Министерство  образования и науки Российской Федерации

Ростовский  государственный экономического университет  «РИНХ»

Юридический факультет

Кафедра философии и культурологии 
 
 
 

Р Е Ф  Е Р А Т

по курсу  «Концепции современного естествознания»  на тему:

  «Черные дыры

и пространственно-временные  парадоксы» 
 
 
 
 

Выполнил:

 студент  группы MAPZ-211

Гаврилова Ирина Станиславовна 

Проверил:

к.ф.н., доцент Панычик А.В.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ростов-на-Дону – 2011 

 

Содержание

 

Введение

 

      На Западе их называют "червоточинами" (wormholes), у нас - пространственно-временными  проколами. Так или иначе, эти самые червоточины - своего рода соединительные мосты между двумя пространственно-временными континуумами - послужили многим поколениям писателей-фантастов прекрасным средством преодолевать любые расстояния со сверхсветовыми или вообще бесконечными скоростями.

    В научном мире интерес к черным дырам то затихает (когда уже кажется, что все их тайны разгаданы), то снова разгорается (когда в очередной раз оказывается, что это далеко не так). Впрочем, в последнее время от отсутствия внимания черные дыры явно не страдали. Мосты Эйнштейна-Розена (они же - "червячные норы"), "машины времени", возможное образование мини-дыр в атмосферных ливнях частиц, порождаемых высокоэнергичными космическими лучами (если справедливы предположения о том, что число пространственных макроизмерений нашего мира больше трех), - вот лишь короткий список "горячих" научных тем последнего времени, в которых черные дыры играют главную роль.

 

Черные дыры –  что это?

    Теоретическая данность под названием "чёрная дыра", в сущности, так и остаётся теоретической, хотя астрономы сформировали довольно стройную, на первый взгляд, картину  физики чёрных дыр, причин их образования и воздействия на пространственно-временной континуум.

    В сущности говоря, чёрной дырой астрономы  называют не какой-то физический объект, а область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу - за "горизонт событий".

    Доминирующая  теория гласит, что чёрные дыры возникают  на месте выгоревших массивных звёзд: при коллапсе светила плотность  вещества становится настолько высокой, что гравитационное притяжение в  этой области начинает втягивать в себя окружающую материю.

    Астрономы считают также, что сверхмассивные чёрные дыры присутствуют в центре большинства (если не всех) галактик, и  гравитационное воздействие центровых  чёрных дыр оказывает значительное влияние на их - галактик - целостность.

    Однако  и эти представления пошатнулись  в свете недавних открытий. С помощью  рентгеновского телескопа Chandra сотрудники Смитсоновского института астрофизики  обнаружили свидетельства существования  в центре квазара SDSSp J1306 полноценной (и очень-очень крупной) чёрной дыры. Всё дело в том, что расстояние до этого квазара составляет приблизительно 12,7 млрд. световых лет. Учитывая, что возраст нашей Вселенной равен около 13,7 млрд. лет, то получается, что мы видим этот квазар таким, каким он был спустя всего лишь миллиард лет после Большого взрыва.

    Для образования чёрной дыры, которая  выделяет больше энергии, чем двадцать триллионов Солнц, миллиард лет после  образования Вселенной - это как-то рановато.

    Однако  это не ошибка в расчётах: немногим ранее американские и британские астрофизики с помощью рентгеновского спутника XMM-Newton наблюдали квазар SDSSp J1030, располагающийся на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет от нас, и также обнаружили признаки существования гигантской чёрной дыры; спектры рентгеновского излучения, наблюдаемого в обоих квазарах, очень похожи, так что существование таких вот "реликтовых" чёрных дыр - это тоже данность, похоже.

    Наблюдать чёрную дыру напрямую невозможно: за горизонт событий, как уже сказано, не проникает даже свет, стало быть, остаются только косвенные признаки.

