Феномен «Черных дыр»

 

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный социально – экономический университет

 

Кафедра философии и политологии

 

Реферат

 по дисциплине

«Концепции современного естествознания»

тема:

Феномен «Черных дыр»

 

Выполнил:

Студентка 1 курса

 

.

Проверил:

доц. каф. философии

 

 и политологии

Саратов

2010г

План:

 Введение

1. Свойства черных дыр

1. Что такое черная дыра?

2. Излучение черных дыр
3. Изменяется ли она в размерах?

2. Особенности черных дыр

2.1. Свет

2.2. Время

2.3. Движение

2.4. Масса

3. Тайна черных дыр

Заключение

 Список используемой  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Введение

В своем реферате я бы хотела попытаться частично раскрыть секреты черных дыр. В последнее время этим объектам уделяется большое внимание со стороны ученных. Мне кажется, каждый человек увлекающийся астрономией, хочет знать, что же внутри черных дыр. Были предположения разные предположения. И такое фантастическое, как черная дыра открывает путь в другое измерение. 

Основные задачи:

1. Объяснить появление черных дыр.
2. Их свойства.
3. И тайны

Почему я выбрала тему феномен черных дыр? Ответ прост. Эти объекты привлекают меня своим удивительным происхождением и необычайным свойством.  Они таят в себе много загадок, и мне хотелось бы приоткрыть завесу этих тайн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Свойства черных дыр
1. Что такое черная дыра?

Для начала, что такое  черная дыра и как она образуется. Попробую для начала объяснить в  общих чертах. Черная дыра является абсолютно поглощающим объектом: она вбирает в себя вещество и излучение. Она «сделана» не из обычной материи, а из скрученного (вихревого) пространства-времени.

Черная дыра является порождением  тяготения. Поэтому предысторию  открытия черных дыр можно начать со времен И. Ньютона, открывшего закон  всемирного тяготения — закон, управляющий  силой, действию которой подвержено абсолютно все. Поле тяготения действует  на все: на легкие частицы и тяжелые (причем при одинаковых начальных  условиях совершенно одинаково), даже на свет. То, что свет притягивается  массивными телами, предполагал еще  И. Ньютон. С этого факта, с понимания  того, что свет также подчинен силам  тяготения, и начинается предыстория  черных дыр, история предсказаний их поразительных свойств.

 Одним из первых  это сделал знаменитый французский  математик и астроном П. Лаплас. Он предположил возможное существование «невидимых звезд». Предсказание было сделано в его книге «Изложение систем мира», вышедшей в 1795 году. «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». «Он рассчитал, пользуясь теорией тяготения Ньютона, величину, которую мы теперь называем второй космической скоростью, на поверхности звезды. Это та скорость, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то силы тяготения затормозят и остановят движение тела и заставят его снова падать к тяготеющему центру. В наше время космических полетов каждый знает, что вторая космическая скорость на поверхности Земли равна 11 километрам в секунду. Вторая космическая скорость на поверхности небесного тела тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус этого тела»¹ Это понятно: ведь с ростом массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.

Представим себе, рассуждал  П. Лаплас, что мы возьмем небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает  скорость света. Тогда свет от такой  звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь  далекого наблюдателя, и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет! Если увеличивать массу небесного  тела, добавляя к нему вещество с  той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается  во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.

Теперь понятен вывод, сделанный П. Лапласом: чтобы тяготение  задержало свет, надо взять звезду с веществом той же плотности, что и Земля, а диаметром в 250 раз больше солнечного, то есть в 27 тысяч  раз больше земного. Действительно, вторая космическая скорость на поверхности  такой звезды будет тоже в 27 тысяч  раз больше, чем на поверхности  Земли, и примерно сравняется со скоростью  света: звезда перестанет быть видимой.

Но предвидение Лапласа  ещё не было настоящим предсказанием  черной дыры. Дело в том, что во времена П. Лапласа еще не было известно, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено А. Эйнштейном в специальной теорий относительности. Поэтому для П. Лапласа рассматриваемая им звезда была только черной (несветящейся). Иными словами, он еще не знал, что это не только «черная», но и «дыра», в которую можно упасть, но невозможно выбраться.

