Реферат
Виконала студентка 1 курсу 4 групи економічного факультету Болотова Поліна
Ульяновська державна сільськогосподарська академія
Введення
"З усіх вигадок людського розуму, від єдинорогів і химер до водневої бомби, напевно, саме фантастичне - це образ чорний діри, відокремленою 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 у реальному Всесвіту. І тим не менше закони сучасної фізики фактично вимагають, щоб чорні діри існували. Можливо, тільки наша Галактика містить мільйони їх "- так сказав про чорні діри американський фізик К. Торн.
1. Чорні діри
Чорні діри - один з найбільш незвичайних об'єктів, передбачаються загальною теорією відносності Ейнштейна. У чорних дір цікава історія, оскільки вони піднесли теоретикам чимало сюрпризів, які призвели до кращого розуміння природи простору-часу.
Давайте почнемо з теорії всесвітнього тяжіння Ньютона. Силу гравітаційного тяжіння ми випробовуємо прямо тут, на поверхні землі. Якщо підкинути камінь, він впаде під дією земного тяжіння. А чи можна підкинути камінь з такою швидкістю, щоб він на Землю не повернувся? Можна. Якщо запустити камінь зі швидкістю вище другого космічної швидкості (близько 11 км/с), він покине гравітаційне поле Землі. Ця В«Швидкість виходуВ» залежить від маси і радіусу земної кулі. Якби Земля при її нинішньому радіусі була масивніше або мала б менший радіус при її нинішньої масі, швидкість виходу була б вищою. Виникає питання: що буде, якщо щільність і маса космічного тіла настільки великі, що швидкість виходу з його гравітаційного поля вище швидкості світла? Відповідь: таке тіло буде представлятися зовнішньому спостерігачеві абсолютно чорним, оскільки світло його покинути не може. Наприклад, зірка з радіусом менше, ніж
де GN - постійна Ньютона, а с - швидкість світла у вакуумі, виглядатиме абсолютно чорною.
Для тих, хто не розбирається у формулах, наведу кілька прикладів. Щоб тіло, маса якого дорівнює масі Землі, перетворилося на чорну діру, воно повинно мати радіус менше сантиметра. Тіло з масою Сонця повинно стиснутися до діаметра менше кілометра. На це ще в кінці XVIII століття вказав П'єр-Симон Лаплас, але тоді ніхто не надав цьому особливого значення.
З появою в 1905 році спеціальної теорії відносності у нас з'явилося розуміння того факту, що швидкість світла у вакуумі - не рядова швидкість. Це космічний межа: ніщо не може рухатися швидше світла. Теорія відносності Ейнштейна також вчить нас, що простір і час тісно взаємопов'язані. Для спостерігачів, які рухаються один щодо одного, час тече з різною швидкістю. Припустимо, ви стоїте на вулиці і дивіться на проїжджаючі машини. Для водіїв машин час тече трохи повільніше, ніж для вас, і трохи інакше. Припустимо, ви бачите, як два світлофора в різних кінцях вулиці одночасно перемикаються на червоний. Для водіїв же вони переключаться не одночасно. Це виходить після того, як ми врахуємо час, що потрібно світла, щоб пройти відстань від світлофора до спостерігачів. І для вас, і для водіїв світло рухається з однаковою швидкістю, але час для них тече повільніше. Тобто, час відносно, а швидкість світла абсолютна. Це суперечить нашим інтуїтивним уявленням про світі, так як ефект цей на нас практично не позначається, оскільки ми зазвичай подорожуємо на швидкостях, які дуже далекі від швидкості світла, а час вимірюємо не з абсолютною точністю. Однак в прискорювачах елементарних частинок цей ефект спостерігається постійно. При швидкостях, близьких до швидкості світла, частинки живуть значно довше.
Простір і час об'єднуються в єдину концепцію простору-часу. Час сприймається по-різному двома спостерігачами, рухомими відносно один одного. Однак обидва спостерігача сприймають один і той же простір-час. Є точні формули, які дозволяють нам зв'язати спостереження цих двох спостерігачів.
