1. черни дупки теория и реалност Стивън Хокинг излъчване и еволюция на черните дупки



Дата01.02.2018
Размер282.1 Kb.
1.
ЧЕРНИ ДУПКИ
теория и реалност

Стивън Хокинг


излъчване и еволюция на черните дупки

Надя Кискинова

Народна обсерватория

Стара Загора
2.

През 1783 г. преподавателят от Кеймбридж Джон Мичъл публикува в списанието на Лондонското кралско дружество “Философикъл Транзакшънс” /”Философски трудове”/ разсъжденията си върху това какво би станало със светлината в гравитационното поле на много масивна звезда.


3.

АКО СВЕТЛИНАТА Е ПОТОК ОТ ЧАСТИЦИ ТЕ СЪЩО БИ ТРЯБВАЛО ДА ИЗПИТВАТ ВЛИЯНИЕТО НА ГРАВИТАЦИЯТА

Интересно, че 13 години по-късно френският учен маркиз Дьо Лаплас, очевидно независимо от Мичъл, изказва подобна идея и я публикува в първото и второ издание на труда си “Система на Света”, но не и в следващите издания. Вероятно е решил, че това е безумна идея, а и корпускулярната теория за светлината по негово време вече е била в немилост. Приемало се, че светлината е вълна и не било ясно дали електромагнитните вълни би трябвало да изпитват влиянието на гравитацията.


4.

Всъщност едва Общата теория на относителността на Айнщайн през 1915 г. дава основата за изграждане на смислена теория на свръхмасивни тела, в каквито трябва да се превърнат след колапса си най-масивните звезди в крайните стадии на своята еволюция. Но реалното съществуване на такива обекти било отричано дори от авторите на теорията за звездната еволюция и самият Айнщайн.


5.

През 1928 г. един дипломирал се студент от Индия, Субраманян Чандрасекар, отплувал за Англия, за да учи в Кеймридж при английския астроном сър Артър Едингтън – специалист по Обща теория на относителността.

Чандрасекар изчислил, че ако остатъкът след избухването на една звезда е с маса повече от 3 (2,4) пъти слънчевата – граница на Чандрасекар, не би могла да устои на по-нататъшния си колапс.
6.

НЯКОИ ФОТОНИ ВСЕ ПАК УСПЯВАТ ДА ИЗБЯГАТ ОТ КОЛАПСА НА НЕУТРОННАТА ЗВЕЗДА
Някои светлинни лъчи /в черно на тази фигура/ от неутронна звезда все още успяват да убегнат отогромното й гравитационно привличане и да отнесат информация за обекта до външен наблюдател.

Но звезден остатък с маса отвъд предела на Чандрасекар не спира колапса си до неутронна звезда. Гравитацията на такъв обект е толкова силна, че дори фотоните не могат да излязат от затворилото се в себе си пространство-време. Той става невидим за външен наблюдател.

Докато изучава разкритията на Айнщайн за гравитацията в почивките между собствените си изчисления на траекториите на артилерийски снаряди на Източния фронт през 1916 г., по време на Първата световна война, немският астроном Карл Швалцшилд прави откритие. Само месеци, след като Айнщайн завършва Общата теория на относителността, Шварцшилд успява да я приложи, за да определи пълно и точно как се изкривява пространството и времето в околността на идеално сферична звезда. От руския фронт Шварцшилд изпраща своя резултат на Айнщайн, който го представя пред Пруската академия от името на автора.

Работата на Шварцшилд, която сега е известна като “решение на Шварцшилд”, не само потвърждава и придава математична точност на изкривяването, но разкрива поразителен извод. Той показва, че ако масата на една звезда е съсредоточена в достатъчно малка сферична област, така че масата, разделена на радиуса, да надмине определена критична стойност , полученото изкривяване на пространство-времето е толкова силно, че нищо, което се приближи твърде много до звездата, включително и светлината, няма да може да се изтръгне от нейната гравитационна хватка. Тъй като дори и светлината не може да напусне такива “сгъстени звезди”, първоначално ги наричат тъмни или замръзнали звезди.


7.

Шварцшилд умира от кожна болест, с която се заразява на Източния фронт, само няколко месеца след като намира своето решение. Той е на 42 години. Трагично кратката му среща с теорията на гравитацията на Айнщайн разкрива една от най-удивителните и тайнствети страни на природата!


8.

Черна дупка го нарекъл друг водещ учен в тази насока през 1968 г. - професорът от Принстънския университет Джон Уилър и това цветисто наименование се наложило с образността над всички останали опити да бъде назован екзотичният обект.
9.

ШВАРЦШИЛДОВСКА НЕВЪРТЯЩА СЕ ЧЕРНА ДУПКА
Шварцшилд отдавна се занимавал с уравненията на полето, описващи пространство-времето извън тяло със сферична симетрия и само месеци след публикуването на Общата теория на относителността изчислил характерния размер на колапсирало тяло.
10.

Rш = 2 G . M/c²

  • Земя Rш = 0,8 cm

  • маса 6.10*24 kg

  • плътност 10*30 g/cm³

  • Слънце Rш = 3 km

  • маса 2.10*30 kg

  • плътност 10*19 g/cm³

  • Галактика Rш = 0,03 ly

  • маса 10*11 MСлънце

  • плътност 10*(-3) g/cm³

Така нареченият радиус на Шварцшилд е основна формула в теорията на черните дупки:



Rш = 2 G . M/c²

Тук G е гравитационната константа, а с – скоростта на светлината.

Следователно, на всеки обект с маса М може да бъде изчислен радиуса на областта, под която той би се свил до невъобразима плътност.

Така например, Земята, която има маса 6.10*24 кг, ако е възможно да се се свие до областта, където пространство-времето ще се затвори, ще има плътност 10*30 г/куб. см, а радиусът на Шварцшилд е по-малко от сантиметър –



Rш = 0,8 см.

Най-голямата планета в Слънчевата система Юпитер с масата на 318 земи, би бил област с радиус само 2,8 см - Rш.



Слънцето с маса 2,10*30 кг, има радиус на Шварцшилд

Rш = 3 км, а плътността му би нарастнала на 10*19 г/куб.см.

Галактиката с маса 10*11 Маси на Слънцето – има Rш = 0,03 св. г., но плътност – 10*(-3) г/куб.см.
11.

Между 1965 и 1970 г. съвместната работа на


Стивън Хокинг и Роджър Пенроуз показва, че в черната дупка съществува
сингулярност
В не по-малко драматичен период от човешката история – 70-те години на ХХ век, по време на студената война, на първите драматични стъпки към Луната, където се пренася съревнованието между двете свръхсили САЩ и Съветския съюз – последователят на Айнщайн, както често го наричат, Хокинг започва да отправя поглед към екзотичните астрономически обекти, кръстени наскоро черни дупки в компанията на своя колега и приятел математика Роджър Пенроуз.

Сингулярност е било състоянието на материята и преди Големия взрив. С този термин Хокинг и Пенроуз наричат състоянието с безкрайно голяма плътност и безкрайна кривина на пространство-времето, при което законите на познатата ни физика не са валидни, а времето и пространството имат начало и край.


12.

Фактът, че Айнщайновата Обща теория на относителността предсказва сингулярности, предизвика криза във физиката...


Общата теория на относителността се оказа незавършена теория.
Тя се нуждаеше от допълнителен елемент,
за да определи как би трябвало да е започнала Вселената и какво трябва да стане, когато материята колапсира под действие на собствената си гравитация.”

Стивън Хокинг

13.


...сингулярностите в резултат на гравитационен колапс настъпват само на места като черните дупки, където са благоприлично скрити от външен поглед чрез
хоризонта на събитията."

Хокинг, “Черни дупки” от “Кратка история на времето”
14.

Черната дупка може да е далеч от звездни компаньони, някъде в междузвездното пространство, но светлината от звездите все пак стига и до нея. Направлението на светлинните лъчи могат да достигат до черната дупка под всякакви ъгли. Тези, които са насочени точно към сингулярността или центъра на черната дупка наистина ще навлязат под хоризонта на събития и черната дупка ще ги погълне. Другите ще се изкривят малко или много в зависимост от ъгъла на попадение, съгласно едно от следствията на Общата теория на относителността. Множеството светлинни лъчи с всякакви закривявания около хоризонта на събитията ще образуват нещо като “фотонна сфера”.


15.
16.

Фотонната сфера е призрака на черната дупка, която издава присъствието й. Всъщност структурните елементи на самата черна дупка в пространството са:

сингулярност и

хоризонт на събитията.


17.

Хоризонтът на събитията, границата на пространство-времевата област, от която не може да се избяга, действа като еднопосочна мембрана около черната дупка: обекти като непредпазливи астронавти могат да паднат през хоризонта на събития в черната дупка, но нищо не може никога да се измъкне от черната дупка през хоризонта на събитията… Всичко или всеки, който падне през хоризонта на събития, скоро ще стигне областта с безкрайна плътност и края на времето.”
18.

ПЪТЕШЕСТВИЕ ПРЕЗ НЕВЪРТЯЩА СЕ ЧЕРНА ДУПКА
19.

Нека сме се уговорили да изпращаме през равни интервали време сигнали за земни наблюдатели. С доближаване до хоризонта на събитията, тези сигнали ще стават все по-разредени, докато в един момент те ще спрат. Ако можеха да ни виждат от Земята, в този момент ние завинаги ще останем с изтерзания си вид, опитвайки се да задържим частите на тялото си в едно цяло. Нещо като размазани върху прозорец мухи. Защото хоризонта на събитията е невидим – това е само тази част от пространство-времето, откъдето все още достига изпратена информация. Ако за външен наблюдател нещата спират дотук, то нека си представим, че сме успели някак да се справим с неимоверно нарастналата си маса и пресечем хоризонта на събитията. Няма начин да разберем кога става това. Впоследствие обаче разбираме, че повече нямаме никакъв избор.Попаднали сме в черна дупка.


20.

при хоризонта на събитията
приливни сили

Нека си подберем подходяща черна дупка. Тя трябва да е от масивните - с маса поне 10 000 слънчеви, за да не разкъса тялото ни при пресичане на хоризонта на събитията. С доближаване до хоризонта всяка частица от нашето тяло ще изпитва различна сила на привличане в зависимост от разстоянието й до гравитиращото тяло – черната дупка по-силно ще ни тегли за краката, отколкото за главата, ако скачаме с краката напред към нея и обратно. Така тя ще се стреми да ни разкъса на парчета, преди да ни погълне.

Но ако масата й е голяма като подбраната, натоварването на тялото поради разликата в приливните сили към отделните му части, ще бъде поносима – за кратко време тялото на астронавтите издържа до натоварване 10 пъти.


21.

ДИАГРАМА НА ПЕНРОУЗ

СИНГУЛЯРНОСТ
Тук сингулярността е пространственоподобна – тя е “разтеглена” по абсцисата на пространствените координати.

