Борьба с черными дырами в рабочем времени доклад

Обновлено: 17.05.2024

Термин "черная дыра" появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления, возникшего по крайней мере 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой, которой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй теории, свет - это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу принципа частично-волнового дуализма квантовой механики свет может рассматриваться и как частицы, и как волны. В теории, в которой свет - волны, было непонятно, как будет действовать на него гравитация. Если же свет - поток частиц, то можно считать, что гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала ученые думали, что частицы света перемещаются с бесконечной скоростью и поэтому гравитация не может их замедлить, но когда Рёмер установил, что скорость света конечна, стало ясно, что влияние гравитации может оказаться существенным.

Чтобы понять, как возникает черная дыра, надо вспомнить о том, каков жизненный цикл звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься силами собственного гравитационного притяжения. В процессе сжатия атомы газа все чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь с всё большими и большими скоростями. В результате газ разогревается и, в конце концов, становится таким горячим, что атомы водорода, вместо того чтобы отскакивать, друг от друга, будут сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение, после чего газ перестает сжиматься. Это немного напоминает надутый резиновый шарик, в котором устанавливается равновесие между давлением воздуха внутри, заставляющим шарик раздуваться, и натяжением резины, под действием которого шарик сжимается. Подобно шарику, звезды будут долго оставаться в стабильном состоянии, в котором выделяющимся в ядерных реакциях теплом уравновешивается гравитационное притяжение. Но, в конце концов у звезды кончится водород и другие виды ядерного топлива. Как ни парадоксально, но чем больше начальный запас топлива у звезды, тем быстрее оно истощается, потому что для компенсации гравитационного притяжения звезде надо тем сильнее разогреться, чем больше ее масса. А чем горячее звезда, тем быстрее расходуется ее топливо. Запаса топлива на Солнце хватит примерно на пять тысяч миллионов лет, но более тяжелые звезды израсходуют свое топливо всего за сто миллионов лет, т. е. за время, гораздо меньше возраста Вселенной. Израсходовав топливо, звезда начинает охлаждаться и сжиматься, а вот что с ней происходит потом, стало понятно только в конце двадцатых годов нашего века.

Черные дыры - один из очень немногочисленных примеров в истории науки, когда теория развивалась во всех деталях как математическая модель, не имея никаких экспериментальных подтверждений своей справедливости. И это, конечно, было главным возражением противников черных дыр: как можно верить в реальность объектов, существование которых следует лишь из вычислений, основанных на такой сомнительной теории, как общая теория относительности. Но в 1963 г. Маартен Шмидт, астроном из Паламарской обсерватории в Калифорнии, измерил красное смещение тусклого, похожего на звезду объекта в направлении источника радиоволн ЗС273 (источник под номером 273 в третьем Кембриджском каталоге радиоисточников). Обнаруженное Шмидтом красное смещение оказалось слишком велико, чтобы его можно было объяснить действием гравитационного поля: если бы оно было гравитационного происхождения, то связанный с ним объект должен был иметь такую большую массу и располагаться так близко к нам, что его присутствие изменило бы орбиты всех планет Солнечной системы.

Образование Черных дыр. Гравитационный коллапс. Гравитационный радиус.

Так ли черны, черные дыры.

До 1970 г. Стивен Хокинг в своих исследованиях по общей теории относительности сосредоточивался в основном на вопросе о том, существовала или нет сингулярная точка большого взрыва. Тогда еще не было точного определения, какие точки пространства-времени лежат внутри черной дыры, а какие - снаружи. Но многие уже обсуждали определение черной дыры как множества событий, из которого невозможно уйти на большое расстояние. Это определение стало сейчас общепринятым. Оно означает, что границу черной дыры, горизонт событий, образуют в пространстве-времени пути лучей света, которые не отклоняются к сингулярности, но и не могут выйти за пределы черной дыры, и обречены вечно балансировать на самом краю.

Пути лучей света на горизонте событий никогда не смогут сблизиться. Если бы это произошло, то лучи, в конце концов, пересеклись бы. Как если бы наткнуться на кого-то другого, тоже убегающего от полицейского, но в противоположном направлении,- тогда оба будут пойманы. Но если бы эти лучи света поглотила черная дыра, то они не могли бы лежать на границе черной дыры. Следовательно, на горизонте событий лучи света должны всегда двигаться параллельно друг другу, т. е. поодаль друг от друга. Иначе говоря, горизонт событий (граница черной дыры) подобен краю тени - тени грядущей гибели.

