Главная страница
Навигация по странице:

  • Тема «Діри в просторі і часі»

  • Кіп Стивен Торн, «Подорож серед чорних дір»

  • СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.

  • Доклад на тему "Черные дыры в пространстве и времени". Діри в просторі і часі


    НазваниеДіри в просторі і часі
    АнкорДоклад на тему "Черные дыры в пространстве и времени"
    Дата18.09.2017
    Размер225 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаДоклад на тему "Черные дыры в пространстве и времени".doc
    ТипДокументы
    #34087
    КатегорияАстрономия



    МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ
    Автор: Попова І.К.

    Керівник: Ільїнова І.С.

    Назва навчального закладу:

    ВП «Сло’вяносербський технікум

    Луганського національного

    аграрного університету»


    Тема «Діри в просторі і часі»

    2012

    ЗМІСТ


    1. Народження й існування чорних дір. 3

    2. Теоретичне дослідження існування чорних дірок

    П'єр-Симона Лапласа. 4

    1. Теорія тяжіння Ейнштейна. 5

    2. На самій границі чорної діри. 8

    3. Сплюснена форма чорної дірки. 10

    4. Фізика обертових колапсарів. 11

    5. Як часто зустрічаються ці екзотичні фізичні об'єкти в

    нашій реальності? 12

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 14
    ВСТУП

    Із усіх вигадувань людського розуму, від єдинорогів і химер

    до водневої бомби, напевно, найфантастичніше - це обра

    з чорної діри, відділеної від іншого простору певною границею,

    через яку із цієї діри ніщо не може вийти; діри, що володіє

    настільки сильним гравітаційним полем, що навіть світло

    з
    Мал. 1
    атримується його мертвою хваткою; діри, що икривляєпростір і гальмує час. Подібно до єдинорогів і химер, чорна діра здається більш доречною у фантастичних романах або в стародавніх міфах, ніж у реальному Всесвіті. А проте закони


    сучасної фізики фактично вимагають, щоб чорні діри існували.

    Можливо, тільки наша Галактика містить мільйони їх.

    Кіп Стивен Торн, «Подорож серед чорних дір»

    Про них часто говорять у передачах по телебаченню, по радіо, пишуть у газетах, у журналах і книгах різного; жанру - від наукових монографій до художньої й навіть дитячої літератури. Звідки така популярність? Справа в тому, що чорні діри - об'єкти цілком фантастичні за своїми властивостями, це відзначав ще видатний американський фізик-теоретик Кіп Торн.

    Ч
    Мал. 2
    орні діри є найбільш грандіозними джерелами енергії у Всесвіті. Ми, імовірно, спостерігаємо їх у далеких квазарах, у ядрах галактик, що вибухають. Вони виникають також після смерті великих зірок. Можливо, чорні діри в майбутньому стануть джерелами енергії для людства.

    Народження й існування чорних дір визначається законом всесвітнього тяжіння. Тому й історія відкриття чорних дір пов'язана з ім'ям великого фізика Ісаака Ньютона, що відкрив закономірності гравітаційної будови нашого світу.

    Те, що світло притягується масивними тілами, припускавще Ньютон. Власне кажучи, саме з розуміння того, що світло також підпорядковується силам тяжіння, і починається історія дослідження дивовижних властивостей чорних дір.

    Гравітація виділяється серед усіх видів фізичної взаємодії. Всі вони пов'язані з конкретними властивостями матерії, наприклад, електричне поле діє тільки на заряджені тіла, а магнітне на намагнічені. І тільки тяжіння є повністю універсальною силою в природі. Поле тяжіння діє абсолютно на всі види матерії, починаючи із субелементарних частинок і закінчуючи фотонами світла.

    Астрономи думають, що в центрі ряду галактик перебувають різні типи масивних чорних дір. Якщо це так, то чорна діра може служити джерелом енергії обертання. Ядра деяких галактик мають дуже високу яскравість у рентгенівському діапазоні. Це може свідчити про те, що більша частина випромінювання, що випускається ними, піднімається із глибокого гравітаційного колодязя. Як проміжна ланка при передачі обертальної енергії від чорної діри до оточуючого її газу може служити сильне магнітне поле.

    Б
    Мал. 3
    езпосереднє теоретичне дослідження можливості існування таких парадоксальних об'єктів, як чорні діри, уперше провів П'єр-Симон Лаплас (1749-1827). Видатний французький фізик, математик й астроном П'єр-Симон
    Лаплас здобув всесвітню

    популярність як автор «Трактату про небесну механіку» . У цій чудовій праці він на основі закону всесвітнього тяжіння Ньютона представив механічну теорію руху всіх тіл Сонячної системи. Використовуючи розроблений ним математичний аналіз, Лаплас наочно показав, іщо всі особливості руху небесних тіл пояснюються впливом тяжіння планет одна на одну. Лаплас був також одним з перших, хто зрозумів необхідність історичного підходу до пояснення властивостей систем небесних тіл. Він слідом за своїм великим сучасником Іммануїлом Кантом, що написав знамениту «Загальну природну історію й теорію неба», запропонував модель походження Сонячної системи з розрідженої матерії. Ця гіпотеза дотепер є основою сучасних космогонічних теорій (космогонія - наука про походження небесних тіл).

    З
    Мал. 4
    а міркуваннями Лапласа, світло, випромінюване небесним тілом, на поверхні якого друга космічна швидкість перевищує швидкість світла, не може вийти за межі цього небесного тіла й полетіти в космос через дію тяжіння. Отже, для зовнішнього спостерігача зірка буде невидима, незважаючи на те, що вона випромінює світло. Це було блискучим передбаченням однієї з властивостей чорної діри - не випускати світло, бути невидимою. Але передбачення це було далеко не повним, Лапласу ще не було відомо, що швидше від світла ніщо в природі рухатися не може. Тому розглянута ним зірка представлялася йому тільки чорним несвітним утворенням. Тим часом, із сучасної точки зору така колишня зірка є не тільки абсолютно чорним об'єктом, але й справжньою «дірою», у яку, як у потенційну яму без дна, можна впасти, але неможливо звідти вибратися.

    Для розуміння неймовірних властивостей чорних дір необхідно відповісти на питання: Чим відрізняється теорія тяжіння Ейнштейна від теорії Ньютона?

    При порівняно малій гравітації на земній поверхні ці відмінності несуттєві. Але якщо зірка стискується настільки, що поле тяжіння стає надсильним, то розходження між величиною сили, що розраховується за теорією Ньютона, і реальним її значенням, що дає теорія Ейнштейна, сильно зростає. Ньютонівська сила тяжіння наближається до нескінченності в разі стискування тіла в точку з радіусом, що наближається до нуля. Згідно з Ейнштейном, сила тяжіння наближається до нескінченності, коли тіло досягає певної величини з так званим «гравітаційним радіусом». Цей гравітаційний радіус визначається масою небесного тіла, й величина його тим менше, чим менше маса. Але навіть для гігантських мас він дуже малий. Так, для Землі він дорівнює одному сантиметру, а для Сонця - трьом кілометрам.

    С
    Мал. 5
    уть теорії Ейнштейна полягає в тому, що вона встановлює зв'язок геометричних властивостей простору й перебігу часу із силами гравітації. Відповідно до теорії Ейнштейна, час у сильному полі тяжіння тече повільніше, ніж час, вимірюваний на відстані від тяжіючих мас (де

    гравітація слабка). До того, що час може текти по-різному, важко звикнути. Як може час текти по-різному? Адже, відповідно до наших інтуїтивних уявлень, час подібний до ріки, що тече незмінно.

    Ейнштейн переконливо показав, що ніякого абсолютного часу немає. Перебіг часу залежить від руху й від поля тяжіння. У сильному полі тяжіння всі процеси сповільнюються для зовнішнього спостерігача. Уповільнення це зазвичай незначне. Так, на поверхні Землі час протікає повільніше, ніж у далекому космосі, усього на одну мільярдну частину. Проте навіть таке незначне вповільнення часу в полі тяжіння Землі було безпосередньо виміряне. Виміряне уповільнення часу й у полі тяжіння зірок, хоча й там воно надзвичайно мале. У дуже сильному полі тяжіння уповільнення помітно більше й збільшується до нескінченно великого, коли радіус тіла стає рівним гравітаційному.

    Н
    Мал. 6
    аступний висновок з теорії відносності стосується зміни геометричних властивостей простору в сильному полі тяжіння. Звичайно, уявлення про викривлення самого простору так само важко поєднувані з нашими інтуїтивними уявленнями. Однак і цей висновок з теорії також підтверджений прямими фізичними експериментами.

    Відповідно до теорії Ейнштейна, як тільки радіус небесного тіла стане рівним його гравітаційному радіусу, світло не зможе піти з поверхні цього тіла до далекого спостерігача, тобто воно стане невидимим. Але ця незвичайна властивість далеко не єдина з тих парадоксів, які повинні відбутися з тілом, радіус якого зрівнявся із гравітаційним радіусом. Сила тяжіння на поверхні зірки з радіусом, рівним гравітаційному, повинна стати нескінченно великою, так само як і нескінченно великим повинне бути прискорення вільного падіння. До чого це може призвести?

    Сили, що протистоять тяжінню, залежать від тиску й температури речовини. При стиску ці сили збільшуються, але по досягненні певного ступеня стиску вони стають постійними. Інакшою є справа із силою тяжіння. З наближенням радіуса небесного тіла до величини гравітаційного радіуса тяжіння наближається до нескінченності. Тепер воно не може бути врівноважено протиборчою кінцевою силою тиску, і тіло повинне нестримно стискуватися до центра під його дією.

    Для стороннього тіла сила тяжіння на поверхні стискальної зірки залежить від характеру його руху. Подібно до тіла у вільному падінні в стані невагомості (вільно падаюче тіло не зазнає дії гравітаційної сили), пробне тіло на поверхні вільно стискного тіла не буде відчувати ніякого тяжіння. У той же час речовина, що захоплюється тяжінням, не може зупинитися, й будь-яка матерія, наблизившись до колапсара на відстань менше гравітаційного радіуса, буде нестримно падати в напрямку до центра гравітації. Фізики називають це явище релятивістським колапсом.

    Таким чином, якщо стиснути тіло настільки, що його радіус дорівнюватиме гравітаційному радіусу, то далі воно вже буде саме нестримно стискуватися. Так виникає колапсуюча замерзла зірка, для якої в середині минулого століття відомий американський астрофізик Дж. Уїллер увів назву «чорна діра».

    З
    Мал. 7
    агальна теорія відносності Ейнштейна пророкує, що час тече тим повільніше, чим ближче годинники перебувають до умовної поверхні сфери гравітаційного радіуса. Сторонній спостерігач всі явища в сильному полі тяжіння побачить в уповільненому темпі, як при повільному прокручуванні кадрів кінострічки. Також сповільнюються коливання в атомах, що випромінюють світло в сильному йолі тяжіння, і фотони «червоніють». Це явище зветься гравітаційним червоним зсувом. На самій границі чорної діри плин процесів ніби завмирає для далекого спостерігача.

    Таку ситуацію можна порівняти з плином води біля берега ріки, де течія води завмирає. Це образне порівняння належить німецькому професору Д. Лібшеру. Але зовсім інша картина постає перед спостерігачем, який у космічному кораблі вирушає в чорну діру. Величезне поле тяжіння на її межі розганяє падаючий корабель до швидкості, що дорівнює швидкості світла. А далекому спостерігачеві здається, що падіння корабля загальмовується і цілком завмирає на межі чорної діри. Адже тут, з його точки зору, завмирає сам час. З наближенням швидкості падіння до швидкості світла час на кораблі також сповільнює свій біг, як і на будь-якому тілі, що швидко летить. І от це уповільнення спонукає завмирання падіння корабля. Розтягнута до нескінченності картина наближення корабля до межі чорної діри через усе більше й більше розтягування секунд на падаючому кораблі вимірюється скінченим числом цих секунд, що все подовжуються (з погляду зовнішнього спостерігача). За годинником падаючого спостерігача або за його пульсом до перетину межі чорної діри спливло цілком скінчене число секунд. Нескінченно довге падіння корабля за годинником далекого спостерігача умістилося в дуже короткий час падаючого спостерігача. Нескінченне для одного стало скінченим для іншого. От уже воістину фантастична зміна уявлень про спливання часу.

    З
    Мал. 8
    овнішньому спостерігачеві, що стежить за ракетою, яка падає в чорну діру, видасться, що біля самої поверхні сфери Шварцшильда вона сповільнить рух і зависне на нескінченно довгий час.

    Аналогічну картину побачить далекий спостерігач і під час самого процесу утворення чорної діри - коли під дією тяжіння сама речовина зірки падає, спрямовуючись у напрямку до її центра. Для цього спостерігача поверхня зірки

    протягом нескінченно довгого часу наближається до сфери Шварцшильда і ніби застигає, досягнувши її.

    Тому колапсар є співмірним з парадоксальним образом застиглої зірки. З наближенням поверхні зірки до умовної поверхні сфери гравітаційного радіуса спостерігач буде бачити дедалі більш червонясте загасаюче світло, незважаючи на те що майбутня чорна діра продовжує випромінювати звичайні фотони.

    Гравітаційні хвилі, що виникають під час руху тіл у полі колапсара, подібні до звичайних електромагнітних хвиль, які є швидко змінюваним електромагнітним полем, що «відірвалося» від свого джерела й поширюється в просторі зі швидкістю світла. Точно так само гравітаційні хвилі є змінюваним гравітаційним полем, що залишило масивний об'єкт і летить у просторі зі швидкістю світла.

    Хоча за допомогою земних гравітаційних детекторів хвилі тяжіння ще не виявлені, деякі астрономічні спостереження вказують на можливість випромінювання гравітаційних коливань під час руху небесних тіл. Це, насамперед, стосується подвійних зоряних систем, що випромінюють гравітаційні хвилі, які забирають енергію. І чим більше маса небесних тіл, що рухаються, і менше відстань між ними, тим інтенсивніше випромінювання.

    Втрати енергії в системі подвійної зірки призводять до поступового зближення зірок і зменшення періоду їх обертання навколо загального центра мас. Саме таке зменшення періоду й удалося зафіксувати астрономам у цілковитій відповідності із передбаченнями теорії Ейнштейна.

    Дуже цікаві щодо цього поки щє гіпотетичні системи, що складаються зі звичайної й сколапсованої зірок. Адже під час руху навколо чорної діри відбуватиметься випромінювання гравітаційних хвиль і поступове зменшення радіуса орбіти. Так буде тривати доти, поки дистанція між замерзлою зіркою та її супутником не скоротиться до радіуса критичної орбіти, на якій рух зірки стане нестійким і після декількох оборотів навколо колапсара вона зникне за його горизонтом.

    Учені-космологи вважають, що відразу ж після виникнення чорна діра має сплюснену форму. Але така форма колапсара нестійка, вона швидко стає сферичною. При цьому також має спостерігатися сплеск випромінювання гравітаційних хвиль.

    Врешті-решт, виникає сферично симетрична чорна діра з відповідним зовнішнім полем тяжіння. Якщо характеризується тільки однією величиною - масою тяжіючого центра.

    Отже, при релятивістському колапсі як завгодно складного необертового тіла, оточеного електричним, магнітним й іншим полями, виникає чорна діра із властивостями, що повністю характеризуються всього двома параметрами - масою, від якої залежить сила зовнішнього гравітаційного поля, та електричним зарядом, що створює електричне поле.

    Всі інші відмінні риси матерії, що утворила чорну діру, ніби зникають, про це напівжартома висловився відомий космолог Р. Прайс: «Усе, що може випромінюватися, випромінюється».

    Ніякі виміри або досліди над чорною дірою не допоможуть відповісти на запитання, чи виникла вона, наприклад, з речовини або антиречовини, чи володіла речовина магнітним полем тощо. Фізики-теоретики пророкують, що всі однотипні чорні діри рівної маси практично неможливо розрізнити, і, як помітив знайомий нам американський астрофізик Дж.Уїллер, «чорні діри не мають волосся».

    Дуже цікавою й сповненою парадоксів виявляється фізика обертових колапсарів. Відповідно до загальної теорії відносності навколо обертових тіл виникає своєрідне вихрове гравітаційне поле, що захоплює за собою всі тіла в круговий рух. Справа відбувається таким чином, начебто шари простору повільно обертаються навколо такого тіла, причому швидкість їх обертання наростає з наближенням до обертового тіла. Для звичайних небесних тіл ці ефекти мізерно малі й експериментально ще не виявлені.

    Як же для зовнішнього спостерігача будуть протікати події при падінні будь-якого тіла з великої відстані на обертову чорну діру?

    Падаючи на чорну діру, тіло спочатку відхилиться під час свого руху у бік її обертання, перетне межу ергосфери й поступово наблизиться до горизонту. На горизонті всі тіла мають ту саму кутову швидкість обертання, у яке б місце поверхні горизонту не потрапило падаюче тіло. Це дуже важлива властивість обертової чорної діри. У самій ергосфері кутова швидкість руху тіл може бути різною, але, потрапляючи на поверхню чорної діри, вони мають вже однакову кутову швидкість й обертаються разом з поверхнею чорної діри, ніби приліплені до поверхні обертового твердого тіла.

    Просуваючись углиб, ми досягаємо нарешті межі чорної діри - горизонту подій. На цій поверхні й під нею тіло (і-будь-які частинки, і світло) рухається тільки усередину чорної діри. Тут рух назовні неможливий, і ніяка інформація не може вийти до зовнішнього спостерігача з-під цього горизонту.

    Для зовнішнього спостерігача одержуване від падаючого тіла світло швидко стає дедалі більш червоним і менш інтенсивним, потім повністю загасне, і це тіло стане невидимим для нього: що відбувається під горизонтом, він не бачить. Якщо ж сам спостерігач буде вільно падати в обертову чорну діру, то він за кінцевий час досягне горизонту, як і у випадку необертової діри, і буде продовжувати падати усередину.

    Наприкінці глави наводиться чудовий науково-популярний твір видатного фізика-теоретика Кіпа Торна, у якому детально описуються подорожі в глиб різних колапсарів і парадоксальні фізичні ефекти, що виникають при цьому.

    Тема гравітаційного колапсу є однією з найбільш плідно розроблюваних у світовій літературі й кінематографії. Досить згадати численні твори, що описують подорожі поза часом і простором за допомогою колапсійних порталів або двигунів на основі мікро-колапсарів. З образом замерзлих зірок зв'язують різні гіпотетичні схеми подорожі по кротячих норах у просторі - часі. Обертові чорні діри можуть послужити енергетичними генераторами в далекому майбутньому.

    Як часто зустрічаються ці екзотичні фізичні об'єкти в нашій реальності?

    Тут астрофізики ще не дійшли спільної думки, хоча навіть існують гіпотези про те, що земну поверхню відвідували мікроколапсари. Зокрема, з вибухом мікроскопічної чорної діри деякі вчені зв'язують історію дивного Тунгуського метеорита. Правда, у цьому випадку, десь у районі Австралії повинен перебувати кратер виходу цього унікального об'єкта, але нічого подібного ще не виявлено....

    У всякому разі існує усталена думка, що в центрі галактик знаходяться масивні чорні діри, що безупинно поглинають зоряну речовину й внутрігалактичні туманності.

    ВИСНОВОК.

    Чорні дірки - абсолютно виключні об'єкти, не схожі ні на що, відоме досі. Це не тіла в звичайному сенсі слова і не випромінювання. Це дірки в просторі й часі, що виникають із-за дуже сильного викривлення простору та зміни характеру плину часу в стрімко наростаючому гравітаційне поле.

    Чорні дірки є в деякому сенсі і дуже простими об'єктами. Їх властивості ніяк не залежать від властивостей сколлапсіровавшего речовини, від всіх складнощів будови речовини, її атомної структури, що знаходяться в ньому фізичних полів, не залежать від того, чи було речовина воднем або залізом і т.д. При утворенні чорної дірки для зовнішнього спостерігача всі властивості сколлапсіровавшего тіла як би зникають, вони не впливають ні на кордон чорної діри, ні на що інше в зовнішньому просторі, залишається тільки гравітаційне поле, що характеризується лише двома параметрами - масою і обертанням. Цим визначаються і форма чорної діри, і її розміри, і всі інші її властивості. Так що з повною впевненістю можна сказати, що немає нічого простішого чорної діри.

    Але і немає нічого більш складного, ніж чорна діра, - адже людську уяву навіть не в змозі уявити собі, до якої міри відбувається іскрівленін простору і зміна плину часу, що в них виникає діра. 

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ. 


    1. Минуле і майбутнє Всесвіту. Под ред. А.М. Черепащук, М., Наука, 1986р.

    2. І. Новіков. Чорні дірки і Всесвіт. М., "Молода гвардія", 1985р.

    3. Дж.Нарлікар. Від чорних хмар до чорних дірок. М., Энергоатомиздат, 1989г.

    4. І. А. Климишин. Астрономія наших днів. М., Наука, 1986р.

    5. І. Ніколсон. Тяжіння, чорні дірки і Всесвіт. М., Мир, 1983р.

    6. Я.А. Смородинский. Температура. М., Наука, 1987р.

    7. Енциклопедичний словник з фізики.

    8. Енциклопедичний словник юного астронома.

    написать администратору сайта