Чорні дірки

Чорна діра є породженням тяжіння. Тому передісторію відкриття чорних дірок можна почати з часу И. Ньютона, який відкрив закон всесвітнього тяжіння.

У 1783 році Англійське королівське товариство заслухала доповідь Д. Мітчелла, який стверджував, що якби на місці Сонця знаходилася зірка такий же щільності, але з радіусом в 500 разів більше, ніж у сонця, світлові промені не могли б залишити поверхню такої зірки.

Мітчелл аргументував свою пропозицію наступним чином. Якщо світло являє собою потік часток, то ці частинки піддаються впливу тяжіння точно так само, як і будь-яке інше тіло. Добре відомо, що на поверхні Землі, наприклад, необхідно повідомити тілу швидкість близько 11 кілометрів на секунду, і тоді це тіло назавжди втратить зв'язок із Землею. Така швидкість називається друга космічною швидкістю.

Ясно, що чим більше маса тіла і чим менше його радіус, тим більше швидкість тікання. Чисельне значення швидкості світла Мітчелл було відомо. Потрібно було визначити масу тіла, на поверхні якого швидкість тікання дорівнює швидкості світла. Через 30-ть років великий французький математик П. Лаплас знову розглянув цю завдання і отримав результат аналогічний результату Мітчелл. 200 років тому ця завдання ні кого не зацікавила. І тим не менше до цього курйозу довелося повернутися сто з лишнім років після робіт Мітчелла і Лапласа. Німецький фізик К. Шварцшильда вивчав, зокрема, поведінка світла в сильному полі тяжіння, створюваному сферичним тілом (зіркою). Він отримав дивовижний результат, полягає в тому, що, якщо тіло маси М має радіус Rg, то при Rg = 2GM/c cила тяжіння збігається з простою формулою, отриманих з закону Ньютона. Нескінченна значення тяжіння в механіці Ньютона виходить лише в тому випадку, якщо ми стиснемо тіло в точку. При цьому радіус тіла буде дорівнює нулю. Шварцшильда ж одержав вираження для деякого цілком певного значення радіусу гравитирующих тіла, коли тяжіння стає нескінченним. Тому що сили тяжіння стали нескінченними це призведе до безперервного стисненню речовини в точку, в так звану сингулярність. Якщо ми тільки дійшли до гравітаційного радіуса, то далі починається гравітаційний колапс.

Нема сил, які могли б перешкоджати цьому процесу. Коллапсірующая об'єкт буде стискатися до нескінченної щільності і нескінченно малих розмірів. Таким чином, швардшільдовская чорна діра - це область простору, радіус якої дорівнює радіусу Шварцшильда. У її центрі знаходиться сингулярність, де речовина стисло до безмежних щільностей нескінченними силами тяжіння. Виникає питання про те, чи існує в природі таке явище? Щоб відповісти на це питання звернемося до вивчення більш пізніх стадій еволюції зірок.

Масивні зірки можуть зникнути взагалі в результаті потужного миттєвого термоядерного вибуху. Залишком після вибуху може бути нейтронна зірка. Відбувається процес загибелі та народження зірок. Гине гігант і під час своєї загибелі, проходять етап катастрофічного вибуху, породжує, залишає замість себе нейтронну зірку. Ця зірка стійка: сила гравітації величезні, але тиск вироджених нейтронної рідини ще може зрівноважити ці сили. Однак, якщо маса ядра більше трьох мас Сонця, сила тяжіння виграють сутичку. А це означає, що сила гравітації буде стискати речовина зірки в стан з нескінченною щільністю, в точку. Кажучи іншими словами, деякі масивні зірки повинні в Наприкінці свого життя перетворитися на чорні дірки.

У 1918 році астрономи спробували провести перші експерименти з перевірки загальної теорії відносності (ЗТВ). У цьому році довелося повне сонячне затемнення, і у час спостережень за ним вдалося помітити відхилення променів світла в поле тяжіння Сонця. В околицях Сонця ефект викривлення світлового променя невеликий, але достатній для прямих спостережень.

Поле тяжіння чорної діри незмірно сильніший поля тяжіння Сонця, і ефект ОТО повинен виявлятися там набагато помітніше. І дійсно, розрахунки показали, що світло, що проходить по близькості від чорної діри, буде гравітаційно захоплений нею. На відстані, що дорівнює приблизно, півтора шварцшільдовскім радіусів, існує уявна коло, на яку світловий промінь буде "навивається". Якщо промінь проходить із дірки на більш близькій відстані, він буде захоплений нею. Так само можливо настільки сильне викривлення променя світла, що фотони можуть рухатися по замкнутому колу.

Ряд додаткових, цікавих ефектів виникає у випадку з обертається чорної дірою. Справа в тому, що Шварцшильда отримав своє рішення для нерухомою чорною дірки, а в природі, цей випадок не повинен мати місця взагалі. Адже нейтронні зірки обертаються дуже швидко, а оскільки і нейтронні зірки, і чорні діри -- продукт еволюції масивних зірок, чорні дірки також повинні мати власну обертання.

Швидкість обертання і маса повністю визначають властивості чорної діри. Основні властивості обертається дірки полягає в тому, що навколо неї утворюється область простору-часу з досить незвичайними властивостями, звана ергосферой. Ця область обмежена уявної поверхнею, яка називається межею стаціонарності. Між горизонтом подій і межею стаціонарності ніщо не може залишатися у спокої, там сам простір-час ніби закручується навколо осі обертання чорної дірки.

Екватор придела стаціонарності обертається чорної дірки має однаковий діаметр з горизонтом подій невращающейся чорної діри тієї ж маси. Процес обертання дірки приводить до однієї дивної можливості, на яку вперше звернув увагу англійський фізик-теоретик Р. Пенроуз в 1969 році. Він довів, що з ергосфери чорної діри можна черпати енергію.

Якщо будь-то тіло потрапляє в ергосферу і розділяється там на дві частини таким чином, що одна з них буде рухатися до обрію подій, а інша в протилежну сторону, то ця друга частина буде підхоплена гравітаційним вихором ергосфери і викинута з величезною швидкістю з неї. Зауважимо, що енергія осколка буде перевищувати первісну енергію вихідного тала.

Оскільки закони збереження річ непорушна, повинна зменшуватися загальна енергія діри. Ясно, що з самої діри ми нічого витягти не можемо, за визначенням, а отже, енергія черпається з ергосфери за рахунок зменшення енергії обертання дірки, уповільнення обертання. Таким чином, що обертаються чорні діри можуть бути в принципі найпотужнішими джерелами енергії у Всесвіті.

Найбільш разючий ефект в поведінка чорних дір був відкритий в 1973 році професором кафедри математики Кембриджського університету С. Хокінг. Хогінг, один з найбільших фізиків-теоретиків нашого часу, зацікавився питанням про еволюції чорних дірок. Він досліджував квантові ефекти поведінки частинок поблизу обрію подій, і саме цей новий підхід дозволив йому зробити видатне відкриття.

Суть відкриття Хокінга полягає в тому, що жахливе гравітаційне поле чорної діри народжує частки і античастинки. Іноді частка і античастинка падають назад у чорну дірку, але можливий випадок, коли в дірку потрапляє лише один партнер, а інший залишає околиці чорної діри за допомогою тунельного ефекту. Ясно, для народження пари повинна бути витрачена енергія. Хокінг суворо довів, що весь цей процес повинен йти за рахунок зменшення маси чорної діри, її випари. Ну а якщо відбувається процес випаровування, то можна сказати, що тіло має деяку температуру.

Ясно, що чим гаряче дірка, тим швидше вона втрачає масу.

Чорні дірки -- абсолютно виключні об'єкти, не схожі ні на що, відоме досі. Вивчення фізики чорних дірок дозволяє розширити пізнання про фундаментальні властивості простору і часу. Образно кажучи, чорні діри - це двері в нову, широку область пізнання фізичного світу.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://realreferat.narod.ru/