трусики женские украина

На головну

 Чорні діри - Астрономія

Курсова робота З ФІЗИКИ:

Чорні дірки.

ЗМІСТ.

ВСТУП.

ОСВІТА чорних дір. Гравітаційного колапсу. Гравітаційний радіус.

Квантової ВИПРОМІНЮВАННЯ чорних дір.

ТЕРМОДИНАМІКА чорних дір.

Чорні дірки І ТЕРМОДИНАМІКА.

ТЕМПЕРАТУРА І ЕНТРОПІЯ чорної діри.

ТЕРМОДИНАМІКА І ІНФОРМАЦІЯ.

ІНФОРМАЦІООНИЙ ПІДХІД ДО термодинаміки.

ЕНТРОПІЯ ТА ІНФОРМАЦІЯ.

Чорні дірки І ЧАС.

Ефект уповільнення ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.

КВАНТ ПРОСТОРУ - ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.

ТИПИ чорних дір.

ВИСНОВОК.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.ВВЕДЕНІЕ.

Чорні діри - об'єкти абсолютно фантастичні за своїми властивостями. «З усіх вигадок людського розуму, від єдинорогів і химер до водневої бомби, напевно, саме фантастичне - це образ чорної діри, відокремленої від решти простору певної кордоном, яку ніщо не може перетнути; діри, що володіє настільки сильним гравітаційним полем, що навіть світло затримується його мертвою хваткою; діри, викривляє простір і гальмує час. Подібно єдинорога і химерам, чорна діра здається більш доречною у фантастичних романах або в міфах давнини, ніж в реальному Всесвіту. І, тим не менш, закони сучасної фізики фактично вимагають, щоб чорні діри існували. Можливо, тільки наша Галактика містить їх »- так сказав про чорні діри американський фізик К. Торн.

До цього слід додати, що всередині чорної діри дивним чином змінюються властивості простору і часу, що закручуються у своєрідну воронку, а в глибині знаходиться межа, за якою час і простір розпадаються на кванти ... Всередині чорної діри, за краєм цієї своєрідної гравітаційної безодні, звідки немає виходу, течуть дивовижні фізичні процеси, проявляються нові закони природи.

Чорні діри є самими грандіозними джерелами енергії у Всесвіті. Ми, ймовірно, спостерігаємо їх в далеких квазарах, під вибухають ядрах галактик. Вони виникають також після смерті великих зірок. Можливо, чорні діри в майбутньому стануть джерелами енергії для человечества.ОБРАЗОВАНІЕ чорних дір. Гравітаційного колапсу. Гравітаційний радіус.

Вчені встановили, що чорні діри повинні виникати в результаті дуже сильного стиснення будь-якої маси, при якому полі тяжіння зростає настільки сильно, що не випускає ні світ, ні якесь інше випромінювання, сигнали або тіла.

Ще в 1798 р П. Лаплас, досліджуючи поширення світла в поле тяжіння об'єкта, велика маса якого зосереджена усередині малої області простору, прийшов до висновку, що в природі можуть зустрічатися тіла абсолютно чорні для зовнішнього спостерігача. Полі тяжіння таких тіл настільки велике, що не випускає назовні променів світла (мовою космонавтики це означає, що друга космічна швидкість була б більше швидкості світла с). Для цього необхідно лише, щоб маса об'єкта М була зосереджена в області з радіусом, меншим так званого гравітаційного радіуса тіла Rg. Радіус

Rg = 2GM / c? »1,5 * 10-28М, де G-постійна тяжіння;

М-маса (вимірюється в грамах),

Rg-в сантиметрах.

Висновок Лапласа грунтувався на класичній механіці і теорії тяжіння Ньютона1.

Отже, для виникнення чорної діри необхідно, щоб маса стиснулася до таких розмірів, при яких друга космічна швидкість стає рівною швидкості світла. Цей розмір носить назву гравітаційного радіуса і залежить від маси тіла. Величина його дуже мала навіть для мас небесних тіл. Так, для Землі гравітаційний радіус приблизно дорівнює 1см, для Сонця - 3 км.

Для того щоб подолати тяжіння і вирватися з чорної діри, потрібна була б друга космічна швидкість, велика світловий. Відповідно до теорії відносності, ніяке тіло не може розвивати швидкість більшу, ніж швидкість світла. Ось чому з чорної діри ніщо не може вилетіти, не може надходити назовні ніяка інформація. Після того як будь-які тіла, будь-яка речовина або випромінювання впадуть під дією тяжіння в чорну діру, спостерігач ніколи не дізнається, що сталося з ними в подальшому. Поблизу чорних дір, як стверджують вчені, повинні різко змінюватися властивості простору і часу.

Якщо чорна діра виникає в результаті стиснення обертового тіла, то поблизу її кордону всі тіла залучаються в обертальний рух навколо неї.