Това означава, че наистина всичко попаднало под хоризонта на събития на такава невъртяща се черна дупка е обречено да падне върху сингулярността.


22.

Диаграмата на Пенроуз обаче е симетрична – тя предвижда съществуването на друга Вселена “зад” сингулярността. Попадайки неизбежно върху сингулярността обаче всичко среща там краят на пространство-времето.


23.

ВЪВ ВЪТРЕШНОСТТА НА НЕВЪРТЯЩА СЕ ЧЕРНА ДУПКА
Невъртяща се черна дупка възниква от невъртяща се звезда. Такава реално не съществува Това е само едно частно математическо решение на айнщайновите уравнения, получено от Шварцшилд още през 1917 г.
24.

През 1967 г. канадският учен Вернер Израел стига до извода, че невъртящите се черни дупки трябва да са идеално сферични и размерът им да зависи само от тяхната маса.


25.

Изкривяване на пространството около масивна звезда изгаряща ядрено гориво.


26.

Изкривяването нараства, когато звездата се свива.


27.

Времето спира.


28.

Линиите на времето също замират в образувалата се сингулярност.
Идеалната сферичност не дотам правилните по форма масивни звезди достигат в крайния си стадий поради излъчването на гравитационни вълни - установяват Пенроуз и Уилър. Всяка невъртяща се звезда, независимо колко сложни са формата и вътрешният й строеж, след гравитационен колапс ще завърши с идеално сферична черна дупка.
29.

Размерът на черната дупка зависи само от нейната маса. Това е неизбежното й стационарно състояние.


30.

Всъщност, всяко тяло, движещо около по-масивно тяло губи енергия в резултат на “набръчкване” на пространство-времето и възникналите гравитационни вълни.

Земята, движейки се по орбита около Слънцето също създава гравитационни вълни, които се разпространяват в пространството и постоянно отнасят енергията й на движение /кинетичната енергия/. Ефектът от загуба на енергия води до постоянна промяна на земната орбита – тя все повече се стеснява и доближава до Слънцето. Земята е обречена да падне върху Слънцето.

Скоростта на загуба на енергия в случая със Земята обаче е твърде малка – колкото на малък електронагревател. Земята ще се сблъска със Слънцето след 10*27 години, когато нито Земя, нито Слънце ще има. Еволюционното им развитие ще приключи много преди момента на фаталния им гравитационен сблъсък.

Много по-бързо губят енергия две неутронни звезди в тясна система. И гравитационните вълни в този случай са по-внушителни. Към такива обекти, както и към тесни системи от неутронна звезда и черна дупка или две черни дупки е насочено вниманието за детектиране на такива вълни.
31.

ВЪРТЯЩА СЕ КЕРОВСКА ЧЕРНА ДУПКА
През 1963 г. новозенландецът Рой Кер намира множество решения на уравненията на Общата теория на относителността, описващи въртящи се черни дупки
32.

Цялата информация за телата, падащи в черната дупка бива загубена завинаги. Остават само масата, зарядът и моментът на количеството движение, което значи, че черните дупки са най-простите обекти във Вселената, които могат да се опишат само с тези 3 параметъра.


Имайки предвид, че зарядът може много бързо след възникване на черната дупка да бъде компенсират, то в крайна сметка остават само
два параметъра – масата и въртенето.
33.

Черните дупки на Кер се въртят с постоянна скорост,
като размерът и формата им зависят само
от масата и скоростта на въртене,
но не и от естеството на тялото, чийто колапс е довел до образуването им.

34.

ЧЕРНАТА ДУПКА НЯМА КОСА”, Рой Кер


Въртящите се черни дупки имат 2 хоризонта на събитията. Прието е външният да се нарича граница на стационарност, а вътрешният хоризонт на събитията е този, който обгражда идеалната сфера, ако черната дупка не се върти. При полюсите те се припокриват.

Областта между границата на стационарност и хоризонта на събитията се нарича ергосфера.От нея е възможно да се измъкне нещо попаднало обратно в нашата Вселена.


35.


Всичко, попаднало в ергосферата обаче бива увлечено в непрекъснато движение. Нищо не може да “зависне” над определена точка от хоризонта на събитията. Този ефект, известен като “увличане на инерциалните отправни системи” на Лензе-Тиринг отразява принципа на Мах, според който всяко тяло във Вселената дава своя принос за инерцията на останалите тела. Махалото на Фуко е илюстрация на този принцип, в сила и за Земята.
36.

Прецесия
Поради това “увличане” съществува прецесията на земната ос в пространството, известна отпреди 2000 години, когато Хипарх е забелязал и описал явлението.
37.

Махало на Фуко (на френски Pendule de Foucault) носи името на френския физик Жан Бернар Леон Фуко който забелязва, че ако се остави едно махало да се люлее свободно, ще изглежда, че то сякаш променя своята равнина на люлеене с течение на времето. Причината за въртенето на равнината на люлеене е действието на силата на Кориолис поради околоосното въртене на Земята.
38.

Кориолисовата сила е инерционна сила, съответстваща на кориолисовото ускорение при движение в неинерциална отправна система. Тя предизвиква Кориолисовия ефект, който представлява видимото отклонение от права линия на движещ се обект спрямо въртяща се отправна система. Тази сила се нарича фиктивна (или псевдосила) защото се проявява само в неинерциални отправни системи и изчезва в инерциални. Понятието е въведено от французина Гюстав Кориолис през 1835 година.

