Цитата сообщения -ЭПОХА_ВОДОЛЕЯ- От атома до черной черной дыры



Английский физик Стивен Хокинг, автор уникальной теории черных дыр, представил новое объяснение парадоксу связанного с их существованием и опроверг некоторые, сделанные ранее предположений. Выступая с докладом на научной конференции в ирландском Дублине, ученый заявил, о том, что ранее ошибался, доказывая, что черные дыры поглощают все, что в них попадает. Теперь ученый уверен: черные дыры обладают свойством «выпускать» информацию.

Одной из главных загадок в современной астрофизике остается «Информационный парадокс черных дыр», и новые исследования профессора Хокинга, вероятно, помогут его устранить. Предложенная в 1975 году Хокингом теория черных дыр, считается одним из самых больших прорывов в данной сфере.

Для начала необходимо понять, как появляются черные дыры. В 1783 году английский математик Митчел, а в 1796 году независимо от него французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас, рассмотрели условия, при наличии которых свет не способен покинуть звезду.

При проведении исследования логика ученых была достаточно проста. Для каждого астрономического объекта можно рассчитать вторую космическую скорость или скорость убегания, позволяющую любому физическому телу или частице совсем его покинуть. Но в физике того времени господствовала безраздельно теория Ньютона, согласно которой свет представляет собой поток частиц. Рассчитать скорость убегания частиц и тел можно исходя из равенства кинетической энергии объекта переместившегося на бесконечное расстояние и потенциальной энергии поверхности планеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бесконечно большое расстояние.



Так в частности ученые рассчитали, что Солнце превратится в черную дыру, в том случае если сожмется до радиуса не более 3-х километров. Плотность его вещества во время этого процесса достигнет 1016 г/см3. Радиус нашей планеты Земли, сжатой до черной дыры, уменьшится до одного сантиметра.

Кажется невероятным, что в природе есть силы, которые способны сжать звезду до таких ничтожных размеров. С учетом этого выводы из работ Лапласа и Митчела более ста лет называли математическим парадоксом, который не имеет физического смысла и научной логики.

Реальное математическое доказательство этого, было получено лишь в 1916 году. Немецкий астроном и математик Карл Шварцшильд, проведя исследование уравнений теории относительности Эйнштейна, получил довольно интересный результат. Сделав анализ движение частицы попавшей в гравитационное поле массивного объекта, он пришел к выводу, что уравнение не имеет физического смысла, так как его итоговое решение обращается в бесконечность.

 

Точки, в которых физические характеристики поля теряют свой смысл, называются сингулярными или особыми. Сингулярность в точке нуль отражает точечную центрально-симметричную структуру силового поля. А точки, находящиеся на сферической поверхности, образуют ту самую поверхность, скорость убегания с которой равна скорости света. В теории относительности она называется горизонтом событий или сингулярной сферой Шварцшильда.

Уже на примере Земли и Солнца становится понятно, что черные дыры являются весьма странными космическими объектами. Даже астрономы, которые имеют дело с веществом при особых значениях температуры, давления и плотности, считают их крайне экзотическими, и долгое время далеко не все верили в реальность их существования. Вместе с тем первые указания на возможность появления черных дыр содержались в общей теории относительности Альберта Эйнштейна, созданной в далеком 1915 году. Английский ученый-астроном Артур Эддингтон, стал одним из первых популизаторов и интерпретаторов теории относительности, в середине 30-х годов он вывел систему уравнений, которые описывали внутреннее строение звезд. Выводом из уравнений стало то, что звезда находится в постоянном равновесии под действием разнонаправленных сил внутреннего давлении и тяготения, создаваемого движением частиц из которых состоит горячая плазма внутри космического светила и напором излучения, которое образуется в его недрах. А это указывает на то, что звезда представляет собой ни что иное как газовый шар, в центре которого огромная температура, постепенно снижающаяся к периферии. Из уравнений следовало, что температура нашего Солнца составляет более 5500 градусов, а соответственно в его центре должна быть не менее 10 миллионов градусов. Это позволило физику Эддингтону сделать по-настоящему пророческий вывод: при подобной температуре дается толчок термоядерная реакция, которой достаточно для обеспечения привычного нам свечения Солнца.