Вчені вважають, що чорні діри можуть виникати в кінці еволюції досить масивних зірок. Після вичерпання запасів ядерного пального зірка втрачає стійкість і під дією власної гравітації починає швидко стискуватися. Відбувається так званий гравітаційний колапс (такий процес стиснення, при якому сили тяжіння нестримно зростають).

А саме, до кінця життя зірки втрачають масу в результаті цілого ряду процесів: зоряного вітру, перенесення маси в подвійних системах, вибуху наднових і т.д .; проте відомо, що існує багато зірок з масою, в 10, 20 і навіть у 50 разів перевищує сонячну. Малоймовірно, що всі ці зірки якось позбудуться «зайвої» маси, щоб увійти в зазначені межі (2-3М¤). Відповідно до теорії, якщо зірка або її ядро ??з масою вище вказаної межі починає коллапсировать під дією власної ваги, то ніщо вже не в змозі зупинити її колапс. Речовина зірки буде стискатися безмежно, в принципі, поки не стиснеться в точку. В ході стиснення сила тяжіння на поверхні неухильно зростає - нарешті, настає момент, коли навіть світло не може подолати гравітаційний бар'єр. Зірка зникає: утворюється те, що ми називаємо ЧОРНОЇ ДИРОЙ.КВАНТОВОЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ чорних дір.

Твердження, що кінцевий стан чорної діри стаціонарно, правильно лише в рамках звичайної, що не квантової теорії тяжіння. Квантові ефекти ведуть до того, що насправді чорна діра повинна безупинно випромінювати, втрачаючи при цьому свою енергію.1

Полі тяжіння чорної діри дуже велике (саме тому воно виробляє над падаючим тілом роботу, порівнянну з його енергією спокою). Розглядаючи чисто динамічну задачу про народження частинок в такому гравітаційному полі, С. Хокінг в 1975 р показав, що воно робить фізичний вакуум2 нестійким: завжди присутні в ньому віртуальні (короткоживучі) частинки перетворюються в реальні (довгоживучі). Точніше кажучи, у вакуумі поблизу горизонту собитій3 поле народжує пари частинок, причому одна з компонент пари йде всередину чорної діри, займаючи стан з негативною енергією, а інша, що має позитивну енергію, вилітає назовні і може бути зареєстрована далеким спостерігачем (рис. 1).

Рис.1. Народження пари в поле чорної діри.

У вакуумі постійно народжуються і анігілюють пари віртуальних частинок, яким, однак, не вистачає енергії для перетворення на реальні довгоживучі частинки. У досить сильному зовнішньому полі цей недолік енергії може бути заповнений роботою, виробленої полем над частками. Для появи реальної пари з енергією Е (суцільні лінії) необхідно, щоб її компоненти, перебуваючи ще в віртуальному стані (пунктир), розійшлися на відстань L, на якому робота поля дорівнює Е. Одна з компонент пари (А) падає всередину чорної діри, (Б) йде назовні, до зовнішнього спостерігача. Сукупність частинок Б і є випромінювання Хокінга.

Таким чином, квантові властивості вакууму виявляються в тому, що чорна діра «зобов'язана» випромінювати частки різних сортів, в тому числі кванти світла. Вивчаючи властивості цього випромінювання, Хокінг прийшов до несподіваного висновку, що воно має тепловий характер: чорна діра світить точно так само, як чорне тіло радіуса Rg, нагрітого до температури

? = ћc? / 8?kMG?1026 / M,

де ћ - постійна Планка;

k-постійна Больцмана;

?-температура (вимірюється в градусах Кельвіна);

М-маса в грамах.

При цьому не тільки спектр випромінювання (розподіл його по частотах), але і більш тонкі його характеристики (наприклад, всі кореляційні функції) точно такі ж, як у випромінювання чорного тела.ТЕРМОДІНАМІКА чорних дір. Чорні дірки І ТЕРМОДИНАМІКА.

Відкриття теплового випромінювання чорної діри було повною несподіванкою для більшості фахівців.

Дж. Уілер першим звернув увагу на те, що в рамках класичної теорії тяжіння вже сам факт існування чорної діри суперечить другому початку термодинаміки, згідно з яким повна ентропія фізичної системи - величина, що характеризує ступінь її хаотичності, або зростає з часом, або принаймні залишається постійною. Наприклад, коли всередину чорної діри падає гаряче тіло, що володіє деяким запасом ентропії, в результаті чого зовнішній спостерігач бачить зменшення повної ентропії світу, доступного його спостереженням. На це можна заперечити, сказавши, що «насправді» суперечності з термодинамікою немає, оскільки збільшилася ентропія внутрішньої частини чорної діри. Це дійсно так але тільки для спостерігача, що падає разом з гарячим тілом, який не зіткнеться ні з порушенням термодинаміки, ні з самим ефектом Хокінга. Однак системою відліку зовнішнього спостерігача внутрішня частина чорної діри взагалі не охоплюється. Тому для такого спостерігача що впало в дірку тіло реально зникає (передаючи, звичайно, чорній дірі як цілому свої зберігаються характеристики - енергію, або масу М, обертальний момент J і заряд Q).