Кориолисовото ускорение се появява при движение в неинерциална отправна система, въртяща се спрямо инерциалната. Например кориолисово ускорение има при движение по повърхността на Земята. То се проявява при махалото на Фуко.


39.
40.
41. Варненска обсерватория
42.

От ергосферата все още е възможно да се измъкне нещо попаднало там, при това отнемайки енергия. Примерно, частица, попаднала в ергосферата под подходящ ъгъл, ще излезе от нея с по-голяма скорост от началната.

Всъщност, по-вероятно е частицата да се разпадне на две частици в ергосферата и едната да е с такава скорост, че да излезе от ергосферата, отнасяйки със себе си част от момента на количеството движение на черната дупка.

Ергосферата на въртяща се черна дупка би могла да реши енергийните проблеми на човечеството, докато съществува, ако правилно бива експлоатирана!


43.

Сингулярността на такава черна дупка е с формата на пръстен.

Диаграмата на Пенроуз я изобразява като времеподобна.

Това означава, че съществува вероятност да се премине през центъра на въртяща се черна дупка без да се попадне непременно през сингулярността. Това е в случай на навлизаща частица по оста на въртене или на много малък ъгъл спрямо нея.

Наистина такава частица няма да “усети” краят на пространство-времето, характерни за сингулярността, но няма да има възможност да се завърне в нашата Вселена. Затова пък може да “пътешества” от една в друга Вселена.
44.

Движението е еднопосочно – от нашата към друга Вселена. После към следваща и т.н. Завръщането обратно в нашата Вселена е невъзможно, защото би нарушило космическата цензура”.

Поставя я Пенроуз, разработвайки въпроса за сингулярността - ГОЛИ СИНГУЛЯРНОСТИ НЕ СЪЩЕСТВУВАТ! Защото, ако съществуваха, те биха наложили хаоса, биха объркали мястото на причината и следствието на събитията. Бихме умирали, преди да се родим. А това не е така. В нашата Вселена има ред и физичните закони ни позволяват да я опознаем.

Именно космическата цензура налага съществуването на хоризонт на събитията, отделящи сингулярността от подредения ни свят.


45.

МОСТ НА РОЗЕ-АЙНЩАЙН

Образуване на пространствено-времеви тунел. Чрез черните дупки може да се пътува в други вселени, но с еднопосочен билет.

Мостът на Розе-Айнщайн може да ни изведе в друга вселена, където черната дупка в нашата Вселена се превръща в своя антипод - бяла дупка в другата вселена.
46.

БЕЛИ ДУПКИ?

Ако същестуването на черните дупки следва логически и математически от самите уравнения на Общата теория на относителността, то единствено чувството за симетрия предполага съществуването на техните антиподи – белите дупки. Самото обстоятелство, че въртящите се черни дупки имат времеподобни сингулярности, предполага, че ако се обърне оста на времето в противоположната посока, същите уравнения, описващи керовска черна дупка биха станали уравнения на бялата дупка. Физическият обект, отговарящ на такова решение е нещо, от което само излиза материя.

Ако се вземе предвид геометричното изображение на въртяща се черна дупка чрез диаграмата на Пенроуз, интерпретацията е следната: Ако черните дупки в една вселена са пространство-времето, което само поглъща, това същото пространство-време в друга вселена се проявява като бяла дупка, която само излъчва.
47.

космическа цензура

ГОЛИ СИНГУЛЯРНОСТИ НЕ СЪЩЕСТВУВАТ!
Защото, ако съществуваха, те биха наложили хаоса,

биха объркали мястото на причината и следствието на събитията.

Бихме умирали, преди да се родим.

А това не е така.

В нашата Вселена има ред и физичните закони ни позволяват да я опознаем.

Именно космическата цензура налага съществуването на хоризонт на събитията, отделящи сингулярността от подредения ни свят.

48.

СИВИ ДУПКИ...

Ако черните дупки в една вселена са пространство-времето, което само поглъща, това същото пространство-време в друга вселена се проявява като бяла дупка, която само излъчва.

В този смисъл бяло-черните дупки всъщност са сиви дупки.
49.

Последователни етапи на образуване на сива дупка и преход в друга вселена


50.

ЦВЕТНИ ДУПКИ

Вземайки предвид следствието от Общата теория на относителността за гравитационното почервеняване, можем да си позволим да си представим и цветни дупки: черните ще изглеждат червени, а белите – сини. Имайки предвид интерпретацията черно-бяла дупка като сива, можем да говорим наистина за цяла гама цветни дупки.

Докато черните дупки днес са наблюдателен факт, то белите, сиви или цветни дупки са игра на въображението. И все пак, знае ли се?…
51.

ЧЕРНИТЕ ДУПКИ

ФАКТ!
52.

ПРОСТРАНСТВОТО ОКОЛО ЧЕРНАТА ДУПКА

От десетина години насам черните дупки са наблюдателен факт. За тяхното наличие се съди по поведението на веществото в пространството около тях, а не се дължи на доловено “излъчване”, идващо от самата черна дупка.



Пространството около черна дупка.

Веществото, попадащо към хоризонта на събитията се завихря в акреционен диск, ускорявайки се все повече по спираловидната си траектория към хоризонта на събитията. Частиците излъчват рентгенови лъчи и източниците на такива лъчи отдавна са заподозрени за евентуални черни дупки. Характерни са и джетовете – потоците изхвърлящо се вещество от околността на черната дупка по оста на въртене. Ако наблюдателят е по направление на тази ос, той ще вижда мощен източник на гама-излъчване.