 

Необходимо признать, что в конечном итоге он оказался прав на сто процентов: в центре звезды в действительности происходит термоядерная реакция. Но, тем не менее, ядерная реакция в центре звезды протекает, звезда светит, а излучение, возникающее при этом, удерживает ее в устойчивом состоянии. Но со временем ядерное «горючее» в светящейся звезде выгорает. Выделение излучающей энергии прекращается, и сила, сдерживающая устойчивое гравитационное притяжение, исчезает. Есть ограничение на массу затухающей звезды, после которого она начинает необратимо сжиматься. Математические расчеты показывают, что этот процесс начинается, если масса звезды больше две-три общей массы Солнца.

Вначале скорость сжатия потухающей звезды невелика, но темп непрерывно возрастает, учитывая тот факт, что сила притяжения является обратно пропорциональной квадрату расстояния. Сжатие делается необратимым, сил, способных противостоять самогравитации, не существует. Такой процесс назвали гравитационным коллапсом. Скорость приближения оболочки звезды непосредственно к ее центру увеличивается и со временем, приближаясь к скорости света. Спустя некоторое время, которое для человека огромно, но в космическом пространстве ничтожно появляется новая черная дыра.

Ранее Стивен Хокинг утверждал, что черная дыра – это отдельный космический объект, большинство физических свойств которого, кроме общей массы, установить практически невозможно. Профессор заявлял, что после создания черная дыра мгновенно начинает терять массу и при этом испускает излучение, которое носит случайный характер и не передает информации о физическом содержимом черной дыры.

 

Сегодня, спустя три десятилетия, Стивен Хокинг пришел к новому мнению, что не все, что находится в пределах черной дыры, безвозвратно теряется для прочей вселенной. В соответствии с действующими законами квантовой физики, поступающая и передаваемая информация не может быть утеряна полностью, указывает ученый. В середине 70-х он полагал, что очень высокая гравитация, которой обладает черная дыра, каким-то образом приводит к нарушению квантовых законов.

Физик утверждает, что размышлял над этой проблемой на протяжении 30 лет и теперь нашел ответ. Он пришел к выводу, что космические излучения Хокинга все-таки содержат информацию, и образовавшаяся черная дыра, таким образом, не препятствует постижению прошлого и будущего.

Конечно, новая теория Хокинга лишает человечество пускай фантастической, но надежды на то, что космические черные дыры могут со временем послужить для перемещения не только в пространстве, но и во времени или стать пропуском в другие миры и вселенные.
«Мне жаль, что поклонников научной фантастики расстроятся. Но если вы попадете в черную дыру, энергия массы возвратится в нашу вселенную в несколько измененной форме», – говорит Стивен Хокинг.

 

Возможно на то, что Хокинг сменил свое мнение по поводу черных дыр, оказало влияние проведение опытов связанных с ускорением частиц, что позволяет проникнуть в саму тайну происхождения реальности.

У современной физики есть проверенное средство проникать в секреты атомного ядра — облучить или обстрелять его частицами и последить за происходящим процессом. Для самых первых экспериментальных исследований атома и его ядра было вполне достаточно энергии излучений, которая возникает при распаде радиоактивных элементов в естественной форме. Но вскоре этой энергии стало недостаточно, и, чтобы еще полнее познать сущность и «заглянуть» в ядро, физикам было задуматься над тем, как создать поток частиц обладающих высокой энергией искусственно.

Известно, что, находящаяся между электродами с противоположными зарядами, заряженная частица, например, протон или электрон, ускоряет движение под воздействием электрических сил. Это физическое явление и породило в далекие 1930-е годы идею основания линейного ускорителя.

 

По предложенной конструкции линейный ускоритель представлял собой длинную и абсолютно прямую трубку-камеру внутри которой поддерживается вакуум. На протяжении по всей длине камеры расставлено огромное количество металлических трубок являющихся электродами. От специального генератора вырабатывающего волны высокой частоты на электроды направляется переменное электрическое напряжение таким образом, что, когда первый электрод становится заряженным, допустим положительно, следующий электрод будет заряжен отрицательным зарядом. Дальше чередование положительный электрод, сразу за ним — отрицательный и т.д.

Пучок электронов выстреливается при помощи электронной «пушки» в вакуумную камеру и, попадая под действие потенциала первого, положительного заряженного электрода начинает ускоряться, продвигаясь сквозь него дальше. Вслед за этим фаза питающего напряжения изменяется, и электрод, заряженный положительно, становится в одно мгновение отрицательным. Теперь уже он производит отталкивание от себя электронов, как бы подгоняя их. А второй электрод, за это время ставший положительным, притягивает электроны, еще более ускоряя их. После этого, когда электрон пролетит через него, он снова становится отрицательным и подтолкнет иго к третьему электроду и процесс продолжается до бесконечности.

По мере движения электроны постепенно разгоняются и уже к концу камеры достигают околосветовой скорости и приобретают энергию в несколько сотен миллионов электрон-вольт. Атомы и их ядра находятся у установленного в конце трубы окошка, непроницаемого для воздуха и через него порция ускоренных электронов наносит удар по изучаемым объектам микромира.

 

Несложно понять, что чем значительнее энергия, которую мы можем сообщить частицам, тем дольше должна быть вакуумная труба линейного ускорителя. Ее длина может исчисляться десятками, а то и сотнями метров. Но в реальности, это не всегда возможно. Вот свернуть трубу в отдельную компактную спираль, то такой ускоритель может разместиться в научной лаборатории.

Внедрить подобную идею в жизнь помогло физическое явление, а именно тот факт, что попав в магнитное поле заряженная частица, начинает двигаться не по прямой линии, а «завивается» вокруг мощных магнитных силовых линий. Таким образом, был создан такой тип ускорителя как циклотрон.

Основную часть циклотрона составляет мощный электромагнит, и расположенная между его полюсами плоская цилиндрическая камера, которая состоит из металлических коробок, полукруглой формы и разделенных небольшим зазором. Металлические коробки — дуанты — выполняют функцию электродов и соединены с разными полюсами генератора подающего переменное напряжение. В центре камеры расположен источник заряженных частиц, подобие электронной «пушки».

Вылетая из источника, частица сразу же притягивается к заряженному отрицательно электроду. Внутри электрода нет электрического поля, поэтому частица передвигается в нем по инерции. Под мощным влиянием магнитного поля, частица описывает полуокружность и приближается к зазору между электродами. В течение этого времени первый электрод приобретает положительный заряд и теперь выталкивает частицу, в то же время другой втягивает ее в себя. Таким образом, переходя от одного дуанта к другому, частица набирает огромную скорость и очерчивает раскручивающуюся спираль. На мишени, частицы из камеры выводятся при помощи специальных магнитов.

 

По мере того как современные физики все глубже проходили в структуру ядра, появилась потребность в частицах обладающих более высокой энергий. Сегодня самый мощный ускоритель частиц – коллайдер – находится в США – «Тэватрон». Свое название он получил за то, что в его кольце, длина которого шесть километров с помощью мегамощных сверхпроводящих магнитов частицы приобретают энергию более одного тераэлектронвольта. Механизм взаимодействия ядер с учетом столь больших энергий интересен сам по себе, но гораздо важнее, что впервые в условиях лаборатории мы можем исследовать процесс зарождение нашей Вселенной. С помощью коллайдера в США проводятся эксперименты с целью практического воссоздания в лабораторных условиях самого настоящего Большого взрыва, с которого, согласно предположения, началась наша Вселенная. В этом по-настоящему смелом эксперименте принимали активное участие физики из двадцати государств мира, среди которых были и россияне.

Возможно благодаря исследованиям ученых физиков, математиков, астрономов, химиков, уже в ближайшие годы мы узнаем, как произошел МИР.
www