Черные дыры

    Содержание

      I.Введение

1. Актуальность.
2. Цели и задачи исследования.
3. Гипотеза исследования.

II. Основная часть

1. Основные теории и открытия, позволившие доказать существование черных дыр.
2. Что такое черная дыра. Сингулярность.
3. И все-таки светится.

III. Заключение

IV.Список изученной литературы. Сноски.

V. Приложения.

I.Введение

1. Актуальность выбранной темы обозначена ее относительной молодостью и простором для открытий в области изучения сингулярностей, в частности – черных дыр. А также желанием приобщить школьников к «новой физике», предполагающей невыполнение классических законов механики, рассмотрение гравитации как искривления пространства и так далее. Чтобы дети не боялись смотреть вдаль и ставить под сомнение общепринятые аксиомы, как делали это величайшие ученые как эпохи просвещения(И. Ньютон), так и нового времени(Эйнштейн, Хокинг, Пенроуз и многие, многие другие основоположники теории квантов).

2. Цель исследования – доказать то, что черные дыры «не такие уж и черные». Задачи исследования: а) изложение теорий(относительности, квантовой), необходимых для доказательства гипотезы, в доступной школьнику форме, без использования сложных формул, но словесно; б) поиск научных публикаций на выбранную тему; в) социальное исследование в форме опроса, чтобы узнать степень заинтересованности учеников звездной и внегалактической астрономией, а также проблемой черных дыр в частности; г) анализ найденных материалов и выборка главных положений, переведенная на доступный ученику язык.

3. Гипотеза исследования – черные дыры светятся.

II. Основная часть

Основные теории и открытия, позволившие доказать существование черных дыр.

Чтобы подтвердить гипотезу, мне понадобилось прочитать множество книг, понять хотя бы основные положения многих теорий. В данной работе, хотелось бы выразить все эти важнейшие вехи как можно короче и проще. Но, к сожалению, начать придется все же издалека.

Первым обсуждать возможность существования черных дыр начал Джон Мичелл из Кембриджа, в 1783 году написав о них статью. В ней он предполагал следующее: с поверхности Земли вы выстрелили ядром из пушки вертикально вверх. По мере подъема оно будет замедляться силой притяжения. В конце концов, ядро остановится и начнет падать обратно. Однако если оно вылетит из пушки со скоростью больше некоторой критической величины, то никогда не остановится и не упадет, а продолжит свое движение вверх. Эта критическая скорость называется скоростью убегания (вторая космическая скорость), и для Земли она составляет 11,2 км в секунду, а для Солнца – около 160,9 км в секунду. Обе эти величины больше, чем скорость нашего пушечного ядра, но гораздо меньше скорости света, равной 299 792,458 км/с. Это означает, что гравитация не оказывает на свет существенного влияния, и он может без труда оторваться и от Земли, и от Солнца. Однако Мичелл сделал умозаключение, что может существовать звезда, достаточно массивная и достаточно маленькая по размеру, чтобы ее скорость убегания оказалась больше скорости света, но увидеть такую звезду мы не сможем, т.к. свет с ее поверхности до нас не дойдет, а будет притягиваться обратно гравитационным полем. Ее присутствие можно обнаружить лишь по воздействию ее гравитационного поля на окружающую материю.
      Однако не стоит сравнивать свет с пушечным ядром, ведь согласно эксперименту 1897 года, свет всегда движется с постоянной скоростью. Как же взаимодействует он с гравитацией? Стройной теории не было до 1915 года, когда Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности. В 60-х были сделаны выводы из его теории для других массивных тел.
                      

Что такое черная дыра. Сингулярность.

Согласно общей теории относительности, время и пространство вместе можно рассматривать как единое четырехмерное пространство, получившее название пространство-время. Это пространство не плоское, оно искажается (искривляется)  материей и энергией, заключенной в ней. Например, свет и радиоволны отклоняются на пути к Земле, проходя мимо Солнца, что является следствием искривления. Свет, проходящий около Солнца отклоняется мало. Но сожмись Солнце до размеров нескольких километров в диаметре, отклонение бы настолько возросло, что свет не улетел, а напротив, был бы притянут гравитационным полем. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, следовательно, из области, откуда не может вырваться свет, не может вырваться и ничто другое. Эту область называют черной дырой, а ее границы – горизонтом событий (свет, почти не вырвавшийся из черной дыры, оставшийся на ее краю, «парящий» на радиусе Шварцшильда: 2 GM / c ,где G– ньютонова гравитационная константа, М –масса звезды, а с– скорость света).
Т.к. материя заставляет пространство-время искривиться внутрь себя, то она же кое-где может искривиться настолько, что изолируется от остальной Вселенной. Она превратится в то, что ученые назвали черной дырой[2]. Туда могут попадать объекты, но уже не в силах оттуда вырваться (ведь объекту пришлось бы двигаться со сверхсветовой скоростью, чего теория относительности не позволяет). Так, материя внутри черной дыры пребывает в невиданном состоянии с чрезвычайной плотностью.
      В 1939 году Роберт Оппенгеймер доказал, что старые звезды (в 2 раза или более превышающие массу Солнца) неизбежно коллапсируют[3], когда выработают все свое ядерное топливо.

Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг доказали несколько теорем, показывающих, что из факта искривления пространства-времени внутрь себя вытекает, что имеют место быть сингулярности – места, где пространство-время имеет начало и конец (имеет начало в Большом Взрыве примерно 15 млрд. лет назад и должно закончиться коллапсом звезды, оставляющей все в нее упавшее в прошлом).

И все-таки светится[1].

В 1973 году Стивен Хокинг начал исследовать влияние принципа неопределенности на частицу, находящуюся вблизи черной дыры. И именно это исследование привело его к выводу, что черная дыра отнюдь не будет черной. Принцип неопределенности (невозможность одновременного точного измерения положения и скорости (импульса) частицы) позволит частицам и излучению постоянно выскальзывать из западни черной дыры. Этот результат хоть и стал неожиданностью, но все же очевиден. Черная дыра – это область пространства, из которого невозможно вырваться, если двигаешься со скоростью меньше скорости света. Но сумма предысторий  Фейнмана (частица из точки А в точку Б может двигаться по любому пути (не только прямому/почти прямому), а вероятность попадания частицы из А в Б равна сложению всех возможных путей) гласит, что частицы могут выбрать любой путь через пространство-время. Отсюда - частица может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Все же вероятность преодоления длинных дистанций со сверхсветовой скоростью мала, однако частицы могут успеть вырваться из черной дыры, а уже потом снизить скорость до досветовой.

Вырваться из черной дыры массой с Солнце частица вряд ли сможет, потому что ей пришлось бы преодолеть несколько км со сверхсветовой скоростью. Однако есть вероятность существования куда менее массивных черных дыр, сформировавшихся в ранней Вселенной. Такие черные дыры могут по размеру сравниться с атомом, но их масса будет равна миллиардам тонн.

Теоретически доказано, что черная дыра создает и выделяет частицы, как и обычное горячее тело с температурой, пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе.

III. Заключение

Предсказание Хокингом излучения из черной дыры – первый шаг сочетания общей теории Эйнштейна с квантовой механикой. Таким образом,  гравитационный коллапс – это не «конец всего», как казалось ранее. Чвстицы внутри черной дыры не обязательно заканчиваются в сингулярности. Они могут все же вырваться и продолжить существование вне дыры.

IV.Список изученной литературы. Сноски.

1. Стивен Хокинг.  «Краткая История Времени. От Большого Взрыва До Черных Дыр» (издательство «Новая эврика»)
2. Стивен Хокинг. «Черные Дыры и Молодые Вселенные» (издательство «Амфора»)
3. Стивен Хокинг. «Кратчайшая история времени».
4. И. Д. Новиков. «Черные дыры и Вселенная» (Москва, издательство «Молодая гвардия» 1985)
5. Стивен Хокинг. «Мир в ореховой скорлупке» (2001)
6. Статья И.Д. Новиков, В. П. Фролов «Черные дыры во Вселенной»
7. Kormendy J, in The Nearest Active Galaxies (Ed. J E Beckman) (Dordrecht:Kluwer Acad. Publ, 1993)
8. Thorne K.S. «Probing black holes and relativistic stars with gravitational waves»

[1]-см. иллюстрацию в приложениях.

[2]-см. иллюстрацию в приложениях.

[3]-см. иллюстрацию в приложениях.

V. Приложения.

 [1]- моя иллюстрация к описанной в  работе светимости – черная дыра пожирает звезду.(Рисунок создан с помощью графической программы SketchBook Pro)

[2]-модель черной дыры Шварцшильда. Простейшая идеальная черная дыра (незаряженная и невращающаяся), окруженная фотонной сферой. Сферический горизонт событий и есть "поверхность" черной дыры. В центре дыры находится сингулярность.

[3]-лучи покидают коллапсирующую звезду.