Ці міркування приводять до наступної дилеми: або термодинаміка взагалі забороняє існування чорних дір, або цей об'єкт сам по собі володіє запасом доступною спостереженню ззовні ентропії, яка зростає після падіння на нього гарячого тіла. Друга можливість, яка і виявилася правильною, означає, що таке тіло передає чорній дірі як цілому не тільки М, момент J і заряд Q, а й свою ентропію.

Проте ще раніше, ніж був зроблений вибір на користь цієї можливості, з'явилося досить багато теоретичних вказівок на те, що властивості однієї з характеристик чорної діри - площі її поверхні - дійсно нагадують властивості ентропії. Одне з таких вказівок відноситься до процесів природної еволюції чорної діри - акреції речовини на неї, злиття двох чорних дір в одну і т.п. при повній відсутності зворотних процесів. Виявляється, з плином часу сумарна площа поверхні чорних дір, як і ентропія, або зростає, або, в крайньому випадку, залишається постоянной1.

Взагалі виявилося, що аналогія між фізикою чорних дір і термодинаміки простирається досить далеко. Вона відноситься як до конкретних термодинамічних пристроїв (типу теплової машини), так і до загальних законів термодинаміки, кожному з яких знайшовся свій еквівалент у фізиці чорних дір. Є такий еквівалент і у відомого термодинамічної співвідношення dE = ?dS, де dE і dS - відповідно зміни енергії та ентропії тіла; ?- температура2. Якщо визначити зв'язок між зміною енергії чорної діри dE = d (Mc?) і зміною її поверхні dF = 8?RgdRg, то, виявляється, вона має вигляд dE = (c? / 8?G) gdF, де g = c4 / 4GM -прискорення вільного падіння на поверхні чорної діри.

Зіставляючи наведені вирази для dE в термодинаміки та фізики чорних дір, можна прийти до наступного висновку: так як є аналогія між поверхнею чорної діри F і ентропією S, то є і аналогія прискорення вільного падіння на поверхні чорної діри g з температурою ?.ТЕМПЕРАТУРА І ЕНТРОПІЯ Чорні діри.

Існування чорної діри саме по собі парадоксально. Чорна діра поводиться, як тіло з температурою, що дорівнює абсолютного нуля, тому що за допомогою чорної діри можна повністю перетворити тепло в роботу.

При падінні на чорну діру тіло може виробляти роботу за рахунок енергії гравітаційного тяжіння до чорної діри. Якщо будь-яке тіло падає на чорну діру, то вся його енергія разом з «енергією спокою» M0c? (M0-маса спокою тіла) може бути перетворена в работу1.

Таким чином, на кордоні чорної діри повна енергія тіла звернеться в нуль. Можна сказати, що маса спокою тіла погаситься негативною потенційною енергією тіла в гравітаційному полі чорної діри. У звичайних земних умовах потенційна енергія дуже мала в порівнянні з енергією спокою, так що маса падаючого каменю залишається практично незмінною; при падінні в поле чорної діри вона звертається в нуль.

Закон тяжіння діє так, що сила тяжіння пропорційна масі притягиваемого тіла незалежно від того, з чим пов'язана ця маса. Гарячий чайник трохи важче холодного; падаючи на чорну діру, гарячий чайник виділить трохи більше енергії (на U / c?, де U - внутрішня енергія), ніж холодний. Чорна діра працює як ідеальний холодильник при Т = 0, з якого ніякими способами не можна витягти будь-якої енергії. Це означає, що к.к.д. циклу з чорною дірою в якості холодильника, по Карно, буде дорівнювати одиниці. Виникає ситуація, що дуже нагадує вічний двигун другого роду, і порушується теорема Нернста. Такий парадокс повинен був неминуче навести на думку, що чорна діра не може мати температуру Т = 0.

Рішення парадоксу треба було шукати в термодинамічних властивостях чорної діри. Перша здогадка полягала в наступному.

Якщо чорна діра має температуру, відмінну від абсолютного нуля, то вона має і ентропію. Якщо чорна діра сферично симетрична, не обертається і не заряджена, то ентропія може залежати тільки від маси. Але ентропія - величина, яка не залежить від одиниць виміру: ентропія ідеального газу визначалася ставленням обсягів і ставленням температур. Чисельне ж значення маси, звичайно, залежить від того, в яких одиницях ми її вимірюємо - в грамах або в мільйонах тонн. Мабуть, і ентропія чорної діри повинна визначатися відношенням її маси до якоїсь стандартної еталонної масі. Але який? Як все ж має виглядати вираз для ентропії чорної діри?

