Si una masa se mueve cerca de la velocidad de la luz, ¿se convierte en un agujero negro?

Soy un gran admirador del podcast Astronomy Cast y hace un tiempo estaba escuchando un episodio de preguntas y respuestas que hicieron. Un oyente envió una pregunta que encontré fascinante y sobre la que me he estado preguntando desde entonces.

De la transcripción del programa :

Arunus Gidgowdusk de Lituania pregunta: "Si tomaras una masa de un kilogramo y la aceleraras cerca de la velocidad de la luz, ¿se convertiría en un agujero negro? ¿Seguiría siendo un agujero negro si luego redujeras la velocidad?".

La Dra. Gay, astrofísica y una de las anfitrionas, explicó que había preguntado a varios de sus colegas y que ninguno de ellos pudo dar una respuesta satisfactoria. Le pregunté más recientemente en Facebook si alguien se había presentado con uno y ella dijo que no. Así que pensé que tal vez este sería un buen lugar para preguntar.

Aquí hay un enlace del sitio de John Baez. math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/…

Respuestas (4)

La respuesta es no.

La prueba más simple es simplemente el principio de la relatividad: las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia. Así que puedes mirar esa masa de 1 kg en un marco de referencia que se mueve con ella. En ese marco, es la misma masa de 1 kg que siempre fue; no es un agujero negro.

Una adición: vale la pena hacer una pausa para preguntar por qué uno podría haber pensado que formaría un agujero negro y por qué esas razones son incorrectas. Presumiblemente, la idea es que una combinación de la contracción de Lorentz y el "aumento de masa" relativista aprietan el objeto por debajo de su radio de Schwarzschild. Entonces, ¿qué hay de malo en ese razonamiento? Lo principal es que la derivación del radio de Schwarzschild solo se aplica bajo ciertas condiciones. Como mínimo, solo se aplica en el marco de reposo del objeto (ya que asume simetría esférica, es decir, sin dirección preferida).
pero si se gira 1 kg de masa?
El campo gravitatorio de una masa giratoria de 1 kg es diferente al de una masa no giratoria. No recuerdo los detalles, que son complicados, pero la atracción gravitatoria probablemente se vuelve más fuerte porque la energía cinética de rotación gravita. Si empiezas con una masa que es más grande que su radio de Schwarzschild, no sé si puedes hacer que se convierta en un agujero negro suministrando energía cinética rotacional.
@TedBunn "Si comienza con una masa que es más grande que su radio de Schwarzschild, no sé si puede convertirlo en un agujero negro al suministrar energía cinética rotacional". Pero incluso la energía cinética es relativa, si acelero a la misma velocidad que tu objeto, tu objeto no tiene ninguna energía cinética relativa a mí.
@TedBunn: Y, sin embargo, la flexión ligera se volverá muy peculiar para una masa muy rápida. La aberración relativista especial entrará en juego en el régimen ultrarrelativista que mejorará la lente que de otro modo sería débil. Además, el cuerpo rápido sentirá fuerzas de marea fuertemente mejoradas en su marco, y sucederán muchas otras cosas interesantes.
@voix, si gira una masa, entonces debe proporcionar mucha energía y presión para mantenerla girando (fuerzas centrífugas). Esos, a su vez, gravitarán por su cuenta, y eso complicará un poco el problema.
@TedBunn Demuestre que el principio de la relatividad es correcto y no es solo una suposición inválida.
¿entonces en este caso podríamos tener dos realidades simultáneamente? ¿Uno donde es un agujero negro y otro donde no lo es? para un observador en el marco con respecto al cual el objeto se mueve en C, parecería que se violan las leyes de la física, ya que el objeto pesaría infinito y, sin embargo, no formaría un agujero negro.
Esta respuesta no está en el punto. Op claramente significa mirar el objeto desde un marco diferente. ¿Por qué es tan difícil entender lo que significa op?
Entonces, ¿estás diciendo que simplemente asumimos un "no"?
@ user1062760 la respuesta es perfectamente "acertada". Cambiar los marcos de referencia nunca cambia lo que realmente sucede. Es tan simple como eso.
@ StevenStewart-Gallus no se puede probar, es una suposición. Ha sido probado como válido por un siglo de experimentos (en el caso de SR/GR) y muchos siglos en el caso de Newton. Si eso no es suficiente para satisfacer su objeción, nada lo será.
@ m4r35n357 esa es una declaración sin explicación que contradice la relatividad. Si algo tiene cierta masa en mi marco de referencia, ¿por qué no actuará como debería con esa masa? El aumento de masa es la razón por la que es imposible acelerar un objeto a c, por lo que es muy real
@ user1062760 no, su declaración contradice la relatividad. Un objeto solo tiene una masa y es la misma en todos los marcos de referencia. Tu alternativa conduce al caos donde cada objeto tiene un número infinito de masas. ¡Nadie puede hacer física de esa manera!
Si un objeto en movimiento desde un punto de referencia dado no genera gravedad adicional, ¿la energía cinética no gravita? Si es así, ¿cómo es esto compatible con la equivalencia masa-energía?
@ m4r35n357 dijiste "Cambiar los marcos de referencia nunca cambia lo que realmente sucede". No entiendo. Si entro en un agujero negro supermasivo, me observo entrando en el horizonte de sucesos en un tiempo finito. Pero mi amigo en la tierra observa que me desplazo continuamente hacia el rojo para siempre a medida que me acerco al horizonte, y desde su marco de referencia nunca entro en el horizonte. Entonces, el marco de referencia cambia lo que sucede (o al menos lo que parece suceder).

No, una masa de 1 kg no se convertiría en un agujero negro, incluso si pasara a tu lado a una velocidad muy cercana a la de la luz.

El principio de la relatividad es una idea fundamental en la física, y una de sus consecuencias es que podemos entender la física de algo que se mueve imaginando que nos movemos junto a él.

Por ejemplo, está viendo a la gente jugar al billar en un tren que pasa a toda velocidad. Quiere saber si cierto tiro que se acaba de hacer hundirá la bola 8. Lo averiguas imaginando que estás dentro del tren y calculando todo lo que esperarías que sucediera desde ese punto de vista más simple donde la mesa de billar está estacionaria. Si la bola 8 entra en una tronera determinada desde ese punto de vista, puede estar seguro de que irá en la misma tronera si analiza la situación nuevamente desde su punto de vista original en tierra firme.

Aplicando el mismo principio a la masa de 1 kg, vemos que moviéndose a su lado, parece una masa normal, no un agujero negro. Por lo tanto, desde otro punto de vista en el que se mueve cerca de la velocidad de la luz, todavía parece una masa normal, no un agujero negro.

Entonces, ¿se sigue entonces que la velocidad relativa de una masa no tiene relación con la fuerza gravitacional que siente una masa estacionaria cercana? Es decir, si una masa pasara a mi lado a 0,1 c, ¿sentiría el mismo tirón que si pasara a 0,999 c? ¿Habría algún tipo de equivalencia dado el tiempo que tarda el objeto en pasar? Es decir, ¿sería la misma la fuerza total sentida a lo largo del tiempo? ¿Algo así como el área cubierta por una órbita es la misma durante un tiempo determinado?
@shops Su pregunta no se puede responder usando simplemente el principio de la relatividad porque se trata de diferentes tipos de movimiento relativo. Puede intentar hacerla como una pregunta separada en el sitio principal. No tengo una respuesta buena y concisa para esa pregunta.
@MarkEichenlaub Explique por qué el principio de la relatividad es de hecho cierto, ¿quizás el principio de la relatividad es solo una buena aproximación razonable?
No. Otra respuesta que es completamente innecesaria y se perdió el punto. Hablar desde el punto de vista del observador. Si una masa distinta de cero se desliza a la velocidad de la luz, su masa para el observador estacionario sería infinita, entonces, ¿por qué el observador estacionario no verá un agujero negro en su lugar?
@ user1062760 ver mi comentario en la respuesta aceptada

Si bien es bueno, creo que a las otras respuestas les falta un ingrediente, así que publicaré esta respuesta.

Para las partículas que viajan a velocidad constante no hay un horizonte de sucesos, por lo que no actúan como un agujero negro. La luz de otras regiones del espacio eventualmente lo alcanzará, a diferencia de un agujero negro. Además, las fuerzas entre los átomos en cualquier materia que constituya la masa se están moviendo conjuntamente y, por lo tanto, no hay una mayor interacción gravitatoria entre ellos. Si bien las distancias entre ellos parecen cambiar para un observador externo (a medida que la masa se acelera), una vez que alcanza una velocidad constante, son fijas.

Lo que no se ha mencionado en otras respuestas es el efecto de la aceleración. Cuando una partícula se acelera continuamente, hay un horizonte de eventos aparente. Vea la página relevante de Wikipedia aquí . Esto tiene algunas características que asociamos con un agujero negro, sin embargo, todavía hay diferencias importantes. De hecho, un objeto que experimenta una aceleración constante se comporta como si estuviera estático en un campo gravitatorio constante. Sin embargo, en el caso de tal objeto, la dirección del campo equivalente es constante (y en una dirección constante) en todo el objeto. Esto no es cierto para el campo gravitatorio de un agujero negro, que es esféricamente simétrico.

Por supuesto, una vez que la partícula deja de acelerar, el horizonte aparente desaparece.

Cierto, pero el horizonte aparente en esta situación es muy diferente al horizonte de un agujero negro. En el caso de la partícula acelerada, lo que está "detrás" del horizonte aparente está muy lejos de la partícula, justo lo contrario del horizonte de sucesos del agujero negro. Es decir, heurísticamente, el horizonte de eventos de un agujero negro dice que una vez que estás lo suficientemente cerca del agujero negro no puedes alejarte, mientras que el horizonte de la partícula acelerada dice que una vez que estás lo suficientemente lejos de la partícula no puedes alejarte. acércate
+1 Para agregar un contexto más realista a la respuesta: obviamente, una masa acelerada hasta cerca de C necesita pasar un tiempo finito acelerando .
La mejor respuesta aquí. También responde esto: physics.stackexchange.com/q/708360/226902

Supongo que la idea es que la masa de 1 kg se contraerá por debajo de la longitud de Planck. Es eso o la energía relativista (masa) mi   =   γ metro C 2 sería tan grande que implosionaría gravitacionalmente. Sin embargo, la pregunta se puede pensar de acuerdo con lo que le sucedería a un observador en la masa. La pregunta podría darse la vuelta: ¿implosionaría el universo? si una masa METRO pasa por una masa más pequeña metro   <<   METRO entonces uno podría pensar que METRO podría convertirse en un agujero negro y la pequeña masa metro si estuviera lo suficientemente cerca quedaría atrapado en el agujero negro. Sin embargo, desde el marco de la gran masa METRO la pequeña masa no es un agujero negro. Esto es una contradicción.

Una masa ultrarrelativista se comportará de manera similar a una onda de gravedad cuando pasa por otro punto de referencia. Este ultraboost de Aichelburg-Sexl tiene un pulso de onda plana del espacio-tiempo. La masa relativista dará como resultado un pulso de onda de gravedad detectado por un observador estacionario. Así que hay una implicación gravitatoria en tales impulsos relativistas extremos.

Esta respuesta parece que podría ser útil en el futuro, pero a partir de ahora es un poco jerga. Además, asume que el principio de la relatividad es de hecho cierto, lo cual probablemente sea, pero sigue siendo algo sobre lo que todos deberían ser rigurosos.