Чорні діри: Парадокс Всесвіту

Размещено на http://www.allbest.ru/

14

Інститут суспільства

Тема: "Чорні діри: Парадокс Всесвіту"

Виконала: студентка

I-го курсу,

Спеціальність "Філософія"

Рожкова Лія Олександрівна

Зміст

1. Вступ

2. Основна частина

2.1 Історія відкриття чорної діри

2.2 Космологія чорної діри

2.3 Відкриття Хокінга

2.4 Властивості чорних дір

2.5 Утворення чорних дір

2.6 Якщо є чорні діри, то, відповідно, є і білі?

3. Висновки

4. Список використаних джерел

5. Додатки

1. Вступ

У нашому Всесвіті дуже багато дивних парадоксальних явищ, ще не розгаданих, або не повністю обґрунтованих і пояснених вченими. На сьогоднішній день чорні діри являються саме таким цікавим і загадковим явищем, питання про яке ще не мають однозначної відповіді. Ще 40 років тому ніхто не підозрював про існування подібних об'єктів у космосі. Звісно ж, порівняно з минулими знаннями, зараз ми дуже гарно обізнані. Постійно вчені відкривають щось нове, відповідають на старі запитання і отримують сотні інших.

Що таке чорна діра? Чому вона важлива для науки? Чи її існування має глобальний вплив на Всесвіт? Ця тема дійсно актуальна у космології та астрофізиці, тому що вчені вважають, що чорні діри можуть відповісти на запитання «Звідки виник наш Всесвіт?». І також вони можуть перекреслити усі наші попередні знання.

Космологія чорної діри - це модель, суть якої полягає у тому, що спостерігаємий Всесвіт знаходиться у середині однієї такої діри. Ця модель була запропонована одночасно індійським фізиком-теоретиком Раджем Патріа та британським математиком Ірвіном Гудом.

З іншої точки зору, знайти підтвердження важливості чорних дір можна у доведеній Стівеном Хокінгом гіпотезі про те, що чорні діри випромінюють часточки. Хокінг показав, що існує квантовий процес народження часток самою чорною дірою, точніше кажучи, її гравітаційним полем, яке зменшує її масу і розмір. Така гіпотеза послужила поштовхом американським вченим, які запропонували оригінальну концепцію отримання енергії зі штучно створених чорних дір.

Отже, можна зазначити, що чорні діри - є невід'ємною складовою на шляху до пізнання Всесвіту. Важливо знати, як вони утворюються, які їх властивості, які ще є теорії у вчених щодо них.

2. Основна частина

2.1 Історія відкриття чорної діри

Дізналися про чорні діри завдяки спостереженню за іншими космічними тілами, які пришвидшували свій рух, а потім взагалі зникали. Поставало питання: Що спричиняє таку поведінку? І тоді вчені поглиблено зайнялись цією аномалією. До чорних дір дійшли не відразу. А навіть коли дійшли, то вважали їх міфом. Почали розбирати еволюцію зірки. Протозоря, червоний гігант, сверхнова зоря і нейтронна зоря (або пульсар).

Передумови відкриття чорних дір починаються з теорії гравітації Ньютона. Гравітаційне поле діє на все: важкі, легкі часточки і навіть світло. З цього факту і починається ланцюжок теорій та передбачень, які приводять вчених до висновку - чорні діри існують. Відомий автор п'ятитомної роботи «Трактат про небесну механіку» П'єр-Симон Лаплас допустив думку про існування невидимих зірок.

Саму історію уявлень про чорні діри можна поділити на три періоди. Початок першого періоду пов'язаний з опублікованою в 1784 році роботою Джона Мічелла. У ній він розповів про концепцію масивного тіла, гравітаційне тяжіння якого настільки велике, що швидкість, необхідна для подолання цього тяжіння (тобто друга космічна швидкість), повинна дорівнювати або перевищувати швидкість світла.

Другий період почався разом з розвитком загальної теорії відносності, стаціонарне рішення рівнянь якої було отримано Карлом Шварцшильдом в 1915 році. Дві найважливіші риси, властиві чорним дірам в моделі Шварцшильда - це наявність горизонту подій (він за визначенням є у будь-якої чорної діри) і сингулярності, що відокремлена цим горизонтом від решти Всесвіту.

Публікація в 1975 році роботи Стівена Хокінга, в якій він запропонував ідею про випромінювання чорних дір, згадану у вступі, починає третій період. Межа між другим і третім періодами досить умовна, оскільки не відразу стали зрозумілі всі наслідки відкриття Хокінга. Їх вивчення триває і досі.

2.2 Космологія чорної діри

Будь-яка модель вимагає, щоб радіус Хаббла (область розширення Всесвіту, що оточує спостерігача, і за межами якої об'єкти віддаляються від спостерігача зі швидкістю, більшою ніж швидкість світла) дорівнював радіусу Шварцшильда. За наявними нині даними, ці величини дійсно близькі, але більшість космологів вважають це простим збігом.

Версію, допущену Гудом та Патріа, продовжив Нікодим Поплавські. На його думку, спостерігаємий Всесвіт - це дійсно не що інше, як нутро чорної діри, що знаходиться всередині якогось ще більшого Всесвіту, можливо Мультивсесвіту. Відповідно до загальної теорії відносності, чорна діра Шварцшильда формується в результаті гравітаційного колапсу тіла достатньої маси. Однак у теорії гравітації Ейнштейна - Картана (була розроблена як розширення загальної теорії відносності; в ній описується вплив на простір-час не тільки енергії-імпульсу, але й спіну матеріальних полів, тобто власного моменту імпульсу частинки) гравітаційний колапс утворює так званий міст Ейнштейна - Розена, або «кротову нору» - особливість простору-часу, що представляє собою в кожен момент часу «тунель» в просторі. Спін-спінова взаємодія, описана в теорії Ейнштейна - Картана, запобігає утворенню гравітаційної сингулярності. Замість цього коллапсуюча матерія досягає величезної, але кінцевої щільності і «відскакує», утворюючи інший бік мосту Ейнштейна - Розена, яка росте в якості нового Всесвіту. Таким чином, Великий Вибух був несингулярним Великим «відскоком», при якому Всесвіт мав кінцевий розмір. Згідно з версією, запропонованою Ніайешем Афшорді, астрофізиком з Інституту теоретичної фізики «Периметр» у Канаді, наш Всесвіт є тривимірною браною (від слова «мембрана»), отриманою у результаті колапсу чотиривимірної зірки в чотиривимірну чорну діру.

2.3 Відкриття Хокінга

На перший погляд відкриття Хокінга здається дивовижним і абсолютно нелогічним, адже як може чорна діра, котра все у себе засмоктує, щось випромінювати? Навіть якщо допустити, що випромінювання є на початку утворення чорної діри, то воно занадто слабке і одразу ж зникає після її утворення. Хокінг стверджує зовсім інакше. У чому ж тут справа?

У чорній дірі постійно є рух. Вона не може залишатися незмінною. Саме з цієї обставиною і пов'язане обґрунтування Хокінга. В звичайних умовах, у вакуумі, віртуальні частинки на мить утворюють пару частинка-античастинка, які відразу зливаються. У полі тяжіння чорної діри одна з виниклих таким чином частинок може опинитися під горизонтом подій (уявною гіперповерхнею в просторі-часі, яка відділяє його точки: ті, від яких світло може потрапити до спостерігача, від тих, звідки світло потрапити до спостерігача не може) і буде нестримно падати до центру, а інша залишиться зовні. Після розділення ці частинки вже ніколи знову не з'єднаються. Частинка, яка виявилася зовні, відлетить у космос, несучи з собою частину енергії чорної діри, а отже, і її маси.

Таким чином, виникає квантове випромінювання частинок чорною дірою. Чим більша вона за діаметром, тим менше може випромінювати, і навпаки. Тож, можна собі уявити, скільки енергії нам дадуть невеликі, штучно створені чорні діри.

2.4 Властивості чорних дір

Абстрактні чорні діри. В абстрактних моделях чорні діри вивчаються так, наче в усьому Всесвіті є одна конкретна чорна діра. Керуючись цим припущенням можна використовувати математичний апарат теорії відносності і робити передбачення щодо поведінки чорних дір. Світло рухається в просторі-часі по геодезичним. Геодезичні являють собою шлях, по якому буде рухатися вільно падаюча тестова частинка. Наприклад, футбольний м'яч після того, як його підкинув у повітря футболіст але до того, як цей м'яч вдариться у що-небудь, буде вільно падаючої часткою і рухатиметься по геодезичній в просторі-часі. Коли геодезична перетинає горизонт подій чорної діри, вона вже не повернеться назад. Тоді у Всесвіті, де щільність енергії ніколи не буває негативною, така поведінка світла веде до двох важливих властивостей чорних дір:

1) площа горизонту подій чорної діри може тільки зростати і не може спадати. Це також означає, що дві чорні діри можуть злитися в одну велику, але одна чорна діра не може розпастися на дві більш дрібні;

2) гравітаційний потенціал на горизонті подій постійний, він рівновеликий в кожній точці горизонту подій.

Спостерігаємі чорні діри. Якщо чорна діра "захоплює" все світло, що потрапляє на неї і не випускає його назовні, як взагалі можна її побачити? В реальному Всесвіті є пил і газ, а також зірки, планети і галактики. І коли пил і газ падають на чорну діру, то вони так швидко наближаються до горизонту подій, що атоми іонізуються і випускають світло, який відлітає, не перетинаючи горизонт подій. Астрономи і астрофізики виявляють чорні діри саме за допомогою такого світла.

Що можна сказати щодо чорних дір в центрі галактик? Звідки вони з'явилися? Якщо допустити, що вони утворилися у результаті зіткнення двох галактик, то виходить, що чорна діра є причиною виникнення спіральних галактик. Ця масивна гігантська аномалія завдяки своєму могутньому гравітаційному полю утримує навколо себе мільярди зірок, які складаються в системи.

2.5 Утворення чорних дір

Розрізняють 4 сценарії утворення чорних дір. Два реалістичних: гравітаційний колапс (стиснення) досить масивної зірки, колапс центральної частини галактики або протогалактчного газу; і два гіпотетичних: формування чорних дір відразу після Великого Вибуху (первинні чорні діри), виникнення в ядерних реакціях високих енергій.

Для того, щоб відбувся гравітаційний колапс і утворилася чорна діра, потрібно щоб:

1. Об'єкт має масу, більшу за 2,5 мас Сонця. Тобто перевищує межу Оппенгеймера-Волкова (верхня межа маси, при якій тиск газу не компенсує гравітаційної сили).

2. Він стискувався до малого розміру;

3. Чим більша маса тіла і чим менший радіус, тим більша друга космічна швидкість, яка при стисканні буде перевищувати навіть швидкість світла (тобто, маса об'єкта буде настільки великою, що стискування устигне розігнатися до швидкості світла і вище). Друга космічна швидкість - мінімальна швидкість, яка потрібна одному космічному тілу, щоб вийти за межі гравітаційної дії іншого космічного тіла.

4. Твердий об'єкт (ту саму Землю) не можна стиснути до малих розмірів. Тому потрібен газоподібний об'єкт. Зірка. Причому, зірка складається з гарячого газу.

5. При стисканні гарячий газ почне охолоджуватися.

6. Виходить, буде опір: гравітація намагатиметься стиснути зірку, а тиск газу - навпаки - роздути її. Відбудеться горіння зірки.

7. Такий опір продовжуватиметься, поки зірка не вичерпає свого пального. Газ остаточно охолоне і більше не зможе опиратися гравітації. Тоді зірка почне стискатися на шаленій швидкості. Якби маса зірки при цьому була менша 1,4 маси Сонця, то стискування б припинилося, і зірка б стала білим карликом. При масі більшій за 1,4 маси Сонця, але меншій за 3 маси Сонця, утворилася б нейтронна зоря. У нашому ж випадку, об'єкт має масу, більшу за 3 маси Сонця. Тому стискування не зупиниться. Радіус, до якого повинна стиснутись зірка називається гравітаційним (гравітаційний радіус або радіус Шварцшильда - це радіус сферичного тіла, при якому друга космічна швидкість дорівнює швидкості світла. Або якщо радіус сферичного тіла, що стискається, менший за радіус Шварцшильда). У результаті стискання зорі відбувається гравітаційний колапс. Це завершальний етап еволюції зорі.

2.6 Якщо є чорні діри, то, відповідно, є і білі?

Біла діра є часовою протилежністю чорної - якщо з чорної діри неможливо вибратись, то в білу діру неможливо потрапити. Білою дірою є область IV у розширеному просторі-часі Шварцшильда - у неї неможливо потрапити з областей I і III, а от з неї потрапити в області I і III можна. Так як загальна теорія відносності і більшість інших теорій гравітації оборотні в часі, то можна розгорнути рішення гравітаційного колапсу в часі і отримати об'єкт, що не стискується, формуючи навколо себе горизонт подій майбутнього і сингулярність під ним, а навпаки, об'єкт, який народжується з невидимої сингулярності під горизонтом подій минулого і потім розлітається, знищуючи горизонт - це і буде біла діра. На сьогоднішній день вченим невідомі фізичні об'єкти, які можна достовірно вважати білими дірами. Більше того, невідомі і теоретичні механізми їх утворення, окрім реліктового - відразу після Великого вибуху, а також вельми спекулятивної ідеї, яку неможливо підтвердити розрахунками, що білі діри можуть утворюватися при виході з-за горизонту подій речовини чорної діри, що знаходиться в іншому часі. Немає і передумов за методами пошуку білих дір. Виходячи з цього, білі діри вважаються зараз абсолютно гіпотетичними об'єктами, допустимими теоретично загальною теорією відносності, але навряд чи існуючими у Всесвіті, на відміну від чорних дір.

Однак ізраїльські астрономи Алон Реттер і Шломо Хеллер припускають, що аномальний гамма-сплеск GRB 060614, який стався в 2006 році, був «білою дірою».

3. Висновки

чорна діра квантове випромінювання

Немає нічого простішого і, водночас, складнішого за чорні діри. Чому вони прості? Їх властивості ніяк не залежать від властивостей колапсуючої речовини, від усіх складнощів будови речовини, його атомної структури, не залежать від того, чи була речовина воднем або залізом тощо. При утворенні чорної діри для спостерігача всі властивості колапсуючого тіла наче 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. Тому з повною визначеністю можна сказати, що немає нічого простіше чорної діри. Людське тіло, наприклад, незрівнянно складніше, бо його двома числами не охарактеризуєш.

Але і немає нічого більш складного, ніж чорна діра, адже людська уява навіть не в змозі уявити собі, наскільки викривляється простір і змінюється плинність часу, що в результаті в них виникає діра. Вивчення фізики чорних дір дозволяє розширити наші пізнання про фундаментальні властивості простору і часу.

Експериментальне відкриття чорних дір у природі було б надзвичайно важливим для природознавства. Ми змогли б вивчати нові закони, що керують властивостями простору і часу в сильних гравітаційних полях, нові закони, що керують рухом матерії в незвичайних умовах. Образно кажучи, чорні діри - це двері в нову, найширшу область нашого пізнання фізичного світу. Також, цілком імовірно, що найпотужніші процеси енерговиділення у Всесвіті відбуваються за участю чорних дір. Саме їх вважають джерелом активності в ядрах квазарів - молодих масивних галактик. Саме їх народження, як вважають вчені, знаменується найпотужнішими вибухами у Всесвіті, що проявляються як гамма-сплески.

4. Список використаних джерел

1) BBС. Horizon: Хто боїться чорної діри

2) Вікіпедія (визначення)

3) Кауфман У. Дж. Космічні рубежі теорії відносності

4) Новіков І.Д. Чорні діри і Всесвіт

5) Новіков І.Д. Енергетика чорних дір

6) Офіційний сайт Теорії Струн http://superstringtheory.com/index.html

7) Шкловский І.С. Зорі: їхнє народження, життя і смерть

5. Додатки

Еволюція зірок

Модель гравітаційного колапсу

Чорна діра, «підсвічена газом»

Відкриття Хокінга

Размещено на Allbest.ru