Тепер повернемося до гравітації. Вона володіє дуже важливою властивістю, що відкрив ще Галілей: всі тіла падають однаково, якщо не враховувати опір повітря. В безповітряному просторі пушинка і камінь впадуть на землю одночасно. В випадку дії інших сил це не так. В електричному полі заряджена частинка буде рухатися інакше у разі зміни її маси або заряду. У теорії всесвітнього тяжіння Ньютона причина, по якій всі тіла рухаються під впливом гравітаційних сил однаково, зводиться до того, що сила гравітаційного тяжіння пропорційна масі тіла. Іноді це називають В«Принципом еквівалентностіВ».
Ейнштейн усвідомив, що теорія Ньютона суперечить теорії відносності, оскільки згідно ньютонівської теорії гравітаційна взаємодія між тілами передається миттєво. У 1915 році Ейнштейн вирішив цю проблему таким чином, що з цього рішення природним шляхом випливає і принцип еквівалентності. Свою нову концепцію Ейнштейн назвав загальною теорією відносності. Він припустив, що гравітація виникає внаслідок викривлення простору-часу. У викривленому просторі-часі частки рухаються по найкоротших траєкторіях. Спочатку паралельні лінії таких траєкторій у викривленому просторі-часі можуть зближуватися. Наприклад, два земних меридіана на перетині з екватором паралельні, однак по мірі віддалення від нього вони зближуються і, в остаточному підсумку, перетинаються в точці Північного полюса. Конфігурація простору-часу залежить від матерії, яка переміщується у ньому. Загальна теорія відносності увазі, що темп часу залежить від гравітаційного поля. Отже, два мешканця одного будинку, що мешкають на першому і останньому поверхах, сприймають хід часу по-різному. Для мешканця першого поверху час тече трохи повільніше, ніж для мешканця верхнього поверху. Для земних будівель цей ефект пренебрежимо малий і становить близько 10-15 секунди за секунду. Головне, що нам потрібно засвоїти, це те, що масивні тіла стягують простір-час на себе. В Зокрема, поблизу масивних об'єктів час тече повільніше, ніж на видаленні від них.
Фізики завжди прагнуть спочатку розібрати найпростіші ситуації. Тому в 1916 році, незабаром після відкриття загальної теорії відносності, молодий німецький фізик Карл Шварцшильда (Karl Schwarzschield) знайшов найпростіше сферично симетричне рішення рівнянь Ейнштейна. Це рішення описує окремий випадок викривлення геометрії простору-часу під впливом точкової маси. Однак, замість геометрії, давайте звернемо увагу на інший їх аспект: темп ходу стаціонарних годин. Годинник на поверхні Сонця йдуть на одну мільйонну повільніше, ніж віддалені від Сонця годинник. Годинник на поверхні нейтронної зірки йдуть зі швидкістю 70% від швидкості годин далеко від неї. Тут у наявності вже досить значний ефект розбіжності в часі. Так от, рішення Шварцшильда увазі, що годинник у В«ЦентріВ» точкової маси взагалі зупинилися б. Спочатку фізики визнали це В«НефізичноїВ» парадоксом, наслідком занадто спрощеного аналізу.
Подальші розрахунки показали, однак, що мова в рішенні Шварцшильда йде навіть не про якийсь умовному В«ЦентріВ», а про цілу ідеальної сфері. Мандрівник, що перетинає кордони цієї сфери і потрапляє всередину неї, не відчуває нічого дивного чи незвичайного - для нього час тече як і раніше. А ось для сторонніх спостерігачів за межами цієї сфери, що приймають сигнали від падаючого всередину сфери мандрівника, будь сигнали від нього будуть неухильно сповільнюватися, поки не зникнуть, як такі, при перетині ним поверхні сфери. Поверхня, на якій стаціонарні годинник сповільнюються до нуля, прийнято називати сферою Шварцшильда або В«горизонтомВ». Повернення з-за обрію немає. Спостерігач, що перетнув його і потрапив всередину сфери, назад не вибереться і буде неминуче поглинений сингулярніс...