Якісне рішення задачі було придумано Бекенштейна. Увага його привернула одна теорема загальної теорії відносності. Теорема стверджувала, що які б процеси не відбувалися в системі, в якій є чорні діри, сумарна площа поверхонь чорних дір може тільки збільшуватися. Ця дуже загальна теорема схожа на теорему про зростання ентропії. Площа, так само як ентропія, величина адитивна і, так само як і ентропія, залежить від маси чорної діри. Тому була спокуса припустити, що ентропія чорної діри просто пропорційна її площі: S ~ A. Але як звести кінці з кінцями, якщо площа A має розмірність квадрата довжини?

У мікросвіті немає свого масштабу довжини. З двох постійних ћ і c не можна скласти величину з розмірністю довжини або часу. Для цього треба взяти ще масу. Тоді довжину можна, наприклад, скласти так: ћ / mc.

У загальній теорії відносності також немає масштабу довжини, оскільки його не можна скласти з G і c. Але якщо залучити на допомогу масу, то довжину можна скласти так: Gm / c?.

Об'єднаймо тепер обидві довжини ћ / mc і Gm / c?, склавши їх геометричне середнє (ћG / c?) ?. При цьому маса скоротиться. Це і є одиниця довжини, запропонована Планком.

Після того як Планк ввів дві фундаментальні постійні ћ і k, він зауважив, що з'явилася можливість побудувати нову систему одиниць, не пов'язану ні з якими штучними еталонами. Це такі одиниці: довжина lп = (ћG / c?) ? = 5,110 * 10-31м,

Час tп = (ћG / c5) ? = 1,7016 * 10-43с,

Маса mп = (ћc5 / G) ? = 6,189 * 10-9кг,

Температура Тп = 1 / k (ћc5 / G) ? = 4,028 * 1031К.

Одиниці Планка зручні при розрахунку таких систем, де істотні ефекти як квантові, так і гравітаційні.

Чорна діра (і її ентропія) здається вдалим кандидатом для застосування одиниць Планка.

Припустимо, що масштаб ентропії пов'язаний з постійною довжини lп, тобто що площа поверхні чорної діри треба розділити на lп2с якимось коефіцієнтом, про який, звичайно, не можна здогадатися заздалегідь. На основі таких не надто строгих міркувань і була висунута гіпотеза про те, що ентропія чорної діри повинна мати вигляд S = ?? / lп2, де коефіцієнт ? треба обчислити з якихось міркувань особливо. Така здогадка виявилася правильною. Коефіцієнт ? був обчислений пізніше Хокінгом. Він виявився рівним 1/4.

Знаючи ентропію, можна обчислити і температуру. Замінимо площа A її виразом через гравітаційний радіус:

A = 4?Rg? = 16?GM? / c4.

Використовуючи одиниці Планка, можна тепер написати формулу для ентропії:

S = 16?? (M / mп) ?.

Температура запишеться у вигляді

T = 1 / (32??) * mп / M * Tп.

Виключаючи з цих формул масу, будемо мати (у одиницях Планка і ? = 1/4) ST? = 1 / (16?).

Таке рівняння стану ні на що не схоже. З нього випливає, що чим вища температура, тим менше ентропія, а при абсолютному нулі ентропія звертається в нескінченність.

Звідси можна зробити висновок, що або в наших міркуваннях груба помилка, або з чорно дірою відбувається щось серйозне і вона не «доживає» до абсолютного нуля. Але в рамках класичних уявлень парадокс дозволити виявилося неможливим.

Парадокс зник, коли Хокінг теоретично довів, що поблизу чорної діри відбувається народження частинок. Несподіваним чином з'ясувалося, що теорема про зростання площі поверхні чорної діри перестає бути строгою в квантовій механіці і ентропія її може зменшуватися за рахунок того, що навколо неї створюється потік фотонів, які цю ентропію забирають.

Дуже великий потенціал гравітаційного поля поблизу чорної діри призводить до того, що на її поверхні народжуються пари фотонів (і інші частинки). Енергія цих фотонів (як і всіх частинок поблизу чорної діри) дорівнює нулю, тому вони можуть народитися «з нічого», не порушуючи закону збереження енергії. Після народження пари фотонів один з них іде в чорну диру1, а другий за рахунок звільнилася енергії відлітає на нескінченність. Система працює, як блок: один вантаж опускається, а за його рахунок піднімається інший. Результатом цього процесу буде зменшення маси чорної діри (а значить, і її поверхні), еквівалентне енергії відлетіли фотонів.

Теорія цього процесу складна. Але результат був цікавим. Чорна діра випромінює фотони, спектр яких збігається з розподілом Планка, відповідальним температурі (в одиницях Планка, тобто mп = 1 і Tп = 1):

T = 1 / (8?) * 1 / М.

З цієї формули випливає, що коефіцієнт ? = 1/4.

Таким чином, чорна діра випромінює як ідеальне чорне тіло (несподівано реалізоване в космосі з дуже великою точністю).