Тук не става дума за излъчване на самата черна дупка, а за характерно поведение на частиците, попаднали в хватката на гравитацията от околното пространство.
53.

В центъра на този водовъртеж от горещ газ се намира обект GRO J1655-40, който е невъзможно да бъде видян, защото е черна дупка. Наличието и характеристиките й могат да се определят по излъчването на въртящия се газ. Така е определено, че черната дупка има маса 7 пъти повече от слънчевата. И нещо интересно - регистрирани са кратки просветвания в излъчването на газа около тази черна дупка с честота 450 пъти в секунда. Те може да се дължат на бързото въртене на черната дупка. Физическият механизъм, предизвикващ тези мерцания, а също и по-бавните квазипериодични осцилации в акреционните дискове около черните дупки и неутронните звезди, все още търси своето обяснение.

Изображението на космическата рентгенова обсерватория “Чандра”

54.


Откриване на черни дупки на фона на Млечния път чрез внезапни проблясъци на звезди от фона – един от методите в астрономията.
55.

Тази близка черна дупка в съзвездието Скорпион, наречена микроквазар GRO J1655-40, профучава на фона на Млечния път, движейки се с 400 000 км/час или с 4 пъти по-голяма скорост от галактичните си съседи, получила начален тласък от взрива на Свръхнова. Това е вторият микроквазар, открит в нашата Галактика – така се наричат черните дупки със звездна маса за разлика от квазарите – свръхмасивните черни дупки в ядрата на галактиките. Досега са открити дузина черни дупки - микроквазари, но непряко – чрез оценка на масата на невидимата компонента в двойна система. И “нашата” черна дупка има нормална звезда-компаньон в близост,успяла да се задържи въпреки мощния взрив. Тя все още обикаля около остатъка от масивния си звезден съсед с период от 2,6 дена, приближавайки се все повече, за да бъде разкъсана и погълната от ненаситния звезден труп.


56.

Според съвременните представи черни дупки се образуват след взрив на масивна звезда в края на живота й. Най-вероятната причина за космическите гама-избухвания е отделянето на голямо количество енергия при такъв взрив. Оказва се обаче, че известната черна дупка в съзвездието Лебед Cyg X-1 вероятно се е образувала в резултат на колапс на масивна звезда, която не е избухнала като Свръхнова. Това потвърждава това изображение, където са нанесени пространствените премествания на Cyg X-1 и купът Cyg OB3, чиито звезди са обградени с жълти кръгчета. Стрелките, сочещи посоката и скоростта на пространственото им движение са по еднакво направление и големина. Това означава, че обектът Cyg X-1 спада към купа млади масивни звезди Cyg OB3. Ако черната дупка бе възникнала в резултат на взрив на масивна звезда, то този взрив би я запратил извън купа, но това не се случило.


57.

Масивна черна дупка в центъра на нашата Галактика


58.

В самия център на Млечния път.


59.

ИЗЛЪЧВАНЕ НА ХОКИНГ

ИЗЛЪЧВАНЕ НА ЧЕРНА ДУПКА
Към 70-те години на ХХ век вече имало достатъчно добре оформена представа за черните дупки като за пространство-време, от което нищо не може да излезе. Според тази класическа теория, черните дупки с времето само биха “набъбвали”, поглъщайки все повече материя, но вечното им съществуване не било поставяно под въпрос.
60.

Последователят на Айнщайн
Стивън Хокинг


Моят недъг прави подготовката ми за лягане доста бавен процес, така че аз имах на разположение колкото пожелаех време. Внезапно осъзнах, че много от методите, които двамата с Пенроуз бяхме развили, за да докажем, че сингулярностите съществуват, могат да се приложат върху

черните дупки.

Напълно закономерно е вдъхновението, което съпътства най-важните стъпки в научните открития, да дойде в най-неочакван момент. По този повод Хокинг си спомня историята, когато направил първия пробив в теорията си за черните дупки. Скоро след раждането на второто му дете Луси, през ноември 1970 г., докато се приготвял за лягане, той се замислил за тях и както казва:



Моят недъг прави подготовката ми за лягане доста бавен процес, така че аз имах на разположение колкото пожелаех време. Внезапно осъзнах, че много от методите, които двамата с Пенроуз бяхме развили, за да докажем, че сингулярностите съществуват, могат да се приложат върху черните дупки.
61.

Черните дупки излъчват?
В смисъл?...

Хокинг


От 1970 до 1974 г. работих главно по черните дупки. Но през 1974 г. направих може би най-изненадващото откритие: черните дупки не са съвсем черни! Оказа се, че като се отчете дребномащабното поведение на материята, от черната дупка могат да се процеждат частици и лъчения. Черната дупка излъчва така, сякаш е нагрято тяло!”

Хокинг, “Черни дупки и бебета вселени”
62.

Хокинг, “Черни дупки и бебета вселени”

От 1970 до 1974 г. работих главно по черните дупки. Но през 1974 г. направих може би най-изненадващото откритие: черните дупки не са съвсем черни!



Оказа се, че като се отчете дребномащабното поведение на материята, от черната дупка могат да се процеждат частици и лъчения.

Черната дупка излъчва така, сякаш е нагрято тяло!”
63.

черни дупки
и
термодинамика

Аналогията между нагрято тяло, описвано от термодинамиката и черната дупка дава по-нататъшното развитие на теорията на черните дупки.

Подобни стъпки в науката често се правят от млади изследователи, все още необременени и незатормозени от традицията.