2. Излучение черных дыр

В 1973 г. ученый физик Стивен Хокинг обнаружил удивительную свойство черной дыры. Она выделяла излучение и частицы. «Я начал исследования, пытаясь выяснить, какое значение имеет принцип неопределенности для черных дыр. К моему, да и ко всеобщему великому удивлению, обнаружилось, что вследствие этого принципа черные дыры должны быть не совсем черными. Они постоянно выделяют излучение и частицы. Когда я доложил о своих результатах на конференции под Оксфордом, они вызвали общее недоверие. Председатель сказал, что это нонсенс, и написал об этом статью. Однако, когда другие повторили мои расчеты, они обнаружили тот же самый эффект. Так что под конец даже председатель согласился с моей правотой.

Принцип неопределенности позволяет  частицам на короткой дистанции двигаться  быстрее света. Это, в свою очередь, позволяет им и излучению прорваться через горизонт событий и вырваться  из черной дыры. Следовательно, из черной дыры что-то может исходить».²

С. Хоукинг показал, что существует квантовый процесс рождения частиц самой черной дырой, ее гравитационным полем, приводящий к уменьшению массы и размера черной дыры. На первый взгляд это кажется удивительным. Ведь при образовании черной дыры все процессы на сжимающейся звезде быстро замедляются, «застывают» для внешнего наблюдателя, гравитационное поле везде становится неизменным во времени. А такое поле рождать частицы не может. Следовательно, если во время формирования черной дыры переменное поле произведет какое-то (очень малое) количество частиц, поток этих частиц от возникающей черной дыры, как и все процессы, будет очень быстро затухать по мере приближения поверхности звезды к гравитационному радиусу. С. Хоукинг же утверждает, что это не так, поток не затухнет совсем, а будет продолжаться и после образования черной дыры. В чем же здесь дело?

Дело в том, что внутри черной дыры поле вовсе не застыло. Там неизменность во времени невозможна, все внутри дыры обязано двигаться, падать к центру. С этим обстоятельством  и связан удивительный процесс, открытый С. Хоукингом.

В поле тяготения черной дыры одна из возникших сливанием частиц может оказаться под горизонтом и будет неудержимо падать к центру, а другая останется снаружи. Теперь уже эта пара не сможет слиться ни через миг, никогда вообще. Частица, оказавшаяся снаружи, улетит в космос; унося с собой часть энергии черной дыры, а значит, и часть ее массы.

Таким образом, возникает  квантовое излучение частиц черной дырой. Правда, этот процесс обычно крайне ничтожен. Согласно расчетам С. Хоукинга черная дыра излучает как обычное нагретое тело, но нагретое до очень небольшой температуры. Так, излучение черной дыры с массой в одну солнечную массу соответствует температуре одна десятимиллионная градуса. Это, конечно, ничтожное излучение. Длина волны возникающих фотонов соответствует размерам черной дыры в 10 километров. Потеря энергии на такое излучение полностью пренебрежима.

В реальных условиях сегодняшней  Вселенной падение в такую  черную дыру даже отдельных атомов газа из межзвездного пространства и  ничтожных потоков света, пронизывающих Вселенную, гораздо больше, чем потери на излучение. Значит, черные дыры не только не уменьшаются в размерах, но растут. Чем больше черная дыра, тем меньше температура ее излучения. Поэтому квантовое излучение гигантских черных дыр и вовсе пренебрежимо.

 

 

3. Изменяются ли они в размерах?

Излучение гравитационных волн телом, кружащимся около черной дыры, является способом получения энергии. Но это не есть способ извлечения энергии  из самой черной дыры, а только энергии, связанной с кружащимся телом.

Представим себе следующий  эксперимент. В эргосферу большой вращающейся черной дыры попадает ракета с выключенными двигателями. Она движется вокруг черной дыры в сторону ее вращения. Вблизи черной дыры пилот включает реактивные двигатели, выбрасывающие струи газов. Можно так изменить движение ракеты, что газы упадут в черную дыру, а ракета, ускорившись, с огромной скоростью вылетит из эргосферы, как бы выброшенная «пращой» гравитационного вихря. Огромная скорость ракеты будет намного превышать ту скорость, с которой ракета подлетала к эргосфере, и будет намного больше, чем изменение скорости, вызванное кратковременной работой двигателя.

Вспомним, что вокруг черной дыры существует вращательный гравитационный вихрь. Ракетный двигатель заставил перейти ракету на такую новую  орбиту, где она, подхваченная этим вихрем, была вышвырнута с огромной скоростью из эргосферы. Энергия, унесенная ракетой, получена от вихря, то есть от «вращательной» энергии черной дыры. Вращение черной дыры при этом уменьшается. Соответственно становится меньше и полная масса черной дыры (на величину, унесенную ракетой). Этим-то способом и можно «черпать» энергию из вращающейся черной дыры.

Этот процесс был открыт английским физиком-теоретиком Р. Пенроузом. Но черпаемая при этом только «вращательная» энергия находится в вихревом поле вне черной дыры. Что же касается площади горизонта она и характеризует размеры самой черной дыры, описанный процесс приводит к некоторому ее увеличению, так как газы из двигателя ракеты, упавшие в черную дыру, вносят в нее дополнительную массу и увеличивают тем самым ее размеры.

Что же касается вопроса  о возможности уменьшения размеров горизонта в каких-либо процессах, то на него надо ответить отрицательно. Оказалось, что площадь горизонта  черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонтов не уменьшается.

Это очень важное свойство. Из него, например, следует, что ни при  каких воздействиях черная дыра не может разделиться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при  сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные  гравитационные силы, какими бы другими  способами мы на нее ни воздействовали, «разодрать» ее на части нельзя.

Сливаться же черные дыры могут. Например, две движущиеся навстречу  друг другу черные дыры сталкиваются «лоб в лоб» и сливаются в одну. При этом возникающая черная дыра будет иметь площадь горизонта  больше суммы площадей горизонтов сталкивающихся дыр.

Итак, никакие процессы не уменьшают размеры черных дыр.

Черные дыры после своего возникновения являются как бы бездонными пропастями, которые нельзя никак  уменьшить, нельзя ничем заполнить  и нельзя ничем «заткнуть» — они  являются вечными «дырами» в пространстве и времени, способными только увеличиваться  за счет падающего в них вещества. Это все растущие гравитационные бездны...

 

 

 

 

3. Особенности черных дыр
1. Свет

Поле тяготения влияет на свет. Оно заставляет фотоны менять свою частоту и искривляет траекторию лучей. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее искривление траектории. Существует критическая окружность с радиусом в полтора гравитационных радиуса. По этой окружности фотон, удерживаемый на окружности мощным тяготением черной дыры, вполне может двигаться. Однако это движение неустойчиво. Малейшее возмущение — и он либо упадет на черную дыру, либо улетит в космос.

Наличие критической окружности для фотонов ведет к тому, что  свет, проходящий достаточно близко к  черной дыре, будет ею гравитационно захвачен. Луч, подходящий вплотную к окружности размером в полтора гравитационных радиуса, неограниченно навивается на нее, а подходящий еще ближе упирается в черную дыру.

При движении около черной дыры меняется и частота колебаний  световых волн. Чем ближе фотоны к черной дыре, тем сильнее возрастает частота колебаний. При удалении от черной дыры частота колебаний  световых волн уменьшается. На значительном расстоянии от черной дыры эти изменения  невелики и значительны только вблизи сферы Шварцшильда.

 

 

 

 

 

 

 

2. Движение

Немецкий ученный К. Шварцшильд после опубликования Эйнштейном уравнений гравитационного поля в ОТО, использовал эти результаты для решения задачи о движении тела в сферически-симметрическом гравитационном поле (описание искривления пространства и времени в окрестностях идеально сферической звезды). Ему удалось получить точные решения этой задачи. Из них следовало, что если массу звезды сосредоточить в пределах достаточно малой сферической области, то искривление пространства времени может быть столь значительным, что любой объект, достаточно близко приблизившись к этой области, будет полностью ею захвачен и уже не сможет возвратиться. Это была простейшая модель черной дыры.