . -doi : 10.1038/ 248030a0 . — .
↑ 1 2 ¿Evaporación de agujeros negros? (enlace no disponible) . Einstein en línea . Instituto Max Planck de Física Gravitacional (2010). Consultado el 12 de diciembre de 2010. Archivado desde el original el 23 de junio de 2012. (indefinido)

Literatura

L. Crane, S. Westmoreland. ¿Son posibles las naves estelares de agujeros negros ? — 2009.

L. Grulla. Posibles Implicaciones de la Teoría Cuántica de la Gravedad . — 1994.

Enlaces

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