Разбира се, всеки ден студенти изследователи отбелязват странни сходства и съвпадения в науката, но в повечето случаи се оказва, че в “откритията” им няма абсолютно нищо съществено. Но когато студентът от Принстънският университет Якоб Бекенщайн предполага, че големината на хоризонта на събитията около сингулярността би могла буквално да бъде мярка за ентропията в черната дупка, това отключва лавина изследвания, които водят Хокинг до откритието, че все пак не е необходимо черните дупки да бъдат черни – те експлоадират.



Мисълта да се направи връзка между гравитационната физика на черните дупки и термодинамичната физика на викторианските парни машини би всяло смут дори в главата на гениалния Хокинг. Но за един студент изследовател, наскоро заловил се с научна кариера и натъкнал се на две сведения, които явно казваха едно и също по различни начини, си струваше да отбележи поразителното им сходство.
64.

Втори принцип
на термодинамиката

ЕНТРОПИЯТА

НА ЗАТВОРЕНА СИСТЕМА МОЖЕ САМО ДА СЕ УВЕЛИЧАВА С ВРЕМЕТО
Ентропията

е тази част от енергията в затворена система, която не е превърната в полезна работа и допринася за увеличаване на хаоса в системата.

С други думи

ентропията е мерило за хаос.
65.

През 1972 г. Бекенщайн изследвал сходството между поведението на ентропията и


свойствата на хоризонта на събития
на черните дупки

АНАЛОГИИ



  • Както ентропията, така и хоризонта на събитията с времето само могат да нарастват.

  • Всяко тяло с температура над абсолютната /-273º К/ излъчва енергия.

Следователно черните дупки излъчват.
66.

теория на относителността
и
квантова механика

Чисто класическата интерпретация на черните дупки е непълна.

Хокинг изследва квантовите ефекти в близост до черните дупки.
И ревизира представите за

черните дупки.


67.

КВАНТОВА МЕХАНИКА

Принцип на непределеността:

НЕ МОЖЕ ДА СЕ ИЗМЕРИ С ТОЧНОСТ ЕНЕРГИЯТА НА ЧАСТИЦА В НЕОГРАНИЧЕНО МАЛЪК ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕ
68.

вероятностен характер
на микросвета

Квантовата механика борави с математическия апарат на вероятностите. Вероятностите тук не са просто математически величини, а описват самата същност в поведението на елементарните частици.

В микросвета математическите вероятности придобиват физически смисъл.

Всъщност, точният вариант на правилото на неопределеността гласи, че енергията може да бъде “взета назаем” от вакуума само за много кратко време, определено от константата на Планк. Това е свъзвано с неопределеността в измерването на самото време. Тогава единственият начин, по който тази енергия може да се превърне в частици, които впоследствие си взаимодействат една с друга и са самоунищожават преди Вселената да е имала време да “забележи”, че са заели енергия. Това означава, че частиците, създадени от вакуума, са съчетани по специален начин – частица и античастица, пораждащи се едновременно и съществуващи миг – т.н. виртуални частици.


69.

Вземайки предвид Принципа на неопределеността за енергията и формулата на Айнщайн Е = m . c² придобиваме нова представа за вакуума. Празно пространство наистина не е точният израз, описващ същността на вакуума. Той е като врящ океан от елементарни частици, чиято енергия се “овеществявава” от време на време.


70.

Неопределеността в енергията на двойка виртуални частици - частица и античастица е толкова голяма, че времето на съществуването им във вид на вещество с определена маса е много малко. След нищожни части от секундата, те вече са анихирали и влели отново превърната се в енергия маса във вакуума. Маса-енергията на вакуума остава постоянна величина. Законът за запазване масата-енергията е спазен.


71.

Ако двойката виртуални частици е до самия хоризонт на събитията, има вероятност за времето на краткото им съществуване едната частица да попадне безвъзвратно под хоризонта на събития и другата вече няма как да анихилира. Времето на съществуване й като частица се удължава и външен наблюдател може да я регистрира като елементарна частица, излъчена от черната дупка.


72.

Мощното гравитационно поле в околностите на черна дупка рязко усилва процеса на възникване на виртуални частици.

Пространство-времето буквално се разкъсва от мощната гравитация.
73.

изолирана черна дупка
с времето губи маса-енергията си,
т.е. изпарява се

В близост до хоризонта на събитията на черна дупка гравитационната енергия е огромна и процесът на “врене” на вакуума е мощен. Енергията на дупката създава две частици, но улавя само едната от тях, така е върнат само половината от енергийния дълг и чистият ефект е, че дупката губи маса. Ако предположим, че тя няма какво да поглъща от околното пространство, след време хоризонтът на събитията й ще се свие поради загубата на маса. Процесът е бавен – на черна дупка с размери на протон ще й отнеме милиарди години време да се свие до точката, прикоято експлоадира. В крайна сметка черната дупка се свива, отчитайки квантовите ефекти, но те само усилват аналогията на черните дупки и термодинамиката.


74.

еволюция на черна дупка


В нашия свят масата и енергията на телата са само положителни величини. Но светът под хоризонта на черните дупки е друг. В този смисъл може да се приеме, че втургащите се към сингулярността частици внасят в черната дупка отрицателна маса-енергия, която намалява маса-енергията на черната дупка. С намаляване на масата на черната дупка се смалява и хоризонта на събитията или размерът на областта от пространство-времето.
75.

Черните дупки, излъчвайки, се смаляват.

При това, колкото повече се смаляват, толкова по-бързо губят маса
Черните дупки, излъчвайки, се смаляват. При това, колкото повече се смаляват, толкова по-бързо губят маса. Не е напълно ясно какво става, когато масата стане съвсем малка, но следвайки логиката на разсъжденията – все по-ускоряващият се процес в крайна сметка ще доведе до много бързо изчерпване на масата или до “един гигантски последен взрив, равностоен на експлозията на милиони водородни бомби”.

Черна дупка с маса няколко пъти слънчевата излъчва като тяло с температура 1/1 000 000 част от градуса над абсолютната нула!


76.

ПЪРВИЧНИ ЧЕРНИ ДУПКИ
ПЪРВИЧНИ МИНИ-ЧЕРНИ ДУПКИ

Ясно е, че сега черни дупки със звездна маса възникват след взрив на Свръхнова като краен стадий от еволюцията на масивна звезда. Свръхмасивните черни дупки в центъра на галактиките вероятно са резултат от сливане на множество черни дупки със звездни маси, но за техния произход не можем да сме сигурни.

Хокинг говори за съществуването на първични миниатюрни черни дупки, образувани в първите мигове след Големия взрив от възникналите нееднородности на материята. Техните маси са много по-малки от масата на Слънцето и достигат до

1/100 000 грама.

Животът на една първична черна дупка с маса 10*9 тона е приблизително равен на възрастта на Вселената. Минидупка с маса милиарди тонове и размер на протон /10*-33 см/ излъчва като нагрято до 120 милиарда К тяло.

Първичните черни дупки с по-малки маси би трябвало вече да са се изпарили, а тези които все още излъчват би трябвало всъщност да са “нажежени” и да излъчват енергия около 10 000 Мегавата.Излъчването с такава енергия е в рентгеновия или гама-диапазон.

Оценките водят до около 300 първични черни дупки на кубична светлинна година средно или това е 1/милионна част от вселенската материя.
77.

краят на черната дупка



ЕКСПЛОЗИЯ?
докато губи маса и става все по-малка, минидупката става все по-гореща и по-бързо излъчва енергия, докато накрая процесът толкова се ускори, че изглежда като експлозия. При експлозията трябва да се наблюдава рентгеново и гама излъчване.
78.

Кой е Стивън Хокинг?
79.

Из “Черни дупки и бебета вселени и други есета” Стивън Хокинг,



От есето “Детство”:

Роден съм на 8 януари 1942 г., точно триста години след смъртта на Галилей...


Роден съм в Оксфорд, макар че родителите ми са живеели в Лондон.
Защото Оксфорд е бил подходящо място да се родиш по време на Втората световна война:
германците са се били споразумели да не бомбардират Оксфорд и Кеймбридж при условие,
че англичаните не бомбардират Хайделберг и Гьотинген.

80.

Из “Черни дупки и бебета вселени и други есета” Стивън Хокинг,

Баща му е от Йоркшир от семейство на крупен фермер, фалирал по време на селскостопанската депресия в началото на миналия век. Въпреки недоброто финансово състояние на семейството си, успял да завърши медицина в Оксфорд.
Специализирал в областта на тропическите заболявания, често му се налагало да пътува и работи в Африка.
Майка му е родена в Глазкоу, Шотландия.
Също завършила Оксфорд и сменила няколко длъжности, докато като секретарка не срещнала баща му.

Моят баща се занимаваше с изследвания на тропическите заболявания и често ме развеждаше из лабораторията в Мил Хил. Това ми доставяше удоволствие, особено обичах да гледам под микроскоп. Водеше ме в стаята с насекоми, където държеше комари, заразени с тропически болести.Там се притеснявах, защото все ми се струваше,


че наоколо лети някой и друг изтърван комар.”

81.

Из “Черни дупки и бебета вселени и други есета” Стивън Хокинг,




“При тази семейна среда и работата на баща ми за мен беше естествено да се заема с научни изследвания.
В ранните си години не съм правил разлика между един вид наука и друг. Но след тринадесет-четиринадетгодишната си възраст вече знаех, че искам да се занимавам с изследвания във физиката, защото тя е най-фундаменталната наука.
И то независимо от факта, че в училище тя беше
най-скучният предмет, защото беше прекалено лесна и очевидна. Химията беше например далеч по-забавна с непрекъснатите си изненади като експлозиите.
Но физиката и астрономията предлагаха надеждата да се разбере откъде идваме и защо сме тук. Исках да вникна в най-отдалечените кътчета на Вселената.”

82.

В училище Стивън успява да се задържи в елита, макар

“...едва се промъквах.
Никога не съм стигал по-високо ниво от около средното за класа.
Работата ми в клас беше много немарлива, а почеркът – пълна скръб за учителите.
Но съучениците ми бяха избрали прякора “Айнщайн”, така че вероятно са съзирали обещаващи признаци.

През това време Стивън Хокинг има шест-седем близки приятели, с които води разговори
от радиоуправляемите модели до религията и
от парапсихологията до физиката.
83.

През март 1959 г. Стивън Хокинг се явява на изпит за стипендия в Оксфорд и я спечелва.


На седемнадесет години е и
всички останали състуденти са по-големи.
84.

Хокинг спечелва първа степен в Оксфорд и това според английската оброзателна система му дава право да продължи в Кеймбридж.


Той декларира желанието си да се занимава с изследователска работа в областта на космологията.
Кандидатства за дисертация при най-великия тогава английски астроном Фред Хойл.
Ръководител обаче му става Денис Шама
– неизвестно на Стивън име, но както той си признава –
за добро.
Хойл много пътува,
а Шама винаги е налице и действа стимулиращо
85.

С постъпването в Кеймбридж започва личната драма на Хокинг, тази,


която по ирония на съдбата го прави може би толкова известен.

Само на двайсет и една години е.


Поставена му е диагноза:
болен от амиотрофична лателна склероза (АЛС)
или гръбначна мускулна атрофия, както е известна в Англия.
Отначало болестта се развива бързо:

Струваше ми се, че няма особен смисъл за работя по изследванията си, защото не очаквах да живея достатъчно дълго, за да завърша дисертацията си.


86.

Постепенно болестта забавя темпо и възгледът се променя: “Един от резултатите от болестта ми беше, че настъпи пълен обрат: когато се изправиш пред възможна преждевременна смърт, разбираш, че животът си струва и че има куп неща,


които би искал да направиш.”

87.

Едно от тези прекрасни неща е годежът с Джейн Уайлд, която Хокинг среща почти по времето, когато му поставят диагнозата.


През юли 1965 г. е женитбата му с Джейн
88.

До 1974 г. Хокинг е трудно подвижен, но независим до голяма степен в ежедневието си.


С напредване развитието на болестта отначало му помага един от аспирантите, а после частни медицински сестри.
89.

През 1985 г. се разболява от пневмония и се налага трахеотомия.


Оттук нататък се необходими денонощни грижи.
Говорът става все по-затруднен, писането става с помощта
на секретарка, а изнасянето на семинари –
чрез говорител, който повтаря ясно думите
90.

Общуване чрез компютър.


91.

Калтех, Калифорния

преди една от лекциите на Хокинг
92.

Компютърният специалист от Калифорния Уолт Уолсън изпраща програмата си “Икуалайзър” – изравнител и днес Хокинг макар че говори с американски акцент общува достатъчно активно чрез говорния синтезатор


93.

Бях късметлия, че съм избрал теоретичната физика, защото това бе една от малкото области, където състоянието ми нямаше да е сериозна пречка.


И имах щастието научната ми репутация да расте едновременно с влошаване на състоянието ми.
94.

Из “Стивън Хокинг – живот в науката” , Майкъл Уайт, Джон Грибин

Едно от най-големите достойнства на Хокинг е способността да не тормози останалите с недъгавостта си и от него винаги да блика положителна и жизнеутвърждваща енергия.


Той просто отказва да се остави състоянието му да го повали.
Физиката така го бе ангажирала, че дълбаейки в проблемите за произхода и естеството на Космоса и играейки това, което сам нарича “играта на Вселената”, той не си позволява да отделя време и енергия, за да умува върху здравословното си състояние.

Веднъж, запитан дали някога се е депресирал от невъзможността да се движи и да се изразява нормално, той отвърнал:


95.

Не особено. Въпреки злощастието, което ме сполетя, аз мога да правя това, което искам, и то ме кара да се чувствам пълноценен.”


96.

Коледа 1973

Работейки върху уравненията само и единствено в главата си, след месеци усилена работа Хокинг продължаваше да се натъква на безсмислени резултати.

От уравненията следваше, че



черните дупки излъчват лъчение.

Той, както и всички негови съвременници, смяташе, че това е невъзможно. Все още беше убеден, че е на прав път, но реши да не обсъжда проблема с никого, докато не стигне до някакво смислено решение по един или друг начин.


97.

По време на коледната ваканция прекара няколко самотни седмици в решаване и пререшаване на уравненията в главата си, като се напрягаше да използва по-сложен от когато и да било процес, за да изчисли


досадните несъответствия.

Накрая, през януари 1974 г., Хокинг се престраши и сподели постигнатото с Денис Шиама, който по това време организираше конференция.


И за голяма негова изненада, Шиама погледна на идеята с такъв възторг, че взе разрешението му моментално да я разпространи
98.

Официално резултатите на Хокинг за чернитие дупки биват разгласени на Конференцията, която организира през февруари 1974 г. Шиама


в лабораторията
Ръдърфорд-Апълтън близо до Оксфорд.
Бомбата бе хвърлена.
99.

През март същата 1974 година, само седмици след известяването на лъчението на Хокинг, му бе оказана най-голямата чест в кариерата на всеки учен –


на тридесет и две години той бе поканен да стане член на Кралското научно дружество и практически се озова сред най-младите учени в дългогодишната история на дружеството, на които е оказвана подобна чест.
100.

К. Сейгън: “...На първия ред един млад мъж в инвалидна количка записваше много бавно името си в една книга, на чиито първи страници беше подписът на Исак Нютон. Когато най-сетне приключи, последваха бурни овации. Стивьн Хокинг беше легенда още тогава.
Сега Хокинг е Лукасов професор по математика в Кеймбриджкия университет — пост, заеман някога от Нютон, а по-късно от Дирак — двама знаменити изследователи на много голямото и много малкото.
Той е техен достоен наследник.”

101.
102.
103.
104.
105.
106.

източници



  • http://astronomy4all.com

  • http://ivan-pulsari.hit.bg




  • Черни дупки и бебета вселени и други есета” Стивън Хокинг,

изд. “Наука и изкуство”, София, 1994


  • Стивън Хокинг – живот в науката” , Майкъл Уайт, Джон Грибин




  • Кратка история на времето”, 1999

с въведение на Карл Сейгън

www.blackesthole.hit.bg/relativity_bg.html





База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница