загрузка...

трусы женские
загрузка...
Реферати » Реферати з науки і техніки » Введення в фізику чорних дір

Введення в фізику чорних дір

ЗМІСТ

Особливості сил тяжіння
Що таке чорна діра?
Короткі відомості про загальну теорію відносності Ейнштейна
Сферично-симетричний гравітаційний колапс
Обертові і заряджені чорні діри
Загальні властивості чорних дір
Еволюція зірок і чорні діри
Як виявити чорну діру?
Енергетика чорних дір
Квантові ефекти в чорних дірах
Первинні чорні діри
Чорні діри, термодинаміка, інформація
Що всередині чорної діри?
Замість висновку: проблеми та гіпотези
Література

ОСОБЛИВОСТІ сил тяжіння

Одним з найбільш дивовижних передбачень теорії тяжіння Ейнштейна є можливість існування чорних дір - компактних масивних об'єктів, що володіють настільки сильним гравітаційним полем, що ніякі фізичні тіла, ніякі сигнали не можуть вирватися з них назовні. І хоча чорні діри з повною достовірністю поки ще не відкриті, є чимало причин, за якими вони привертають до себе в останні роки пильну увагу вчених. Мабуть, найбільш важливою з них є те, що виявлення чорних дір мало б значення, що виходить далеко за рамки астрофізики, оскільки мова йде не про відкриття ще одного, бути може, досить дивного астрофізичного об'єкта, а про перевірку правильності наших уявлень про властивості простору і часу в сильних гравітаційних полях.

Теоретичні дослідження властивостей чорних дір і можливих наслідків гіпотези про їх існування особливо інтенсивно розвивалися останні 15, Років. Поряд з вивченням тих особливостей чорних дір, які важливі для розуміння їх можливих астрофізичних проявів, теоретичні дослідження дозволили виявити ряд несподіваних закономірностей, ірису-1Діх фізичним взаємодіям за участю чорних дір і встановити глибокий зв'язок фізики чорних дір. З такими на перший погляд далекими областями, як Термодинаміка і теорія інформації. Про чорних дірах, їх місці в астрофізиці і про їх дивовижні властивості і піде мова нижче.

Самое "слабке" взаємодія. За виникнення чорних дір відповідальні сили тяжіння, ймовірно, самого дивного з усіх відомих фізиці взаємодій, Почнемо з того, що гравітаційна взаємодія - найслабше. Про його слабкості можна судити,

наприклад, по такому факту. Якщо прийняти за одиницю енергію ядерного (сильного) взаємодії між двома протонами на відстані порядку розміру протона, 2 * 10-14 см, то енергія їх електромагнітної взаємодії буде в e2/-hc ~ 1/137 Раз (-h - аш з рисою) менше, енергія слабкої взаємодії досягає 10-5, а енергія гравітаційного тяжіння складе всього лише 10-38. І незважаючи на це, сили тяжіння не тільки були відкриті першими, а закон Ньютона, що описує ці сили, послужив відправною точкою для опису інших взаємодій, але і в переважній числі явищ в астрофізиці та космології гравітація відіграє основну роль. Причина цього полягає в тому, що тяжіння володіє рядом чудових властивостей, що ведуть до його багаторазового посилення, не будь якого, це взаємодія швидше за все взагалі не було б відкрито. Що ж це зa властивості?

Гравітаційні сили - дальнодействующіх. Властивість дальнодії означає, що сила, що діє на пробну частку з боку тіла, що створює поле, повільно, по статечному закону, зменшується з відстанню. Завдяки цій властивості пробна частинка відчуває тяжіння з боку всіх частин масивного тіла, в тому числі і достатньо від неї віддалених. Цією властивістю поряд з тяжінням володіє Електромагнітна взаємодія, в той час як сильна і слабка взаємодії є короткодіючими і мають малі радіуси дії. Фізична причина такої відмінності полягає в тому, що кванти, переносники сильної і слабкої взаємодії, володіють ненульовою масою спокою, що призводить до експоненціально швидкому зменшенням сили на відстанях, що перевищують Комптонівське довжину хвилі lambda =-h/тс цих квантів. Радіуси дії сильної і слабкої взаємодій ~ 10-13 і 10-17 см відповідно. Кванти електромагнітного поля, фотони, і кванти гравітаційного поля, Гравітон, - частки безмасові, і сила взаємодії між парою електричних зарядів або масивних тіл убуває за відомим статечному закону: сила обернено пропорційна квадрату відстані.

Гравітаційні сили мають один знак. Між електромагнітним і гравітаційним взаємодіями є, однак, суттєва відмінність. У природі існують електричні заряди двох видів: поклади-

тільні і негативні, причому однойменні заряди відштовхуються. Це призводить до того, що в макроскопічних тілах електричний заряд зазвичай практично скомпенсований, в іншому випадку вони були б розірвані на частини потужними силами електростатичного відштовхування. Більше того, за відсутності, сторонніх сил процеси в системах із зарядженими тілами протікають таким чином, щоб зменшити потенційну енергію, при цьому заряди протилежних знаків будуть компенсуватися. Все це призводить до того, що в природних умовах електричний заряд макроскопічних тел виявляється дуже незначним,

Навпаки, "заряди тяжіння" - маси - завжди мають один і той же знак, причому вони не відштовхуються, а притягуються один до одного. При цьому чим тіло масивніше, тим воно більш стійко щодо "розвалу". Для гравітаційної взаємодії характерний наступний, механізм самоусіленія: масивне тіло притягує до себе речовина, падаюче речовина збільшує масу тіла і, отже, його здатність. Притягувати. Сили тяжіння, мізерно малі для окремих елементарних частинок, підсумовуючись при складанні з них макроскопічного тіла, можуть досягати величезної величини, виростаючи в космічному масштабі, в могутній, нерідко визначальний фактор. При цьому малість константи гравітаційної взаємодії компенсується великою величиною гравітаційного заряду. Описаний вище механізм самоусіленія призводить до того, що в тих масштабах, в яких тяжіння домінує над іншими взаємодіями, однорідний розподіл речовини виявляється нестійким і зростання випадкових неоднорідностей викликає розвиток, зокрема, таких спостережуваних структур, як планети, зірки, галактики і скупчення галактик.

Універсальність гравітаційної взаємодії. Гравітаційна взаємодія володіє ще одним, вкрай важливим, відмітною властивістю - воно універсальне. Для кожного з інших, перелічених вище взаємодій існують нейтральні частинки, тоді як всі об'єкти, що існують у природі (включаючи і поля), породжують гравітаційне поле. У ролі гравітаційного заряду виступає повна маса т системи, яка, як вчить спеціальна теорія

відносності, пов'язана з повною енергією системи Е співвідношенням т = Е/с2. Саме тому всі об'єкти природи, володіючи енергією, неодмінно беруть участь в гравітаційній взаємодії. "Важить", зокрема, й саме гравітаційне поле, що призводить до суттєвої нелінійності рівнянь Ейнштейна, що описують тяжіння.

ЩО ТАКЕ Чорна діра?

Висновок Лапласа. Гравітаційне поле тим сильніше, чим більше маса тіла і чим менше розмір області простору, в якій це тіло зосереджено. Ще в 1795 р. великий французький математик П'єр-Симон Лаплас, досліджуючи поширення світла в поле тяжіння, прийшов до висновку, що в природі можуть зустрічатися тіла, абсолютно чорні для зовнішнього спостерігача. Поле тяжіння таких тіл настільки велике, що ні ви пускає назовні променів світла. Мовою космонавтики 9то означає, що друга космічна швидкість була б більше швидкості світла с. Висновок Лапласа грунтувався на наступному міркуванні. Для того щоб подолати гравітаційне тяжіння, створюване тілом з масою М, і полетіти на нескінченність, пробне тіло на поверхні цього тіла радіуса R має володіти швидкістю v, такий, що v2 / 2> = GM / R. Вважаючи, що це співвідношення застосовно для світла, ми разом з Лапласом приходимо до висновку, що якщо маса об'єкта зосереджена в області з радіусом, меншим так званого гравітаційного радіуса тіла? Rg: Rg == 2GМ/с2 ~ = ~ 1,5-10-28 М (маса М вимірюється в грамах, Rg - в сантиметрах), то навіть світло не вийде за межі цієї області. Для Сонця гравітаційний радіус - близько 3 км, для Землі - близько 1 см.

Теорія Ейнштейна - ключ до проблеми чорних дірок. Висновок Лапласа, строго кажучи, є помилковим, оскільки він заснований на класичній механіці і 'теорії тяжіння Ньютона. У дійсності, однак, не можна користуватися ні тієї, ні іншої: поширення світла підпорядковується законам релятивістської механіки, а сильне поле тяжіння, тобто поле, гравітаційний потенціал якого phi = GM / R в одиницях с2 порядку одиниці: phi/с2 ~ 1 , описується загальною теорією відносності. Проте, як це іноді трапляється в історії

науки, обидві "помилки" Леополіс точно компенсували один одного і висновок про неможливість виходу світлових сигналів під гравітаційного радіуса виявився абсолютно правильним. Більш того, пов'язаний зі спеціальною теорією відносності і справедливий в загальній теорії відносності заборону на існування в природі сигналів, що переносять інформацію зі швидкістю, більшою за швидкість світла, надав твердженням про неможливість отримання будь-якої інформації про події, що відбуваються під гравітаційним радіусом, ще більш категоричний сенс.

.. Подібне тіло, стислий до розміру свого гравітаційного радіуса, отримало назву чорної діри, а кордон чорної діри, тобто поверхню, що обмежує область, звідки неможливий вихід сигналів, стали називати горизонтом подій. Хоча висновок Лапласа про можливість існування чорних дір зберігається і в загальній теорії відносності Ейнштейна, сам опис цього об'єкта має суттєві відмінності. Перш ніж перейти до точного визначення чорних дір і до розповіді про їх дивовижні властивості, необхідно хоча б кілька слів сказати

Сторінки: 1 2 3 4 5
загрузка...
ur.co.ua

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар