Реферат: Черные дыры
Чернаядыра является порождением тяготения. Поэтому предысторию открытия черных дырможно начать со времени И. Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения.
В1783 году Английское королевское общество заслушало доклад Д. Митчелла, которыйутверждал, что если бы на месте Солнца находилась звезда такой же плотности, нос радиусом в 500 раз больше, чем у солнца, световые лучи не могли бы покинутьповерхность такой звезды.
Митчелларгументировал свое предложение следующим образом. Если свет представляет собойпоток частиц, то эти частицы подвергаются воздействию тяготения точно так же,как и любое другое тело. Хорошо известно, что на поверхности Земли, например,необходимо сообщить телу скорость порядка 11 километров в секунду, и тогда этотело навсегда потеряет связь с Землей. Такая скорость называется второйкосмической скоростью.
Ясно,что чем больше масса тела и чем меньше его радиус, тем больше скоростьубегания. Численное значение скорости света Митчеллу было известно. Нужно былоопределить массу тела, на поверхности которого скорость убегания равна скоростисвета. Через 30-ть лет великий французский математик П. Лаплас вновь рассмотрелэту задачу и получил результат аналогичный результату Митчеллу. 200 лет назадэта задача ни кого не заинтересовала. И тем не менее к этому курьезу пришлосьвернуться сто с лишнем лет спустя после работ Митчелла и Лапласа. Немецкий физикК. Шварцшильд изучал, в частности, поведение света в сильном поле тяготения,создаваемом сферическим телом (звездой). Он получил удивительный результат,состоящий в том, что, если тело массы М имеет радиус Rg, то при Rg=2GM/c cила тяготения совпадает с простойформулой, полученных из закона Ньютона. Бесконечное значение тяготения вмеханике Ньютона получается лишь в том случае, если мы сожмем тело в точку. Приэтом радиус тела будет равен нулю. Шварцшильд же получил выражение длянекоторого вполне определенного значения радиуса гравитирующего тела, когдатяготение становится бесконечным. Так как силы тяготения стали бесконечными этоприведет к непрерывному сжатию вещества в точку, в так называемуюсингулярность. Если мы только дошли до гравитационного радиуса, то дальшеначинается гравитационный коллапс.
Нетсил, которые могли бы препятствовать этому процессу. Коллапсирующий объектбудет сжиматься до бесконечной плотности и бесконечно малых размеров. Такимобразом, швардшильдовская черная дыра – это область пространства, радиускоторой равен радиусу Шварцшильда. В ее центре находится сингулярность, гдевещество сжато до беспредельных плотностей бесконечными силами тяготения.Возникает вопрос о том, существует ли в природе такое явление? Что бы ответитьна этот вопрос обратимся к изучению более поздних стадий эволюции звезд.
Массивныезвезды могут исчезнуть вообще в результате мощного мгновенного термоядерноговзрыва. Остатком после взрыва может быть нейтронная звезда. Происходит процессгибели и рождения звезд. Гибнет гигант и во время своей гибели, проходят этапкатастрофического взрыва, порождает, оставляет вместо себя нейтронную звезду.Эта звезда устойчива: сила гравитации огромны, но давление вырожденнойнейтронной жидкости еще может уравновесить эти силы. Однако, если масса ядраболее трех масс Солнца, сила тяготения выигрывают схватку. А это значит, чтосила гравитации будет сжимать вещество звезды в состояние с бесконечнойплотностью, в точку. Говоря другими словами, некоторые массивные звезды должны вконце своей жизни превратиться в черные дыры.
В1918 году астрономы попытались провести первые эксперименты по проверки общейтеории относительности (ОТО). В этом году пришлось полное солнечное затмение, иво время наблюдений за ним удалось заметить отклонение лучей света в полетяготения Солнца. В окрестностях Солнца эффект искривления светового лучаневелик, но достаточен для прямых наблюдений.
Полетяготения черной дыры неизмеримо сильнее поля тяготения Солнца, и эффект ОТОдолжен проявляться там гораздо заметнее. И действительно, расчеты показали, чтосвет, проходящий по близости от черной дыры, будет гравитационно захвачен ею.На расстоянии, равном примерно, полутора шварцшильдовским радиусам, существуетвоображаемая окружность, на которую световой луч будет “навиваться”. Если лучпроходит от дыры на более близком расстоянии, он будет поглощен ею. Так жевозможно столь сильное искривление луча света, что фотоны могут двигаться позамкнутой окружности.
Ряддополнительных, интересных эффектов возникает в случаи с вращающейся чернойдырой. Дело в том, что Шварцшильд получил свое решение для неподвижной чернойдыры, а в природе, этот случай не должен иметь места вообще. Ведь нейтронныезвезды вращаются очень быстро, а поскольку и нейтронные звезды, и черные дыры –продукт эволюции массивных звезд, черные дыры также должны иметь собственноевращение.
Скоростьвращения и масса полностью определяют свойства черной дыры. Основные свойствавращающейся дыры состоит в том, что вокруг нее образуется область пространства-временис весьма необычными свойствами, называемая эргосферой. Эта область ограниченавоображаемой поверхностью, которая называется пределом стационарности. Междугоризонтом событий и пределом стационарности ничто не может оставаться в покое,там само пространство-время как бы закручивается вокруг оси вращения чернойдыры.
Экваторпридела стационарности вращающийся черной дыры имеет одинаковый диаметр сгоризонтом событий невращающейся черной дыры той же массы. Процесс вращениядыры приводит к одной удивительной возможности, на которую впервые обратилвнимание английский физик-теоретик Р. Пенроуз в 1969 году. Он доказал, что изэргосферы черной дыры можно черпать энергию.
Есликакое-то тело попадает в эргосферу и разделяется там на две части таким образом,что одна из них будет двигаться к горизонту событий, а другая в противоположнуюсторону, то эта вторая часть будет подхвачена гравитационным вихрем эргосферы ивыброшена с огромной скоростью из нее. Заметим, что энергия осколка будетпревышать первоначальную энергию исходного тала.
Посколькузаконы сохранения вещь незыблемая, должна уменьшаться общая энергия дыры. Ясно,что из самой дыры мы ничего извлечь не можем, по определению, а следовательно,энергия черпается из эргосферы за счет уменьшения энергии вращения дыры,замедления вращения. Таким образом, вращающиеся черные дыры могут быть впринципе самыми мощными источниками энергии во Вселенной.
Наиболеепоразительный эффект в поведение черных дыр был открыт в 1973 году профессоромкафедры математики Кембриджского университета С. Хокингом. Хогинг, один изкрупнейших физиков-теоретиков нашего времени, заинтересовался вопросом обэволюции черных дыр. Он исследовал квантовые эффекты поведения частиц вблизигоризонта событий, и именно этот новый подход позволил ему сделать выдающеесяоткрытие.
Сутьоткрытия Хокинга состоит в том, что чудовищное гравитационное поле черной дырырождает частицы и античастицы. Иногда частица и античастица падают обратно вчерную дыру, но возможен случай, когда в дыру попадает лишь один партнер, адругой покидает окрестности черной дыры с помощью туннельного эффекта. Ясно,для рождения пары должна быть затрачена энергия. Хокинг строго доказал, чтовесь этот процесс должен идти за счет уменьшения массы черной дыры, ее испарения.Ну а если происходит процесс испарения, то можно сказать, что тело имеетнекоторую температуру.
Ясно,что чем горячее дыра, тем быстрее она теряет массу.
Черныедыры – совершенно исключительные объекты, не похожие ни на что, известное досих пор. Изучение физики черных дыр позволяет расширить познания офундаментальных свойствах пространства и времени. Образно говоря, черные дыры –это дверь в новую, широчайшую область познания физического мира.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта realreferat.narod.ru/