Тепер стає зрозумілим джерело парадоксу. Чорна діра - система нестійка, нерівноважна, тому й поняття про температуру чорної діри - поняття не цілком точне. Температура чорної діри зростає зі зменшенням маси; народження пар призводить до зменшення маси, а, отже, і до підвищення температури. З ростом температури інтенсивність випромінювання збільшується, а температура зростає ще більше. Зрештою, чорна діра повинна згоріти зовсім, причому згоріти за кінцеве время.ТЕРМОДІНАМІКА ТА ІНФОРМАЦІЯ. ІНФОРМАЦІООНИЙ ПІДХІД ДО термодинаміки.

Ми вже бачили, наскільки важливо для виникнення теплових властивостей чорної діри існування горизонту подій, що відокремлює область простору, інформація про яку не доходить до зовнішнього спостерігача. Було показано, як можна прийти до ефекту Хокінга і термодинаміки чорних дір за допомогою простих термодинамічних міркувань, без проведення динамічних розрахунків народження пар в поле чорної діри. Виявляється можливим зробити і наступний крок - зв'язати теплові властивості чорної діри прямо з самим фактом існування у неї горизонту подій.

Ця можливість заснована на інформаційному підході до термодинаміки, який сходить до класиків теорії теплоти, був сформульований Л. Сциллард і розвивався багатьма фізиками і математиками. Суть цього підходу полягає в твердженні, що існує прямий зв'язок між браком інформації про фізичну системі і величиною її ентропії.

Будучи прикладений до фізики чорних дір, інформаційний підхід прямо вказує на існування у них відмінної від нуля ентропії і температури, дозволяючи здійснити безпосередній перехід від затвердження «зовнішній спостерігач позбавлений інформації про внутрішній частині чорної діри» до затвердження «такий спостерігач побачить чорну діру як гаряче тіло ».

З іншого боку, фізика чорних дір підкріпила інформаційний підхід, підтвердивши, що нестача інформації про систему, з чим би він не був пов'язаний, дійсно проявляється у виникненні у неї теплових властивостей. Сьогодні, після відкриття ефекту Хокінга та інших ефектів такого ж роду, нам відомо вже кілька механізмів втрати інформації і відповідно кілька механізмів появи теплових властивостей у динамічній сістеми.ЕНТРОПІЯ ТА ІНФОРМАЦІЯ.

Перш ніж давати кількісну формулювання інформаційного підходу до термодинаміки, нагадаємо звичайну картину переходу динамічної системи в стан термодинамічної рівноваги. У процесі такого переходу система швидко «забуває» своє початкове стан, що відбувається внаслідок «заплутування» (стохастизації) руху складових її частинок. Це викликається динамічними неустойчивостями в системі, які ведуть до посилення неминуче присутніх малих невизначеностей початкових значень динамічних змінних. В результаті виникає швидке перемішування станів частинок і рівномірне заповнення всієї доступної цій системі області значень динамічних змінних.

Такий стан системи, що відповідає равновероятности всіх можливих мікроскопічних станів складових її частинок, описується так званим канонічним розподілом. З нього автоматично випливає, що будь-яка досить велика частина системи описується формулою Гіббса.

Оскільки рівноважна система «забуває» своє початкове стан, вона характеризується істотно меншим числом параметрів (енергією або температурою, тиском або об'ємом тощо), ніж повне число її ступенів свободи. Тому стан термодинамічної рівноваги вироджуючись: кожному набору тільки що перерахованих макроскопічних параметрів відповідає величезне число N різних микростанів системи, що реалізують цей набір. Мірою цього виродження і служить ентропія системи S = ??k ln N.

Рівноймовірно різних микростанів термодинамічно рівноважної системи означає, що ніяке з них не можна віддати перевагу іншому. Тому чим більше величина N, тим меншим обсягом відомостей про мікроструктурі системи ми маємо, і ентропію можна вважати мірою неповноти інформації про справжню мікроскопічної структурі рівноважної системи.

Ми підійшли, таким чином, до інформаційного визначенню ентропії. Щоб дати його точне формулювання, потрібно ввести наступне найпростіше визначення зміни кількості інформації ?І при деякому процесі. Якщо спочатку малося P рівноймовірно відповідей на питання, що стосується будь-якого предмета чи явища, а в кінці їх число стало p, то зміна інформації про цей предмет або явище є

?І = k ln (P / p).

Якщо P> p, ми маємо справу з приростом інформації (наші відомості стали більш визначеними), в зворотному випадку - з її спадом.

Застосуємо сказане до процесу переходу динамічної системи в стан термодинамічної рівноваги (рис.2).

Рис. 2. Приклад, що ілюструє справедливість співвідношення ?І = -?S - необоротне розширення газу в порожнечу.

Спочатку газ займає ліву половину пристрою - обсяг v0 (вгорі). Після підняття заслінки газ розширюється, заповнюючи вдвічі більший обсяг. В результаті невизначеність у положенні молекул газу (і число відповідей на відповідне запитання) також збільшується вдвічі: P / p = 1/2. Відповідно спад інформації про становище молекул буде визначатися співвідношенням ?I = -k ln 2. З термодинаміки відомо, що приріст ентропії (на одну молекулу) при такому процесі є ?S = k ln 2, що точно відповідає рівності ?S = -?I .

Спочатку система була чисто динамічної, її ентропія дорівнювала нулю, і ми точно знали відповідь на питання про її микростанів: P = 1. Наприкінці її ентропія збільшилася на ?S, а число відповідей на зазначене питання виросло до значення N. Тому ?I = -k ln N, і ми приходимо до важливого співвідношенню: ?S = - ?I.

Зменшення кількості інформації про фізичну системі відповідає збільшенню її ентропіі1. Більш того, якщо ця втрата інформації така, що відображає рівноймовірно всіх допустимих микростанів, то наша система описується канонічним розподілом, а її підсистеми - формулою Гіббса. Оскільки в наведених міркуваннях неможливо фігурував конкретний механізм втрати інформації, сказане в рівній мірі відноситься і до звичайного гарячого тіла, і до чорної діри. Можна додати, що наші твердження не суперечать звичайному уявленню про те, що тепло відповідає хаотичного стану речовини. Адже хаос в самому широкому сенсі - це і є рівноймовірно різних микростанів, коли жодне з них не можна віддати перевагу іншому. Одночасно це і відсутність інформації про внутрішню структуру системи.

Важливо підкреслити, що, говорячи про неповноту і втрати інформації, ми мали на увазі, звичайно, об'єктивну неможливість отримати інформацію про стан системи - неможливість, характеріхующую саму систему, а не суб'єкта-спостерігача. Останній міг би просто відмовитися від отримання повної інформації, не використовуючи, наприклад, всіх можливостей вимірювальної техніки. Зрозуміло, до такої ситуації сказане вище ні в найменшій мірі не відноситься. Досить згадати розглянутий вище приклад народження пар в електричному полі, коли відмова реєструвати позитронну компоненту випромінювання хоча і означає втрату інформації, однак не призводить до термодинамічної формулою Гіббса. У той же час народження пар в полі тяжіння, коли є горизонт подій і втрата інформації має об'єктивний, непереборний характер, веде саме до цієї формуле.ЧЕРНИЕ ДІРИ І ЧАС. Ефект уповільнення ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.

Щільне тіло великої маси не тільки змінює геометричні властивості простору навколо себе, а й впливає на темп перебігу часу і швидкості, що протікають поблизу процесів.

Нехай ?t - інтервал часу між двома подіями, які відбуваються на відстані r від центру тіла (r = R тіла), таким чином, події відбуваються на поверхні тіла. Значить, t - власний час, час, виміряний спостерігачем на поверхні тіла.

Нехай ?? - проміжок часу між цими ж подіями, який фіксуватиме спостерігач, віддалений від цього тіла «на нескінченність» (так зване координатне час).

З теорії відносності випливає, що обидва ці інтервалу пов'язані між собою співвідношенням ([4], с.334):

?? = ?t / v (1-Rg / r) = ?t / v (1-2GM / rc2)

Видно, що якщо r >> Rg, то ?? = ?t - на великих відстанях від гравитирующей маси координатне час збігається з собствееним, тобто де б ми не знаходилися на поверхні цього тіла або багато далі від нього часом буде одне і те ж. Але якщо r > Rg, то при будь-якому інтервалі власного времені?t маємо ?? > ?, тобто, якщо спостерігач знаходиться на великій відстані від чорної діри, то йому здається, що час між подіями змінюється надто повільно, а спостерігач знаходиться на поверхні чорної діри скаже, що час між подіями практично не помітно.

Під інтервалом часу ?t можна мати на увазі і період електромагнітної хвилі T = 1 / ? = ? / c, таким чином ? = ?0 / v (1-Rg / r).

Звідси випливає, що довжина хвилі ?, регистрируемая спостерігачем, буде більше довжини хвилі ?0, испускаемой атоіоі на відстані r від центру конфігурації, і при r > Rg, ? > ?.

Цей ефект уповільнення часу - ефект червоного зсуву довжин хвиль поблизу гравитирующей маси (необхідно враховувати при вивченні стиснення ядра зірки великої на кінцевому етапі еволюції).

Після того, як поверхневі шари зірки перетнуть сферу Шварцшильда, що випускаються ними промені світла вже не можуть вийти до віддаленого спостерігачеві. Тому сфера Шварцшильда іменується ще горизонтом подій, а стиснення зірки за неї - гравітаційним самозамиканіем.

Уявімо собі, що спостерігач «вигідно» влаштувався на верхньому шарі сжимающегося ядра. Він фіксує свій власний час. Він виявив, що від початку руху з відстані r = 10Rgдо r = Rgпрошло кілька секунд. Швидкість руху збільшилася до швидкості світла. Перехід через поверхню сфери Шварцшильда для нього тривав мить.

Зовсім іншу картину фіксує спостерігач, який сидить біля телескопа в далекій галактиці. Для нього швидкість руху верхнього шару V спочатку так само зростає (при r = 2Rg, V = ?c!), Потім рух сповільнюється, і при r > Rgуменьшается до нуля. Момент проходження через поверхню сфери Шварцшильда, з точки зору віддаленого спостерігача «відстрочений» в нескінченно далеке будущее.КВАНТ ПРОСТОРУ - ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ чорної діри.

Не знаючи ніякої теорії про чорні діри, так само можна отримати формулу для кванта часу т простору в сингулярності (? > ?). А отримати це можна, використовуючи метод розмірностей.

Так як гравітація тут дуже велика, то квант часу в сингулярності (і простору квант) залежить від G- гравітаційної постійної. А раз мова йде про те, що час і лінійні розміри, які є якісними характеристиками в чорних дірах, не є постійно поточними, а, навпаки, є переривчастими. Тобто час квантуется, значить, квант часу залежить від постійної Планка (ћ). І ще квант часу (?) залежить від швидкості світла (c). Тобто система параметрів така: ?, О, G, c.

Складемо з цих параметрів безрозмірну комбінацію, за допомогою якої знайдемо формулу для кванта часу.

? * ћx * cy * Gz = 1 (1)

Визначимося з размерностями фізичних величин, що входять у вираз (1): [ћ] = Дж * с = Н * м * с = кг * м * с-2 * м * с = кг * м? * с-1; [C] = м * с-1; [G] = м? * с-2кг-1; [?] = с.

Підставами замість параметрів їх одиниці виміру в рівняння (1) і спростимо його.

з * кгx * м2x * с-x * мy * с-y * м3z * с-2z * кг-z = 1.

з1-x-y-2z * кгx-z * м2x + y + 3z = 1.

Вираз (1) тільки тоді буде безрозмірним, якщо показники ступенів будуть рівні нулю.

1-x-y-2z = 0 x = -1 / 2?

x-z = 0 => z = -1 / 2

2x + y + 3z = 0 y = 2.5

Підставами в рівняння (1) значення x, y, z.

? ћ-1 / 2c5 / 2G-1/2 = 1

? = v (ћG / c5) (2)

Тобто ми отримали, користуючись теорією размерностей формулу для кванта часу, а знаючи його формулу можна отримати формулу для кванта простору в сингулярності (l = c * ?)

l = v (ћG / c3) (3)

Лінійні характеристики так само не є безперервними величинами, тобто квантуються. Таким чином, видно, що не знаючи складної теорії, можна досить просто отримати якісні характеристики для чорних дір. Найголовніше правильно визначити систему параметров.ТІПИ чорних дір.

До цих пір ми говорили про виникнення у Всесвіті чорних дір зоряного походження. Астрономи мають всі підстави припускати, що, крім зіркових чорних дір, є ще інші дірки, які мають зовсім іншу історію.

З теорії зоряної еволюції відомо, що чорні діри можуть виникати на заключних стадіях життя зірки, коли вона втрачає стійкість і відчуває необмежену стиск під дією сил тяжіння. При цьому маса зірки повинна бути досить велика, інакше еволюція зірки може закінчитися утворенням або білого карлика, або нейтронної зірки. ([1] .с.82)

Крім чорних дір (звичайних), що виникають в кінці зоряної еволюції і мають такі ж маси, як зірки, можуть існувати і більш масивні чорні діри, що утворюються, наприклад, в результаті стиснення великих мас газу в центрі кульових зоряних скупчень, в ядрах галактик або в квазарах.

А чи можуть існувати у Всесвіті чорні діри, маса яких у багато разів менше маси звичайних зірок?

Згідно сучасним космологічним уявленням Всесвіт розширюється від сверхсжатого сингулярного стану. Можна припускати, що речовина у Всесвіті в ході її розширення пройшло всі стадії від щільності ~ 1093р / см? до сьогоднішньої середньої щільності, що не перевершує 10-29г / см?. Значить, в далекому минулому Всесвіту, коли щільність речовини була чудовещно велика, були передумови для виникнення чорних дір як завгодно малих мас. На можливість їх виникнення вперше вказали Я.Б. Зельдович і І.Д. Новиков ще в шістдесятих роках. Знайти настільки малі освіти у величезних просторах космосу надзвичайно важко, і тому вони ще не виявлені. Сьогодні різні способи пошуків таких чорних дір, що одержали назву первинних, - предмет численних досліджень і дискусій.

На початку 60-х років нашого століття були відкриті незвичайні небесні тіла - квазари.

У перебігу минулих десятиліть з'ясувалося, що квазари - це незвично активні випромінюють ядра великих галактик. Часто в них спостерігаються потужні рухи газів. Самі зірки галактики навколо таких ядер зазвичай не видно з-за величезної відстані і порівняно слабкого їх свічення в порівнянні зі свіченням квазара. З'ясувалося також, що ядра багатьох галактик нагадують свого роду маленькі квазарчікі і виявляють іноді бурхливу активність - викид газу, зміна яскравості і т.д., - хоча і не таку потужну, як справжні квазари. Навіть в ядрах зовсім звичайних галактик, включаючи нашу власну, спостерігаються процеси, які свідчать про те, що і тут "працює" маленьке подобу квазара.

Те, що в центрі галактики може виникнути гігантська чорна діра, тепер здається природним. Справді, газ, що знаходиться в галактиках між зірками, поступово під дією тяжіння повинен осідати до центру, формуючи величезну газову хмару. Стиснення цієї хмари або його частини повинно призвести до виникнення чорної діри. Крім того, в центральних частинах галактик знаходяться компактні зоряні скупчення, що містять мільйони зірок. Зірки тут можуть руйнуватися приливними силами при близьких прхожденіях близько вже виникла чорної діри, а газ цих зруйнованих зірок, рухаючись близько чорної діри, потім потрапляє в неї.

Падіння газу в сверхмассивную чорну діру має супроводжуватися явищами, подібними до тих, про які ми говорили в разі зіркових чорних дір. Тільки тут має відбуватися прискорення заряджених частинок в змінних магнітних полях, які приносяться до чорної діри разом з падаючим газом.

Все це разом і призводить до явища квазара і до активності галактичних ядер.ЗАКЛЮЧЕНІЕ.

Чорні діри - абсолютно виняткові об'єкти, не схожі ні на що, відоме досі. Це не тіла в звичайному сенсі слова і не випромінювання. Це діри в просторі і часі, що виникають через дуже сильного викривлення простору та зміни характеру плину часу в стрімко наростаючому гравітаційному полі.

Чорні діри є в певному сенсі і дуже простими об'єктами. Їх властивості ніяк не залежать від властивостей сколлапсировала речовини, від усіх складнощів будови речовини, його атомної структури, що знаходяться в ньому фізичних полів, не залежать від того, чи було речовина воднем або залізом і т.д. При утворенні чорної діри для зовнішнього спостерігача всі властивості сколлапсировала тіла як би 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. Так що з повною визначеністю можна сказати, що немає нічого простішого чорної діри.

Але і немає нічого більш складного, ніж чорна діра, - адже людську уяву навіть не в змозі уявити собі, до якої міри відбувається іскрівленін простору і зміна плину часу, що в них виникає дира.СПІСОК ЛІТЕРАТУРИ.

1. Минуле і майбутнє Всесвіту. Під ред. А.М. Черепащук, М., Наука, 1986р.

2. І.Новіков. Чорні діри і Всесвіт. М., "Молода гвардія", 1985р.

3. Дж.Нарлікар. Від чорних хмар до чорних дірок. М., Вища школа, 1989р.

4. І.А.Клімішин. Астрономія наших днів. М., Наука, 1986р.

5. І.Ніколсон. Тяжіння, чорні діри і Всесвіт. М., Мир, 1983р.

6. Я.А. Смородинский. Температура. М., Наука, 1987р.

7. Енциклопедичний словник з фізики.

8. Енциклопедичний словник юного астронома.

1 До цього висновку можна прийти, якщо скористатися законом збереження енергії в класичній механіці; енергія світловий корпускули маси m на поверхні тіла маси M, рівна mc? / 2-GmM / Rg, повинна бути менше нуля (її мінімальної енергії на бесконечнрсті).

1 Тому сама назва «чорна діра», введене ще до відкриття ефекту Хокінга, втратило свій первісний зміст.

2 Фізичний вакуум (сучасний аналог поняття порожнечі) - стан, в якому відсутні реальні частки.

3 Горизонт подій - це поверхня сфери гравітаційного радіуса

1 Це справедливо тільки в неквантовой теорії тяжіння: ефект Хокінга веде до зменшення поверхні, що супроводжується зростанням ентропії, пов'язаної з випромінюванням.

2 Для простоти виписана лише теплова складова dE. Доданок, що відповідає роботі, має для обертового зарядженого тіла вид ?dJ + ?dQ, де ? - кутова швидкість; ? - електричний потенціал. Точно таке ж доданок виникає у виразі для зміни енергії обертається зарядженої чорної діри.

1 Ця робота реалізується у вигляді потужного випромінювання електромагнітних і гравітаційних хвиль.

1 Можна говорити, що фотони, провалюючись в чорну діру, набувають негативну (потенційну) енергію.

1 Зазначимо, що може мати місце і зворотна ситуація, коли придбання додаткової інформації про внутрішній стан системи може бути використано для зменшення її ентропії, тобто для часткового її упорядкування. Саме на цьому заснована наука про управління. Відповідні технічні пристрої - регулятори - обов'язково мають спеціальний орган для добування інформації про регульовану систему.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка