"Черные дыры в космосе: миф или реальность" (реферат)
статья по окружающему миру на тему

  XVII ГОРОДСКАЯ МЕЖШКОЛЬНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»

Секция  «Астрономия»

Тема: Черные дыры  в космосе: миф или реальность…

Выполнил:

Куликов Степан

ученик  1 «В» класса

МБОУ СОШ № 102

Промышленного района

Научный руководитель:

Кузнецова Ирина Анатольевна

Самара,  2016 г.

Содержание

Введение.

        Меня зовут Степан Куликов. Мне 7 лет и я ученик 1 класса. Я увлекаюсь космосом, люблю наблюдать за звездным небом.  Из книг мне очень нравится узнавать про тайны, которые хранит Вселенная. Загадок в просторах Вселенной огромное количество. Одной из таких, самых интересных, противоречивых и мало изученных, на мой взгляд, является наличие черных дыр.

Фото № 1: Черная дыра гигантской эллиптической галактики М 87

(изображение создано на основе снимков радиотелескопа VLA, масса черной дыры примерно в 3 млрд. раз превышает массу Солнца).

 Есть люди, которые считают, что они не существуют. Я же попытаюсь  доказать, что они есть.

        Теория черных дыр является  одной из наиболее интересных тем  в современной астрономии, астрофизике и космологии. Изучение этих объектов позволяет лучше понять устройство нашей Вселенной, а также спрогнозировать ее будущее. Кроме того, теоретики предсказывают возможность существования микроскопических черных дыр (микроколлапсаров), которые экспериментаторы мечтают обнаружить с помощью ускорителей элементарных частиц (коллайдеров). Существует даже совершенно фантастический проект их массовой концентрации «для практического применения». А мы знаем и помним, что, то, что в недалеком прошлом являлось фантастикой, например, сотовая связь или промышленные роботы,  в настоящем времени  является  реальностью.

        И кто знает, может быть и черные дыры, в скором будущем, не будут казаться такими завораживающе незнакомыми и непонятными, а помогут людям усовершенствовать многие физические процессы на Земле, так как они представляют собой совершенные энергетические установки неограниченной мощности.

        Цель исследования:

- попытаться сформировать понятие «черная дыра космоса» и доказать их существование;

- популяризировать среди школьников последние научные открытия в космологии и астрономии (в частности существование черных дыр во Вселенной);

- исследовать и проанализировать заинтересованность и знания  людей разного возраста по выбранной мною теме.

        Задачи:

-  изучить историю и теории возникновения черных дыр;

- попытаться изучить и систематизировать наиболее часто возникающие вопросы относительно черных дыр и найти на них ответы;

- опытным путем доказать существование черных дыр и продемонстрировать их свойства.

        Методы исследования: работа с литературными источниками и Интернет-ресурсами, проведение опытов.

1. Немного об истории черных дыр.

Термин «черная дыра» появился совсем недавно, его впервые предложил физик Джон Арчибальд Уиллер в 20 веке. Хотя попытки объяснить феномен черных дыр (еще не зная об их существовании) были сделаны давно, более двух веков назад.^[1][1] Так, например,  Исаак Ньютон считал, что свет состоит из частиц, следовательно, он обладает массой, а значит, на него действует гравитация.^[2][2]

Следуя таким выводам, английский астроном Джон Митчелл и французский астроном, физик и математик Пьер-Симон Лаплас рассмотрели ситуацию, когда луч света в принципе не может покинуть поверхность звезды. Построения ученых были довольно просты и полностью основывались на выдающемся достижении человеческого разума – ньютоновской теории Ωвсемирного тяготения.^[3][3]

Также великий Альберт Эйнштейн своей теорией относительности теоретически доказал существование черных дыр.^[4][4]

Карл Шварцшильд был первым, кто применил общую теорию относительности Эйнштейна для того, чтобы обосновать существование «точки   невозврата». В 1915 г. им был придуман термин «радиус Шварцшильда» - величина, которая показывает, как сильно придется сжать объект, чтобы он стал черной дырой.

В 1934г. американскими физиками была выдвинута гипотеза об умирании звезды. А в 1939г. учеными было доказано, что «Черная дыра все поглощает и ничего не выпускает!».^[5][5]

Фото № 2: Черная дыра, расположенная в центре галактики NGG  1277 в созвездии Персея,

находится на расстоянии 228 млн. св. лет от Земли

2. Теории возникновения черных дыр.

1. Черная дыра образуется, когда небесный объект больше не может  уравновешивать свой вес выталкиванием наружу вещества, которое удерживало его в состоянии равновесия. Все небесные объекты стабильны, когда у них есть сила, выталкивающая наружу, и равная ей сила, притягивающая внутрь. В звезде выталкивающей является сила, порождаемая ядерными реакциями, происходящими внутри нее. Когда вес становится настолько большим, что превосходит все силы, существующие в природе, ничто не способно уравновесить его. Звезда приходит в состояние коллапса, и этот процесс необратим.^[6][6]

2. Существует предположение, что черные дыры могут возникнуть при столкновении быстрых элементарных частиц. При сильном их  столкновении они могут сжаться очень сильно, чтобы родилась микроскопическая черная дыра.^[7][7]

3. Расширение нашей Вселенной началось 14 млрд. лет назад. В то время повсюду была высокая плотность. Поэтому небольшие изменения плотности, согласно данной теории, могли приводить к рождению черных дыр любой массы.^[8][8]

3. Свойства черных дыр.

1. Черные дыры испаряются со временем. Черные дыры не только поглощают звездный ветер, но и испаряются. Это явление было открыто Стивеном Хокингом в 1974 г. (излучение Хокинга). Со временем черная дыра может отдать всю свою массу в окружающее пространство вместе с этим излучением и исчезнуть.^[9][9]

2. Черные дыры замедляют время вблизи себя. По мере приближения к горизонту событий время замедляется. Чтобы понять, почему это происходит, нужно обратиться к «парадоксу близнецов», мысленному эксперименту, часто используемому для иллюстрации основных положений общей теории относительности Эйнштейна. Один из братьев-близнецов остается на Земле, а второй улетает в космическое путешествие, двигаясь со скоростью света. Вернувшийся на Землю близнец обнаруживает, что его брат постарел больше, чем он, потому что при движении на скорости, близкой к скорости света, время идет медленнее.        Приближаясь к горизонту событий черной дыры, вы будут двигаться с такой высокой скоростью, что время для Вас замедлится.^[10][10]

3. Черные дыры являются самыми совершенными энергетическими установками. Черные дыры генерируют энергию лучше, чем Солнце и другие звезды. Это связано с материей, вращающейся вокруг них. Преодолевая горизонт событий на огромной скорости, материя на орбите черной дыры разогревается до крайне высоких температур. Это называется излучением абсолютно черного тела. Преобразование массы в энергию этим путем в 50 раз более эффективно, чем ядерный синтез. Для сравнения при ядерном синтезе в энергию превращается 0,7% материи. Вблизи черной дыры энергией становятся 10% материи!

4. Черные дыры искривляют пространство рядом с собой. Пространство можно представить себе как растянутую резиновую пластинку с нарисованными на ней линиями. Если на пластинку положить какой-нибудь объект, она изменит свою форму. Так же работают и черные дыры. Их экстремальная масса притягивает к себе все, включая свет (лучи которого, продолжая аналогию, можно было бы назвать линиями на пластинке).^[11][11]

5. Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. Звезды возникают из газовых облаков. Для того, чтобы началось формирование звезды, облако должно остыть. Излучение абсолютно черных тел мешает газовым облакам остывать и предотвращает появление звезд.

6. Когда тело сжимается в черную дыру, то все его характеристики, кроме массы, электрического заряда и момента импульса, исчезают (например, состав, плотность, объем и др.).^[12][12]

7. Граница черной дыры называется горизонтом событий. Веществами, которые попадают в горизонт событий черной дыры, непременно будет образована сингулярность (область бесконечно малых размеров) с неизмеримо огромной плотностью, из-за которой все вещество звезды разрушается.^[13][13]

8. Астрономы недавно выяснили, что черные дыры можно разделить на несколько разновидностей. Есть вращающиеся чёрные дыры, черные дыры с электрическим зарядом и чёрные дыры, включающие черты первых двух.

9. Мы состоим из одного и того же материала. Некоторые исследователи полагают, что чёрные дыры помогут нам при создании новых элементов, потому что они разбивают материю на субатомные частицы. Эти частицы участвуют в образовании звёзд, что в свою очередь ведёт к созданию элементов тяжелее гелия, таких как железо и углерод, необходимых для образования твёрдых планет и жизни. Эти элементы входят в состав всего, что имеет массу, а значит и нас с вами.^[14][14]

4. Самые интересные вопросы и невероятные предположения.

1. Что происходит с веществом, попавшим в черную дыру?

Ни одно из предположений ученых на сегодняшний день не доказано. Многие считают, что материя, попавшая в черную дыру, исчезает из Вселенной и где-то в нашей же или в другой Вселенной снова «выбрасывается» при точно таком же, но противоположном, по сути, процессе – через белую дыру. Другие предполагают, что черная дыра может быть чем-то вроде «временного портала», через который можно перемещаться по Вселенной в мгновение ока или вообще совершить путешествие в прошлое.^[15][15]  Я склоняюсь больше к первому варианту: выброс материи через белую дыру.

2. Как вкусные спагетти стали основой термина для описания материи, попадающей в черную дыру?

Черные дыры растягивают предметы, которые находятся рядом с ними. Эти предметы начинают напоминать спагетти («спагеттификация»). Это происходит благодаря тому, как работает сила притяжения. В настоящий момент ваши ноги находятся к центру земли ближе, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. На поверхности черной дыры разница в силе притяжения начинает работать против Вас. Ноги притягиваются к центру черной дыры все быстрее, так, что верхняя половина туловища не успевает за ними. Результат – спагеттификация!^[16][16]

3. Сколько во Вселенной черных дыр?

Общее количество черных дыр во Вселенной подсчитать невозможно. Предполагается, что в центре каждой галактики находится черная дыра, удерживающая всю эту галактику. Это сверхмассивные черные дыры, то есть их масса составляет миллионы, иногда миллиарды масс Солнца, а в некоторых случаях даже больше.^[17][17]

3. Смогла бы Земля стать черной дырой?

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно, при достаточной степени сжатия. Чем плотнее объект, тем более сильное гравитационное поле он создает. Например, Земля стала бы черной дырой, если бы ее массой обладал объект величиной с арахис.^[18][18]

4. Что же находится в самом центре застывшей звезды?

Сначала были просто формальные рассуждения о том, что в сингулярности черных дыр исчезают привычные нам свойства пространства-времени, а многие параметры начинают стремиться к бесконечности. В последней четверти 20 века возникла теория, согласно которой во Вселенной кроме черных дыр, есть еще и белые дыры и к ним ведут подпространственные каналы из области сингулярности коллапсаров. Белым дырам может быть уготована и совершенно необычная роль спасителей человечества. Все чаще встречаются научно-популярные статьи, в которых вполне серьезно обсуждаются всяческие методы борьбы с угрозой будущей встречи с застывшими звездами, способными легко поглотить всю Солнечную систему.^[19][19]

5. Черные дыры шумные или тихие?

Всё, что окружает чёрную дыру, затягивается в эту бездну и одновременно с этим ускоряется. Горизонт событий  разгоняет частицы почти до скорости света. Во время пересечения материей центра горизонта событий возникает булькающий звук. Этот звук является преобразованием энергии движения в звуковые волны. В 2003-м году астрономы с помощью космической рентгеновской обсерватории Чандра зафиксировали звуковые волны, исходящие от сверхмассивной чёрной дыры, находящейся на расстоянии 250 миллиона световых лет.^[20][20]

Фото № 3: Черная дыра в скоплении галактик в созвездии Персея

(на основе снимка со спутника «Чандра», сделанного в рентгеновских лучах).

5. Мои опыты.

1. Какой цвет у черной дыры?

Возьмем две плотных коробки, не пропускающих лучи света (фото     № 4). Одну коробку покрасим внутри черным цветом (фото № 5),  другую оставим без изменения. Сделаем в них небольшие отверстия (фото № 6). Посмотрим в отверстия, ничего не видно, просто темнота (фото № 7). Поместим в каждый из них предметы (фото № 8). Посмотрим: так же ничего не видно (фото № 9). Поэтому термин «черная дыра» не должен вызывать ассоциацию с цветом. Ведь внутри она не обязательно черная.

2. Невидимая реальность.

Представьте, что наша Земля – Вселенная, а все, что на ней находится: люди, флора, фауна - это ее объекты (звезды, планеты). Если закрыть глаза, то мы ничего не увидим, но это вовсе не значит, что все исчезло и не существует.

3. Искажение пространства.

Сделаем из пластилина тонкий лист, нарисуем на нем линии (фото      № 10). На одной из линий поставим две точки. Линейкой  определим между точками расстояние. Положим какой-нибудь предмет на пластилиновый лист, он изменил свою форму (фото № 11). Расстояние между точками изменилось. Таким образом, можно судить об изменении пространства возле черной дыры.

Или попробуем  представить космос в виде резинового листа. Представьте, что планеты — это шарики, которые давят на этот лист. Он деформируется и больше не имеет прямых линий. Это создаёт гравитационное поле и объясняет, почему планеты движутся вокруг звёзд. Если масса объекта возрастёт, то деформация пространства может стать ещё больше. Эти дополнительные возмущения увеличивают силу притяжения и ускоряют движение по орбите.

6. Результаты анкетирования по исследованию знаний и заинтересованности  разных категорий людей по теме «Черные дыры».

Мои  исследования в области «космических монстров» – черных дыр заинтересовали одноклассников,  так как на уроке окружающего мира я подготовил сообщение на эту тему.  Ребята задавали много вопросов, делились своими знаниями и предположениями.

С большим энтузиазмом они откликнулись на заполнение анкет по теме: «Черные дыры». Кроме того, анкетирование по аналогичным вопросам было проведено у школьников среднего звена (5 «В» класс) и у взрослого контингента (родственники, учителя, знакомые, соседи). В ходе обобщения результатов  мне было интересно сопоставить ответы различных категорий анкетируемых. Предлагаю  вашему вниманию наглядно просмотреть результаты обработки этих анкет.

В  опросе приняло участие 66 человек: среди них взрослые – 22 чел.,  ученики 1 «В» класса – 22 чел., ученики 5 «В» класса 22 чел. Им было предложено ответить на следующие вопросы:

Вопрос 1: Интересуетесь ли Вы космосом (смотрите телепередачи, читаете книги или статьи)?

а) да, данная тема мне интересна;

б) нет, мне это не нравится;

в) иногда.

22 человека (100 %) взрослого контингента опрошенных данной темой интересуются. По результатам опроса 1 «В» класса (22 чел.) -  12 ученикам (55 %) данная тема интересна, не интересуются космосом 3 человека из класса (13%), 7 учеников (32%) иногда интересуются темой космоса. По результатам опроса 5 «В» класса (22 чел.) -  9 ученикам (41 %) данная тема интересна, не интересуются космосом 2 человека из класса (9%), 11 учеников (50%) иногда интересуются темой космоса (рис.№1).

Вопрос 2: Знакомо ли Вам понятие «черная дыра»?

а) да;

б) нет.

22 человека (100 %) взрослого контингента опрошенных данное понятие знакомо, как и всем опрошенным учащимся 5 «В» класса. По результатам опроса 1 «В» класса -  16 ученикам (73 %) понятие «черная дыра» знакомо и не знакомы с указанным понятием 6 человек из класса (27%) (рис. 2). 

Вопрос 3: Как Вы думаете, что означает термин «черная дыра»?

а) кариес в зубе;

б) объект в космосе;

в) название настольной игры.

22 человека (100 %) взрослого контингента опрошенных ассоциируют данный термин с объектом в космосе. По результатам опроса 1 «В» класса -  4 ученика (18 %) считают, что «черная дыра» означает медицинский термин «кариес в зубе»; что это объекты в космосе -  считают 16 учеников из класса (73%), 2 ученика (9%) ассоциируют термин «черная дыра» с названием настольной игры. По результатам опроса 5 «В» класса  -  21 ученик считает, что черные дыры являются космическими объектами (95 %) и только 1 человек из класса (5%) думает, что это настольная игра (рис.3).

Вопрос 4: Хотели бы Вы узнать про самые загадочные объекты во Вселенной – черные дыры?

а) хотел;

б) не хотел.

22 человека (100 %) взрослого контингента опрошенных интересно было бы узнать про самые загадочные объекты во Вселенной – черные дыры, как и всем опрошенным учащимся 1 «В» класса. По результатам опроса 5 «В» класса -  17 учеников (77 %) хотели бы узнать про «черные дыры» в космосе и 5 человек из класса (23%) не интересуются данной темой (рис. 4).

Вопрос 5: Верите ли Вы, что через черные дыры в космосе возможно перемещение в пространстве и времени?

а) верю;

б) не верю.

18 человек (82 %) взрослого контингента опрошенных не верят, что через черные дыры в космосе возможно перемещение в пространстве и времени. Все учащиеся 1 «В» класса, принявшие участие в опросе, в такую возможность верят.  По результатам опроса 5 «В» класса -  12 учеников (55 %) верят в возможность перемещения в пространстве и времени и 10 учеников (45 %) не верят в такую возможность (рис. 5).

На основании проведенного исследования мною были сделаны следующие выводы:

- люди разных возрастных категорий проявляют интерес к космологии, в частности им интересно было бы узнать про «черные дыры»;

- только небольшому числу первоклассников был не знаком вышеуказанный термин;

- на самый спорный и кажущийся фантастикой вопрос (что через черные дыры в космосе возможно перемещение в пространстве и времени) мнения взрослых и детей диаметрально разошлись: взрослые в это не верят, первоклассники верят, а среднее звено школы (5 «В» класс) сомневаются наполовину.

Таким образом, мои исследования и моя научная работа дают возможность убедиться в ее актуальности. И главное, у меня не осталось сомнений, что людям всех поколений интересно узнавать про странные и загадочные объекты в космосе, например, такие, как черные дыры.

Заключение.

Итак, на мой взгляд, в рамках своей работы мне удалось сформировать понятие «черной дыры», опытным путем попытаться доказать реальность ее существования и продемонстрировать путем эксперимента некоторые ее свойства (искажение пространства). Также мне удалось систематизировать наиболее часто возникающие вопросы относительно черных дыр и найти на них ответы. Кроме того, мною методом анкетирования были исследованы и проанализированы заинтересованность и знания людей разного возраста по данной теме.

Фото № 12: Сверхмассивная черная дыра в галактике Туманность Андромеды

(ее масса примерно в 30 млн. раз больше массы Солнца).

             Черные дыры – совершенно удивительные объекты, ни похожие, ни на что известное до сих пор. Они настораживают и одновременно восхищают Они, несомненно, самые странные и загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности.  Ничего, даже носители информации не могут покинуть черную дыру. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле. Черная дыра окружена поверхностью однонаправленной мембраны: туда легко попадает все, а обратно абсолютно ничего.

В дальнейшем я бы хотел продолжить изучение этих удивительных объектов. Слишком много непонятного, огромное число вопросов и не на все существуют ответы.  Но я, как и наука, не хочу стоять на месте.

Только изучая, исследуя, совершенствуясь, можно открыть новое и двигаться вперед, хотя это пока мои «Первые шаги на пути к науке".

Список использованных источников:

1. Энциклопедия Большая Вселенная. Пер. с итал. О. Позднеевой. – М.: Эксмо, 2012. С. 134-137;
2. Малая энциклопедия Вселенной/ О.О. Фейгин. – М.: Эксмо, 2013. С. 62-69;
3. Ян Николсон. Вселенная. Серия «Жизнь планеты» - М.: «Росмэн», 2008. С. 21-22;
4. Энциклопедия для детей. Звезды и планеты. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», Махаон, 2012. С . 46-47;
5. Энциклопедия Знатока. Планета знаний. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», Махаон, 2012. С . 6-7;
6. Энциклопедия. Земля и Вселенная. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», Махаон, 2011. С . 166-167;
7. Энциклопедический словарь юного астронома. Педагогика.1996., с. 298-301;
8. Энциклопедический словарь юного физика. Педагогика. 1994., с. 286;
9. Хокинг С. Три книги о пространстве и времени. Перевод с англ. – СПб.: Амфора. ТИД Амфора, 2012. С. 106-109, 123-127, 330-340;
10. КИП С. Торн. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна. Перевод с англ. Под ред. Чл.-корр. РАН В.Б. Брагинского. – М.: 2009, с. 122-124;
11. QWRT.ru – иллюстрированный интернет-журнал о научной науке и технологичных технологиях (дата обращения 16.11.2015);
12.  RU.EURONEWS.com/ / НОВОСТИ/КОСМОС, дата обращения 21.11.2015г.;
13.  WWW.PRAVDA/RU/НАУКА И ТЕХНИКА/ ЭКОЛОГИЯ/КОСМОС, дата обращения 22.11.2015;
14. SPACEGID.com/CHERNYIE-DYIRYI, дата обращения 22.11.2015;
15.  https://ru.Wikipedia.org/wiki/Черная дыра (дата обращения 22.11.2015).