Если лучи света, образующие горизонт событий, т. е. границу черной дыры, никогда не могут сблизиться, то площадь горизонта событий может либо оставаться той же самой, либо увеличиваться со временем, но никогда не будет уменьшаться, потому что ее уменьшение означало бы, что, по крайней мере некоторые лучи света на границе черной дыры должны сближаться. На самом деле эта площадь будет всегда увеличиваться при падении в черную дыру вещества или излучения. Если же две черные дыры столкнутся и сольются в одну, то площадь горизонта событий либо будет больше суммы площадей горизонтов событий исходных черных дыр, либо будет равна этой сумме. То, что площадь горизонта событий не уменьшается, налагает важное ограничение на возможное поведение черных дыр, на самом деле это свойство площадей было уже известно. Но это исходило из несколько иного определения черной дыры. Оба определения дают одинаковые границы черной дыры и, следовательно, одинаковые площади при условии, что черная дыра находится в состоянии, не изменяющемся временем.

То, что площадь черной дыры не уменьшается, очень напоминает поведение одной физической величины - энтропии, которая является мерой беспорядка в системе. По своему повседневному опыту мы знаем, что беспорядок всегда увеличивается, если пустить его на самотек. (Попробуйте только прекратить дома всякий мелкий Ремонт, и вы убедитесь в этом воочию!) Беспорядок можно превратить в порядок (например, покрасив дом), но это потребует затраты усилий и энергии и, следовательно, уменьшит количество имеющейся "упорядоченной" энергии.

Будучи в Москве в сентябре 1973 г., Хокинг беседовал о черных дырах с двумя ведущими советскими учеными - Я. Б. Зельдовичем и А. А. Старобинским. Они убедили его в том, что в силу квантовомеханического принципа неопределенности вращающиеся черные дыры должны рождать и излучать частицы. Он согласился с физическими доводами, но ему не понравился их математический способ расчета излучения. Поэтому Хокинг занялся разработкой лучшего математического подхода и рассказал о нем на неофициальном семинаре в Оксфорде в конце ноября 1973 г. Тогда он еще не провел расчеты самой интенсивности излучения. Он ожидал получить лишь то излучение, которое Зельдович и Старобинский предсказали, рассматривая вращающиеся черные дыры. Но, выполнив вычисления, он, к своему удивлению и досаде, обнаружил, что даже невращающиеся черные дыры, по-видимому, должны с постоянной интенсивностью рождать и излучать частицы. Сначала он решил, что, вероятно, одно из использованных им приближений неправильно. Он боялся, что если об этом узнает Бикенстин, то он этим воспользуется для дальнейшего обоснования своих соображений об энтропии черных дыр, которые ему по-прежнему не нравились. Однако чем больше он размышлял, тем больше убеждался в том, что его приближения на самом деле правильны. Но его окончательно убедило в существовании излучения то, что спектр испускаемых частиц должен быть в точности таким же, как спектр излучения горячего тела, и что черная дыра должна излучать частицы в точности с той интенсивностью, при которой не нарушался бы второй закон термодинамики. С тех пор многие самыми разными способами повторили его расчеты и тоже подтвердили, что черная дыра должна испускать частицы и излучение, как если бы она была горячим телом, температура которого зависит только от массы черной дыры - чем больше масса, тем ниже температура.

Одна такая черная дыра могла бы обеспечить работу десяти крупных электростанций, если бы только мы умели использовать ее энергию. А это довольно трудно: наша черная дыра имела бы массу, равную массе горы, сжатую примерно до одной миллион миллионной (единица, деленная на миллион миллионов) сантиметра, т. е. до размеров атомного ядра! Если бы одна из таких черных дыр оказалась на поверхности Земли, то мы никак не могли бы предотвратить ее падение сквозь пол к центру Земли. Она колебалась бы взад-вперед вдоль земной оси до тех пор, пока, в конце концов, не остановилась бы в центре. Следовательно, единственное место для этой черной дыры, где излучаемую энергию можно было бы использовать,- это орбита вокруг Земли, а единственный способ привлечь черную дыру на эту орбиту - буксировать перед ней огромную массу. Эта идея пока не слишком реальна.

Вывод о существовании излучения, испускаемого черными дырами, по-видимому, означает, что гравитационный коллапс не так уж окончателен и необратим, как думали раньше. Если астронавт упадет в черную дыру, то ее масса увеличится, но количество энергии, эквивалентное этой прибавке массы, вернется во Вселенную в форме излучения. Следовательно, в каком-то смысле астронавт будет "регенерирован". Даже частицы, испущенные черной дырой для компенсации массы астронавта, будут не теми, из которых он состоял: единственное свойство астронавта, которое сохранится,- это его масса или энергия.

Типы Черных дыр.