    А именно, аккреционные диски. Диском аккреции называют газовый диск, вращающийся  вокруг чёрной дыры. Он образуется при  падении вещества на эту самую  чёрную дыру. Температура вещества в таком диске может достигать миллиардов градусов, и именно эти диски и являются источниками мощного рентгеновского излучения, по которому и вычисляют чёрные дыры.

    Механика  образования чёрных дыр неразрывно связана со взрывами сверхновых. Весь процесс приблизительно выглядит следующим образом.

    При "выгорании" звезды внутри неё  прекращается термоядерная реакция, и  происходит взрыв с выбрасыванием  части поверхностных слоёв звёздного  материала в окружающее пространство. Эти "ошмётки" разлетаются со скоростью  в десятки тысяч километров в секунду, сдавливая, сжимая межзвёздное вещество (пыль и газы), вследствие чего, с одной стороны, разлёт тормозится, а с другой, столкновение расширяющейся оболочки с неподвижным межзвёздным газом порождает ударную волну, в которой газ нагревается до миллионов кельвинов и становится источником рентгеновского излучения (подробнее здесь).

    В "выгоревшей" звезде, с прекращением термоядерной реакции исчезает и  радиационное давление. Под воздействием собственной гравитации и при  отсутствии радиационного давления, "надувающего" звезду, остатки мёртвой звезды сжимаются, в результате чего возникает сгусток исключительно плотного вещества с сильнейшей гравитацией.

    Это либо нейтронная звезда (обыкновенно, это пульсар), либо чёрная дыра.

    По  словам Дэниела Шварца, одного из астрономов, изучавших квазар SDSSp J1306, полученные им и его коллегами результаты ясно свидетельствуют о том, что механизм испускания чёрными дырами рентгеновских лучей не менялся с самых древнейших времён.

    Вопрос  в том, откуда взялась настолько массивная чёрная дыра в столь молодом звёздном скоплении.

    Надо  сказать, что самые первые звёзды, ещё лишённые "металлов" (т.е. веществ  с большей атомной массой, нежели водород и гелий), по выкладкам  астрономов должны были иметь колоссальные размеры. Однако неизвестно, могла ли из одной "неметаллической" звезды, пусть даже очень крупной и массивной, получиться столь гигантская и активная чёрная дыра, как в SDSSp J1306.

    Учёные  предполагают, что она могла образоваться в результате слияния миллионов среднекалиберных или даже малых чёрных дыр, образовавшихся вследствие коллапсов массивных звёзд в молодой галактике. В результате возникла чёрная дыра с массой, в миллиарды раз превышающей массу Солнца.

 

Анизотропное шоссе

    Насколько нам известно, первым ученым, придумавшим объект, напоминающий черную дыру, был английский священник и теолог, один из основателей научной сейсмологии Джон Митчелл. В 1783 году он изложил свои соображения в докладе Лондонскому Королевскому обществу.

    Но, как часто бывало в истории науки, сообщение осталось практически незамеченным, так что долгое время приоритет отдавался знаменитому французскому ученому Лапласу, через одиннадцать лет после Митчелла пришедшему к похожим выводам и опубликовавшему их в своей книге "Изложение системы мира". Доклад Митчелла был найден в "Философских трудах Лондонского Королевского общества" только в 1984 году.

    Идея  Митчелла и Лапласа была очень  простой: они предположили, что в  природе могут существовать тела, для которых вторая космическая  скорость превышает скорость света. Поэтому такие тела будут невидимыми для наблюдателя, хотя и могут проявлять себя гравитационным воздействием на другие объекты. По словам Лапласа, "звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз большим диаметра Солнца не дает световому лучу достичь нас благодаря своему тяготению, а потому не исключено, что самые яркие тела во Вселенной по этой причине невидимы". А Митчелл предложил искать такие звезды по анализу движения второй звезды в двойной системе - метод, широко использующийся сейчас для обнаружения черных дыр.

    Математически соображения двух ученых сводятся к  нахождению радиуса R звезды массы M, для  которой вторая космическая скорость равна скорости света с. Путем  несложных преобразований получаем: 

R_g = 2GM/c²,  

где R_g  - так называемый гравитационный радиус тела, G - постоянная тяготения.

    Увы, все эти рассуждения были неправильными. При скоростях, близких к скорости света, формула для кинетической энергии сильно отличается от классического  случая. Формула для потенциальной энергии в мощных гравитационных полях тоже меняет вид. Да и отношение к свету как к потоку маленьких пушечных ядер неправомерно: в частности, скорость света, как известно, константа и, следовательно, не может стремиться к нулю (пусть и на бесконечности).

    Решение для черной дыры, свободное от этих недостатков, было получено в 1916 году немецким астрономом Карлом Шварцшильдом на основе анализа уравнений общей теории относительности, незадолго до этого  выведенных Альбертом Эйнштейном. Довольно неожиданно, но в этом точном решении появляется величина размерности расстояния, выражение для которой совпадает с уже выписанной "неправильной" формулой.

    Казалось  бы, это не очень распространенный, но все же порой встречающийся  в науке случай, когда ошибки "упрощенного" решения компенсируют друг друга. На самом деле это, конечно, не так. В решении Шварцшильда на радиусе R_g  происходит нечто большее, чем просто выравнивание скорости света и второй космической скорости. И даже не "большее", а принципиально иное.

    Есть  такой вопрос на сообразительность: можно ли добраться до Луны на ракете, летящей со скоростью "Запорожца"? Несмотря на то что вопрос несложный, очень часто на него отвечают "нет". Нужна, дескать, вторая космическая  скорость (или чуть меньшая при полете по эллипсу).

    На  самом деле ответ, конечно, неверный, долететь до Луны можно. Формулы для  космических скоростей справедливы  для тела, летящего свободно (после  первоначального толчка). Если же двигатель  ракеты будет работать непрерывно, то достичь нашего спутника можно даже со скоростью черепахи (рано или поздно). Иное дело, что такой полет потребует гигантского расхода горючего. Другим примером является подъем по лестнице - так можно подняться на высоту, до которой никогда не удалось бы допрыгнуть. А располагая лестницей необходимой длины, можно повторить подвиг барона Мюнхгаузена из бессмертного кинофильма (1 Сейчас, кстати, развивается вовсе не фантастический проект космического лифта, который - если будет реализован - ничем не уступит "решению" барона Мюнхгаузена. - Прим. ред.).

    Все меняется, если перейти к рассмотрению черной дыры. Если мы находимся внутри так называемой сферы Шварцшильда (сферы радиуса R_g , описанной вокруг центра черной дыры), то выбраться "наружу" нельзя никаким образом. Даже по лестнице…

    Именно  поэтому границу сферы Шварцшильда  часто называют горизонтом событий. А также - односторонней проводящей мембраной. Ведь, в отличие от известного анекдота, "выйти через вход" нельзя. Горизонт событий в чем-то очень похож на анизотропное шоссе из романа братьев Стругацких "Трудно быть богом".

"У  черных дыр нет  волос"

 

    Что произойдет, если две черные дыры столкнутся друг с другом? Образуют ли они новую, более массивную черную дыру? Астрофизик Дэвид Меррит полагает, что грандиозные  гравитационные возмущения могут привести к обратному результату: одна из черных дыр может даже покинуть приютившую ее галактику. Причем чем меньше галактика, тем больше шансов на подобный исход. Наблюдений, подтверждающих правоту Меррита, пока нет, однако его теория объясняет, почему в карликовых галактиках и шаровых скоплениях черных дыр не обнаружено (не очень понятно, что делать с черными дырами в шаровых скоплениях G1 и M15, но Мерриту, вероятно, виднее). На снимке, сделанном с помощью телескопа Habble, изображены две спиральные галактики, проходящие мимо друг друга. Та, что побольше и потяжелее, - NGC 2207 (на снимке слева), та, что поменьше и полегче, - IC 2163. Мы видим, как искажается форма меньшей галактики под воздействием столкновения.