Кроме черных дыр (обычных), возникающих в конце звездной эволюции и имеющих такие же массы, как звезды, могут существовать и более массивные черные дыры, образующиеся, например, в результате сжатия больших масс газа в центре шаровых звездных скоплений, в ядрах галактик или в квазарах.
Согласно современным космологическим представлениям Вселенная расширяется от сверхсжатого сингулярного состояния. Можно предполагать, что вещество во Вселенной в ходе ее расширения прошло все стадии от плотностей ~ 1093г/см? до сегодняшней средней плотности, не превосходящей 10 –29г/см?. Значит, в далеком прошлом Вселенной, когда плотность вещества была чудовещно велика, имелись предпосылки для возникновения черных дыр сколь угодно малых масс. На возможность их возникновения впервые указали Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков еще в шестидесятых годах. Найти столь малые образования в огромных просторах космоса чрезвычайно трудно, и поэтому они еще не обнаружены. Сегодня разные способы поисков таких черных дыр, получивших название первичных,- предмет многочисленных исследований и дискуссий.
В начале 60-х годов нашего века были открыты необыкновенные небесные тела – квазары.
В течении прошедших десятилетий выяснилось, что квазары – это необычно активные излучающие ядра больших галактик. Часто в них наблюдаются мощные движения газов. Сами звезды галактики вокруг таких ядер обычно не видны из-за огромного расстояния и сравнительно слабого их свечения по сравнению со свечением квазара. Выяснилось так же, что ядра многих галактик напоминают своего рода маленькие квазарчики и проявляют иногда бурную активность – выброс газа, изменение яркости и т.д., - хотя и не такую мощную, как настоящие квазары. Даже в ядрах совсем обычных галактик, включая нашу собственную, наблюдаются процессы, свидетельствующие о том, что и здесь “работает” маленькое подобие квазара.
То, что в центре галактики может возникнуть гигантская черная дыра, теперь кажется естественным. В самом деле, газ, находящийся в галактиках между звездами, постепенно под действием тяготения должен оседать к центру, формируя огромное газовое облако. Сжатие этого облака или его части должно привести к возникновению черной дыры. Кроме того, в центральных частях галактик находятся компактные звездные скопления, содержащие миллионы звезд. Звезды здесь могут разрушаться приливными силами при близких прхождениях около уже возникшей черной дыры, а газ этих разрушенных звезд, двигаясь около черной дыры, затем попадает в нее.
Падение газа в сверхмассивную черную дыру должно сопровождаться явлениями, подобными тем, о которых мы говорили в случае звездных черных дыр. Только здесь должно происходить ускорение заряженных частиц в переменных магнитных полях, которые приносятся к черной дыре вместе с падающим газом.

Черные дыры – совершенно исключительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это не тела в обычном смысле слова и не излучение. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле.
Черные дыры являются в некотором смысле и очень простыми объектами. Их свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей строения вещества, его атомной структуры, находящихся в нем физических полей, не зависят от того, было ли вещество водородом или железом и т.д. При образовании черной дыры для внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют ни на границу черной дыры, ни на что другое во внешнем пространстве, остается только гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя параметрами – массой и вращением. Этим определяются и форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные ее свойства. Так что с полной определенностью можно сказать, что нет ничего проще черной дыры.
Но и нет ничего более сложного, чем черная дыра, - ведь человеческое воображение даже не в состоянии представить себе, до какой степени происходит искривленин пространства и изменение течения времени, что в них возникает дыра.

Настоящее время человек обозначает как золотой век развития науки и техники. Безусловно, это связано с определенными успехами и научными открытиями. Так, недавно были обнаружены такие феномены в космическом пространстве, называемые черными дырами. Несмотря на то, что мы не можем умозрительно наблюдать их, мы можем узнавать их существование по свойствам. В данном реферате описывается связь черных дыр и феномена времени, а также возможные варианты путешествия во времени, предложенные астрофизиками прошлого и нашего времени.

Содержание

Работа содержит 1 файл

Реферат Феномен времени и черные дыры.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский Государственный Университет

студентка группы №0705

Как появляются черные дыры………………………………………………………………4
Что представляют из себя черные дыры…………………………………………………..4
Для чего нужны черные дыры……………………………………………………………. 5

Глава 3. Черные дыры как коридор времени…………………………… …………………9

Список использованной литературы…………………………………………………… …….11

Глава 1. Черные дыры

До недавнего времени считалось загадкой, что черные дыры существуют. Однако, благодаря наблюдению спутника с кусочками зеркала (одними – в космосе, остальными – на Земле) ученые узнали, что что-то огромное и невероятное поглощает огромный луч света. Увы, невозможно произвести наблюдение за черной дырой в прямом смысле этого слова, но можно строить гипотезы и теорию, исходя из ее видимых свойств и действий, происходящих рядом с ней.

Рассмотрим, из каких элементов состоит черная дыра.

Согласно немецкому астроному К. Шварцшильду, всё вещество черной дыры собирается в бесконечно малую точку бесконечной плотности в самом ее центре — математики называют такой объект сингулярным возмущением [1]. За счет нее и образуется невероятная сила, как назвал бы ее Ньютон, сила притяжения.

Помимо сингулярного возмущения, черная дыра обладает горизонтом событий. Такое название вполне обоснованно – оно связано с главным свойством черной дыры, о котором мы уже упоминали выше – она поглощает все, что находится рядом. Горизонт событий - односторонне пропускающая поверхность в пространстве-времени, из которой ничто не может вырваться. Его также часто называют поверхностью черной дыры.

Наконец, с внешней стороны черную дыру окружает фотонная сфера, состоящая из лучей света, движущихся по неустойчивым световым орбитам [3].

Таким образом, мы кратко описали черную дыру, назвали основные ее свойства, а также теоретически обозначили ее появление. Рассмотрим теперь значение черных дыр для нашей вселенной.

До недавнего времени черные дыры, подобно драконам или феям, считались объектом мистических рассказов, и упоминание о них в серьезном смысле могло вызывать лишь смех. Но при обнаружении свойств черных дыр – своеобразного подтверждения их существования, ученые старались углубить свои знания, поэтому построили множество гипотез о том, зачем нужны черные дыры, для чего они существуют.

Таким образом, можно сделать небольшой вывод о том, что черные дыры необходимы для нашей галактики, да и вообще, для всей вселенной. Без них не было бы звезд, галактик, планет, в конце концов, без них не было бы нас с вами.

Теперь мы можем перейти к рассуждению о том, что же такое время, как оно действует и как связано с черной дырой.

Глава 2. Феномен времени

2.1. Что такое время

Если я, к примеру, говорю: “Этот поезд прибывает сюда в 7 часов”, – то это означает примерно следующее: указание маленькой стрелки моих часов на 7 часов и прибытие поезда суть одновременные события… Время событий – это одновременное с событием показание покоящихся часов, которые находятся в месте события [5]. Мы не можем, в общем-то, дать четкое определение времени в чистом виде. Именно поэтому Эйнштейн использует определение через предметы, созданные трудом человека. Ведь наручные, настенные или какие-то другие часы в материальном их понимании – это продукт человеческой деятельности.

Не следует придавать абсолютного значения понятию одновременности. Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной системы [6]. В данном случае вспоминаются рассуждения Эйнштейна о поезде, который проходит одинаковое расстояние за разные временные отрезки, что зависит от положения тела наблюдателя в пространстве. Время не является абсолютным, хотя, до XX в. так и считалось. Абсолютной является скорость света. Нельзя сказать, что время имеет абсолютный, т.е. независимый от состояния движения системы отсчета смысл. Это и есть произвол, который содержался в нашей кинематике [7]. Положение становится еще более поразительным, если представить себе следующее: если часы, синхронизированные с другими подобными, заставить двигаться в одном направлении с большой скоростью, приближающейся к скорости света, а затем вернуть к первым, то окажется, что на двигавшихся прошло меньше времени, чем на покоившихся. Следует добавить, что выводы, которые справедливы для этих часов, взятых нами в качестве простой системы, представляющей все физические процессы, остается в силе и для замкнутой физической системы с каким-либо другим устройством. Например, если бы мы поместили живой организм в некий футляр и заставили бы всю эту систему совершить такое же движение вперед и обратно, как описанные выше часы, то можно было бы достичь того, что этот организм после возвращения в исходный пункт из своего сколь угодно далекого путешествия изменился бы сколь угодно мало, в то время как подобные ему организмы, оставленные в пункте отправления в состоянии покоя, давно бы уже уступили место новым поколениям. Для движущегося организма длительное время путешествия будет лишь мгновением, если движение будет происходить со скоростью, близкой к скорости света! Это – неизбежное следствие наших исходных принципов, к которым нас приводит опыт [8].

2.2. Феномен времени

Таким образом, мы знаем, что в разных пространствах течет разное время. Феноменальная трактовка времени подразумевает существование природного явления, процесса, или объекта, свойства которого ответственны за характеристики, приписываемые самому времени [9]. А. П. Левич изучал и стремился объяснить феномен времени. Он также дал определение референта времени - природного процесса, явления, "носителя", свойства которого могут быть отождествлены или корреспондированы со свойствами, приписываемыми феномену времени [9].

Недавно в Новосибирске был проведен эксперимент: в две герметически запаянные колбы были помещены микробы: здоровые и зараженные вирусом. Колбы некоторое время стояли рядом. Затем штамм здоровых микробов ввели животным, и те заразились вирусом. Это значит, что одни микробы заразили других бесконтактным путем. Причина такого феномена кроется в свойствах времени.

Не так давно астроном Н. А. Козырев экспериментально показал, что у времени есть плотность, а любое изменение организованности физической среды ведет за собой изменение плотности времени. В свою очередь, изменение плотности времени, мгновенно распространяясь в пространстве, вызывает изменение физического Состояния тел, встречающихся на ее пути [10]. Мозг живых существ, вероятно, может воспринимать изменение плотности времени, а вместе с ней и информацию в виде мысли и образов.

Дело в том, что мы точно не знаем, что представляет из себя время, мы можем лишь рассуждать, следуя примеру Эйнштейна, о том, как может изменяться время в зависимости от точки наблюдения – нашего положения в пространстве.

Глава 3. Черные дыры как коридор времени

Существует гипотеза о том, что черные дыры являются своеобразным коридором во времени. Многие люди мечтают о создании возможности перемещаться во времени. В каком-то смысле мы все перемещаемся во времени, только (в нашем пространстве) с одинаковой скоростью и только в одном направлении. Мы можем посмотреть на свои часы и засечь время течения какого-либо действия (например, эстафеты). При этом, если мы спросим у человека, который тоже засек время в тот же момент, что и мы, и остановил свой счет тогда же, когда и мы, он наверняка скажет нам ту же цифру, которая получилась у нас. Это, конечно, при условии исправности наших и его часов.

Черная дыра окружена гравитационным полем, в котором тела достигают скорости света. Предполагается, что в глубине черной дыры - предположительно, в центре, в так называемой точке сингуляра - законы физики прекращают действовать, и пространственная и временная координаты, грубо говоря, меняются местами, а путешествие в пространстве становится путешествием во времени. Кроме того, физики предположили, что если есть черные дыры, затягивающие все, оказавшееся в зоне воздействия, то где-то там, в “ядре” дыры, должна быть некая “белая дыра”, выталкивающая материю со столь же сокрушительной силой.

В центре черной дыры находится коридор, где пространство и время меняют свои характеристики. Однако есть одно “но”: прежде чем тело достигнет зоны, где законы традиционной физики перестают действовать, оно будет разрушено. Эта точка зрения была высказана физиком Калифорнийского института технологии Кипом Торном, автором монографии “Черные дыры и искривление времени” [11]. Эти черные дыры-тоннели могут связывать отдаленные в пространстве точки, которые существуют в принципиально разных временных плоскостях. Кип Торн абсолютно серьезно в преддверии открытия этих тоннелей предлагал для поддержания их открытыми покрывать поверхность туннеля неким веществом с отрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремиться разрушить туннель, захлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки и удерживать от коллапса. Таким образом, мы сможем проникнуть в черную дыру и узнать, что находится внутри, возможно, сможем двигаться во времени назад и далеко вперед.

Помимо проблем технического характера, физики обсуждают и возможные конфликты времени. Реальная проблема, которая может ждать путешественников, - парадоксы времени. Их возникнет множество, и все они будут связаны с возможным воздействием на ход уже совершенных событий - “парадокс дедушки”, например. Большинство теоретиков сошлись на том, что всякое воздействие на ход совершенного создает новую, параллельную реальность либо другую “мировую линию”, ничуть не мешающую существованию “исходной”. И таких “параллельностей” будет ровно столько, сколько необходимо для непротиворечивого существования каждой из них. Вообще надо заметить, что рассуждения, дискуссии и лекции о природе времени и возможности путешествия во времени до сих пор остаются излюбленным занятием серьезных физиков - своего рода интеллектуальной забавой. В свое время астрофизик NASA Карл Саган в ответ на заявление Стивена Хокинга о том, что, если бы путешествия во времени были бы возможны, среди нас было бы полно “ребят из будущего”, парировал, что есть, как минимум, дюжина способов опровергнуть это заявление.

ХХI век принёс собой целый ряд удивительных открытий. В физике и астрономии идёт своеобразная цепная реакция: обнаруживаются диковинные явления, а их дальнейшее изучение и осмысление приводит к открытию явлений, ещё более поразительных. Таков закономерный путь развития общества.

Чёрные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном 1 в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р. Оппенгеймером 2 и Х. Снайдером 3 в 1939 г.

Роберт Оппенгеймер (справа) и Альберт Эйнштейн. Фото первой половины 1940-х годов

Хартланд Свит Снайдер

Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьёзно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на чёрные дыры как на возможную физическую реальность. Их открытие и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени.

История идеи о чёрных дырах

Английский геофизик и астроном Джон Мичелл 4 (J.Michell, 1724–1793) предположил, что в природе могут существовать столь массивные звёзды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона 5 , Мичелл рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус не более 3 км, то даже частицы света (которые он, вслед за Ньютоном, считал корпускулами) не могли бы улететь далеко

Такую же идею высказал в своей книге Система мира (1796) французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас 6 .

Пьер-Симон Лаплас [1]

Карл Шварцшильд в своем рабочем кабинете в Потсдамской астрофизической обсерватории, директором которой он стал в 1909 году

Правда, в 1930-е, после создания квантовой механики и открытия нейтрона, физики исследовали возможность формирования компактных объектов (белых карликов и нейтронных звёзд) как продуктов эволюции нормальных звёзд. Оценки показали, что после истощения в недрах звезды ядерного топлива, её ядро может сжаться превратиться в маленький и очень плотный белый карлик или же в ещё более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду.

Двойная звезда Сириус. Компонент этой системы Сириус В – белый карлик. На фото это небольшая точка левее и ниже гораздо более яркого компонента Сириус А, который является ярчайшей звездой на ночном небе. Сириус В – первый из обнаруженных белых карликов

Фриц Цвикки [2] и Вальтер Бааде [4]

В 1934 работавшие в США европейские астрономы Фриц Цвикки 7 и Вальтер Бааде 8 выдвинули гипотезу – вспышки сверхновых представляют собой совершенно особый тип звёздных взрывов, вызванных катастрофическим сжатием ядра звезды. Так впервые родилась идея о возможности наблюдать коллапс звезды. Бааде и Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная вырожденная звезда, состоящая из нейтронов. Расчёты показали, что такие объекты действительно могут рождаться и быть устойчивыми, но лишь при умеренной начальной массе звезды. Но если масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не сможет остановить её катастрофического коллапса.

Джон Арчибальд Уилер [7]

Формирование чёрных дыр

Самый очевидный путь образования чёрной дыры – коллапс ядра массивной звезды. Пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, её равновесие поддерживается за счёт термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод, и т.д., вплоть до железа у наиболее массивных звёзд). Выделяющееся при этом тепло компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с её излучением и звёздным ветром. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя её сжатию под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается и звезда начинает сжиматься.

Астрономические наблюдения хорошо согласуются с этими расчётами: все компоненты двойных звёздных систем, проявляющие свойства чёрных дыр имеют массы от 4 до 16 масс Солнца. Теория звёздной эволюции указывает, что за 12 млрд лет существования нашей Галактики, содержащей порядка 100 млрд звёзд, в результате коллапса наиболее массивных из них должно было образоваться несколько десятков миллионов чёрных дыр. К тому же, чёрные дыры очень большой массы (от миллионов до миллиардов масс Солнца) могут находиться в ядрах крупных галактик, в том числе, и нашей. Об этом свидетельствуют астрономические наблюдения, хотя пути формирования этих гигантских чёрных дыр не вполне ясны.

Свойства чёрных дыр

Важно, что гравитация действует на все физические системы одинаково: все часы показывают, что время замедляется, а все линейки, что пространство растягивается вблизи чёрной дыры. Это означает, что чёрная дыра искривляет вокруг себя геометрию пространства и времени. Вдали от черной дыры это искривление мало, а вблизи так велико, что лучи света могут двигаться вокруг неё по окружности. Вдали от чёрной дыры её поле тяготения в точности описывается теорией Ньютона для тела такой же массы, но вблизи гравитация становится значительно сильнее, чем предсказывает ньютонова теория.

Если бы можно было наблюдать в телескоп за звездой в момент её превращения в чёрную дыру, то сначала было бы видно, как звезда всё быстрее и быстрее сжимается, но по мере приближения её поверхности к гравитационному радиусу сжатие начнёт замедляться, пока не остановится совсем. При этом приходящий от звезды свет будет слабеть и краснеть пока окончательно не потухнет. Это происходит потому, что, преодолевая силу тяжести, фотоны теряют энергию и им требуется всё больше времени, чтобы дойти до нас. Когда поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, покинувшему её свету потребуется бесконечное время, чтобы достичь любого наблюдателя, даже расположенного сравнительно близко к звезде (и при этом фотоны полностью потеряют свою энергию). Следовательно, мы никогда не дождемся этого момента и, тем более, не увидим того, что происходит со звездой под горизонтом событий, но теоретически этот процесс исследовать можно.

Изучая фундаментальные свойства материи и пространства-времени, физики считают исследование чёрных дыр одним из важнейших направлений, поскольку вблизи чёрных дыр проявляются скрытые свойства гравитации. Для поведения вещества и излучения в слабых гравитационных полях различные теории тяготения дают почти неразличимые прогнозы, однако в сильных полях, характерных для чёрных дыр, предсказания различных теорий существенно расходятся, что даёт ключ к выявлению лучшей среди них. В рамках наиболее популярной сейчас теории гравитации – ОТО Эйнштейна – свойства чёрных дыр изучены весьма подробно. Вот некоторые важнейшие из них.

1) Вблизи чёрной дыры время течёт медленнее, чем вдали от неё. Если удалённый наблюдатель бросит в сторону чёрной дыры зажжённый фонарь, то увидит, как фонарь будет падать всё быстрее и быстрее, но затем, приближаясь к поверхности Шварцшильда, начнёт замедляться, а его свет будет тускнеть и краснеть (поскольку замедлится темп колебания всех его атомов и молекул). С точки зрения далекого наблюдателя фонарь практически остановится и станет невидим, так и не сумев пересечь поверхность чёрной дыры. Но если бы наблюдатель сам прыгнул туда вместе с фонарём, то он за короткое время пересёк бы поверхность Шварцшильда и упал к центру чёрной дыры, будучи при этом разорван её мощными приливными гравитационными силами, возникающими из-за разницы притяжения на разных расстояниях от центра.

Стивен Хокинг [10]

Поиски чёрных дыр

Расчёты в рамках ОТО указывают лишь на возможность существования чёрных дыр, но отнюдь не доказывают их наличия в реальном мире, открытие чёрной дыры стало бы важным шагом в развитии физики. Поиск изолированных чёрных дыр в космосе невероятно труден: требуется заметить маленький тёмный объект на фоне космической черноты. Но есть надежда обнаружить чёрную дыру по её взаимодействию с окружающими астрономическими телами, по её характерному влиянию на них.

Учитывая важнейшие свойства чёрных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить чёрную дыру по её гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например, с близкими звёздами. Попытки обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звёздах не увенчались успехом. Но после запуска на орбиту рентгеновских телескопов выяснилось, что чёрные дыры активно проявляют себя в тесных двойных системах, где они отбирают вещество у соседней звезды и поглощают его, нагревая при этом до температуры в миллионы градусов и делая его на короткое время источником рентгеновского излучения.

Поскольку в двойной системе чёрная дыра в паре с нормальной звездой обращается вокруг общего центра массы, используя эффект Доплера, удаётся измерить скорость звезды и определить массу её невидимого компаньона. Астрономы выявили уже несколько десятков двойных систем, где масса невидимого компаньона превосходит 3 массы Солнца и заметны характерные проявления активности вещества, движущегося вокруг компактного объекта, например, очень быстрые колебания яркости потоков горячего газа, стремительно вращающегося вокруг невидимого тела.

Особенно перспективной считают рентгеновскую двойную звезду V404 Лебедя, масса невидимого компонента, которой оценивается не менее, чем в 6 масс Солнца. Другие кандидаты в чёрные дыры находятся в двойных системах Лебедь X-1, LMC X-3, V616 Единорога, QZ Лисички, а также в рентгеновских новых Змееносец 1977, Муха 1981 и Скорпион 1994. Почти все они расположены в пределах нашей Галактики, а система LMC X-3 – в близкой к нам галактике Большое Магелланово Облако.

Другим направлением поиска чёрных дыр служит изучение ядер галактик. В них скапливаются и уплотняются огромные массы вещества, сталкиваются и сливаются звёзды, поэтому там могут формироваться сверхмассивные чёрные дыры, превосходящие по массе Солнце в миллионы раз. Они притягивают к себе окружающие звёзды, создавая в центре галактики пик яркости. Они разрушают близко подлетающие к ним звёзды, вещество которых образует вокруг чёрной дыры аккреционный диск и частично выбрасывается вдоль оси диска в виде быстрых струй и потоков частиц. Это не умозрительная теория, а процессы, реально наблюдаемые в ядрах некоторых галактик и указывающие на присутствие в них чёрных дыр с массами до нескольких миллиардов масс Солнца. В последнее время получены весьма убедительные доказательства того, что и в центре нашей Галактики есть чёрная дыра с массой около 2,5 млн масс Солнца.

Вполне вероятно, что самые мощные процессы энерговыделения во Вселенной происходят с участием чёрных дыр. Именно их считают источником активности в ядрах квазаров – молодых массивных галактик. Именно их рождение, как полагают астрофизики, знаменуется самыми мощными взрывами во Вселенной, проявляющимися как гамма-всплески.

Виды чёрных дыр

Сверхмассивные чёрные дыры

Разросшиеся очень массивные чёрные дыры, по современным представлениям, образуют ядра большинства галактик. В их число входит и массивная чёрная дыра в ядре нашей галактики – Стрелец A.

В настоящее время существование чёрных дыр звёздных и галактических масштабов считается большинством учёных надёжно доказанным астрономическими наблюдениями. Американские астрономы установили, что массы сверхмассивных чёрных дыр могут быть значительно недооценены. Исследователи установили, что для того чтобы звёзды двигались в галактике М87 (которая расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, то есть в два раза больше нынешних оценок ядра М87, которые составляют 3 млрд солнечных масс.

Первичные чёрные дыры

Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе – их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр.

Квантовые чёрные дыры

Предполагается, что в результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации. Однако из общих соображений весьма вероятно, что спектр масс чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра –планковская чёрная дыра. Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Заключение

В заключение отметим, что чёрные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху, не являются стопроцентными чёрными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них ещё не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звёзд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.

Чтобы чёрные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать всё бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.

Так же хочется специально подчеркнуть особенно бурное развитие науки о Вселенной – космологии, приносящей новые удивительные открытия и новые фундаментальные знания.

Литература (Интернет-ресурсы)

3 Хартланд Свит Снайдер (1913–1962) – американский физик теоретик, специалист в области физики ускорителей, квантовой физики. Под руководством Роберта Оппенгеймера занимался теоретической физикой, предсказал образование и существование чёрных дыр. Изучая особенности фокусировки пучка частиц в протонном синхротроне Космотрон, пришёл к открытию принципа сильной фокусировки, сделавшего революцию в конструировании ускорителей, участвовал в создание первого сильнофокусирующего синхротрона.

4 Джон Мичелл (1724–1793) – английский геолог, священник и теософ. В астрономии установил, что большинство двойных звёзд, представляющихся нам в телескопы отстоящими на мизерное расстояние друг от друга, реально являются двойными звёздными системами, удерживаемыми силами взаимного притяжения.

8 Вальтер Бааде (1893–1960) – немецкий астроном. Первые работы Бааде были посвящены кометам, астероидам, переменным звездам. В 1923 году он открыл новую комету, в 1920 году - астероид Гидальго. В 1949 году открыл астероид Икар. Мировую известность принесла Бааде концепция существования двух основных типов звёздного населения галактик. Она сыграла важную роль в развитии теории эволюции звёзд. Бааде показал, что вспыхивающие звезды, которые наблюдали еще Тихо Браге (1572) и Иоганн Кеплер (1604), были на самом деле вспышками сверхновых, и отождествил их с остатками вспышек – туманностями. Также Бааде впервые высказал предположение (совместно с Ф.Цвикки), что в результате вспышки сверхновой может образоваться нейтронная звезда (1934), отождествил (совместно с Р.Минковским) с остатками сверхновых несколько дискретных источников радиоизлучения. Фотографированием в монохроматическом свете выявил тонковолокнистую структуру Крабовидной туманности.

9 Карл Шварцшильд (нем. Karl Schwarzschild; 9.10.1873, Франкфурт-на-Майне – 11.05.1916, Потсдам) – блестящий и очень разносторонний ученый. Он оставил глубокий след в наблюдательной астрономии, где стал одним из пионеров оснащения телескопов фотографической аппаратурой и ее использования в целях фотометрии. Ему принадлежат глубокие и оригинальные труды в области электродинамики, звёздной астрономии, астрофизики и оптики. Шварцшильд даже успел внести важный вклад в квантовую механику атомных оболочек, построив в своей последней научной работе теорию эффекта Штарка. В 1900 году, за пятнадцать лет до создания ОТО, он не только всерьез рассмотрел возможность того, что геометрия Вселенной отличается от евклидовой, но и оценил нижние пределы радиуса кривизны пространства для сферической и псевдосферической геометрии космоса. Шварцшильд, одна из ключевых фигур начального этапа развития теоретической астрофизики, отличался широтой научных интересов – оставил заметный след в фотографической фотометрии, теории звёздных атмосфер, общей теории относительности и старой квантовой механике. Его именем, помимо всего прочего, названо открытое им первое и до сих пор наиболее важное точное решение уравнений Эйнштейна, предсказывающее существование чёрных дыр – решение Шварцшильда.

10 Джон Уилер (09.07.1911–13.04.2008) – американский физик, его научные работы относятся к ядерной физике, проблеме термоядерного синтеза, специальной и общей теории относительности, единой теории поля, теории гравитации, астрофизике. Задолго до В. Гейзенберга ввёл в теорию поля матрицу рассеяния (S-матрицу), явившуюся важным инструментом для описания взаимодействий. В 1934 году разработал теорию процесса рождения электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Вместе с Нильсом Бором разработал теорию деления атомного ядра, доказал, что, под действием тепловых нейтронов делится редко встречающийся изотоп уран-235 (1939). Математически обосновал возможность цепной реакции деления в уране, первый объяснил отрицательное влияние продуктов деления на ход цепной реакции, развил методы управления ядерным реактором (1939). Выдвинул идею об универсальности фермиевского взаимодействия (1948–1949), с Д. Хилом развил коллективную модель ядра (1953), предсказал существование мезоатомов (1947). Работал в области гравитации и релятивистской астрофизики. Является одним из создателей геометродинамики. Исследования посвящены квантованию гравитации, гравитационному коллапсу, структуре материи чрезвычайно большой плотности и температуры. В 1990 году Уилер высказал предположение, что информация является фундаментальной концепцией физики. Согласно его доктрине 'it from bit' все физические сущности являются информационно-теоретическими в своей основе.

11 Рой Патрик Керр (род.16.05.1934) – новозеландский математик и астрофизик, получивший в 1963 году аналитическое решение уравнений Эйнштейна, описывающие гравитационное поле вращающейся чёрной дыры. Направления его исследований являлись общая теория относительности, гравитационные и релятивистские теории. На работы Керра оказали влияние исследования Карла Шварцшильда, который вскоре после появления общей теории относительности при помощи уравнений Эйнштейна сформулировал математическое описание статических чёрных дыр и влияние их гравитации на время и пространство вокруг них. Однако современные ученые предполагают, что черные дыры скорее всего, не являются статическими. Формула, полученная Керром в 1963 году, является основанием для описания свойств вращающихся чёрных дыр. Его решение называют метрикой Керра, вращающиеся чёрные дыры вообще также иногда называют чёрными дырами Керра. Рой Керр несколько раз номинировался на Нобелевскую премию.

Читайте также: