Реферат. "Черные дыры и перспективы их изучения".

Полученная оценка-100%,похвала преподавателя. Работа выполнена в январе 2014 г. ...

Происхождение чёрных дыр
Термин "черная дыра" появился совсем недавно. Его ввел в обиход в 1969 г. американский ученый Джон Уилер как метафорическое выражение представления, возникшего по крайней мере 200 лет назад, когда существовали две теории света: в первой, которой придерживался Ньютон, считалось, что свет состоит из частиц; согласно же второй теории, свет - это волны. Сейчас мы знаем, что на самом деле обе они правильны. В силу принципа частично-волнового дуализма квантовой механики свет может рассматриваться и как частицы, и как волны. В теории, в которой свет - волны, было непонятно, как будет действовать на него гравитация. Если же свет - поток частиц, то можно считать, что гравитация действует на них так же, как на пушечные ядра, ракеты и планеты...

Чёрная дыра, возможно, наиболее фантастическая из всех концепций, созданных человеческим разумом. Чёрные дыры — это и не тела, и не излучение. Они представляют собой сгустки гравитации. Изучение природы чёрных дыр позволяет существенно расширить наше знание о фундаментальных свойствах пространства и времени...

Чандрасекар рассчитал, что если масса холодной звезды более чем в полтора раза превышает массу Солнца, то эта звезда не сможет противостоять собственной гравитации. (Данное значение массы сейчас называют пределом Чандрасекара). Приблизительно в то же время аналогичное открытие сделал советский физик Л. Д. Ландау.Выводы Чандрасекара и Ландау имели важные следствия относительно судьбы звезд с большой массой. Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, то она в конце концов может перестать сокращаться, превратившись в белого карлика - одно из возможных конечных состояний звезды. Белый карлик имеет в радиусе несколько тысяч километров, плотность сотни тонн на кубический сантиметр и удерживается в равновесии благодаря отталкиванию электронов в его веществе, отталкиванию, которое возникает из-за принципа Паули. На небе видно немало белых карликов. Одним из первых был открыт белый карлик, вращающийся вокруг Сириуса - самой яркой звезды на ночном небе. Ландау показал, что звезда может оказаться и в другом конечном состоянии, предельная масса которого равна одной-двум массам Солнца, а размеры даже меньше, чем у белого карлика. Эти звезды тоже должны существовать благодаря возникающему из-за принципа Паули отталкиванию, но не между электронами, а между протонами и нейтронами. Поэтому такие звезды получили название нейтронных звезд. Их радиус не больше нескольких десятков километров, а плотность - сотни миллионов тонн на кубический сантиметр. Когда Ландау предсказал нейтронные звезды, наблюдать их никто не умел, а реальная возможность их наблюдения появилась значительно позже.Физика вне чёрной дырыПо определению, чёрная дыра — это такая область в пространстве-времени, из которой никакая информация, переносимая сигналом, не может достигнуть внешнего наблюдателя. Граница чёрной дыры есть так называемый горизонт событий. После гравитационного коллапса небесного тела и образования чёрной дыры её внешнее гравитационное поле асимптотически приближается к стандартной равновесной конфигурации, известной как поле Керра — Ньюмена, которое характеризуется только тремя параметрами: массой, угловым моментом и зарядом.Пространственно-временное многообразие в окрестности чёрных дыр сильно искривлено. Если чёрная дыра имеет ненулевой угловой момент, то любой объект в окрестности чёрной дыры будет вовлекаться во вращение вихревым гравитационным полем.Чёрная дыра — это сгусток гравитации, на её горизонте нет вещества. Несмотря на это, горизонт выглядит для внешнего наблюдателя (вне чёрной дыры) и ведёт себя как физическая мембрана, сделанная из двумерной вязкой жидкости с определёнными механическими, электрическими и термодинамическими свойствами. Эта удивительная точка зрения, при которой горизонт рассматривается как мембрана, известна как мембранная парадигма (мембранный подход). . В соответствии с этим подходом, взаимодействие горизонта с окружающей Вселенной описывается знакомыми законами для жидкости горизонта, например, уравнением Навье-Стокса, уравнениями Максвелла, уравнением приливной силы и уравнениями термодинамики.Механические свойства мембраны горизонтаВ соответствии с мембранным формализмом, с точки зрения внешнего наблюдателя мембрана чёрной дыры имеет определённую поверхностную плотность массы, поверхностное давление и вязкость.Сможет ли сигнал уйти, зависит от области пространства-времени, которая лежит в будущем по отношению к источнику сигнала. Это означает, что движение горизонта в любой момент времени зависит не от того, что произошло с горизонтом в прошлом, а от того, что произойдёт с ним в будущем.Это свойство можно проиллюстрировать на примере задачи о свободном падении тонкой сферической оболочки вещества с массой ΔM на дыру Шварцшильда с массой M. Пространственно-временная геометрия такова, что она является шварцшильдовской как внутри оболочки, так и вне её. Внутри оболочки шварцшильдовская масса равна M, в то время как снаружи она равна M + ΔM. Тогда сигналы, распространяющиеся со скоростью света по мировым линиям r = 2М, не могут быть границей области, где происходит захват, поскольку эти сигналы и испущенные наружу сигналы в ближайшей окрестности вне r = 2M будут захвачены и затянуты в чёрную дыру добавочной гравитацией оболочки, когда в будущем оболочка пройдёт через них. Истинная граница (т. е. горизонт событий) порождается нулевыми мировыми линиями (генераторами), распространяющимися как раз вне поверхности r = 2М. В прошлом, задолго до того, как оболочка пересечёт горизонт, эта нулевая поверхность практически совпадает с поверхностью r = 2М. Затем эта нулевая область начинает расширяться. Это происходит потому, что мировые линии этих генераторов движутся всё дальше и дальше от поверхности r = 2М. Таково их свойство в пространстве-времени Шварцшильда, и оно не зависит от приближающейся оболочки. Когда оболочка в конце концов проходит через эту поверхность, добавочная гравитация оболочки начинает влиять на движение генераторов поверхности, горизонт перестаёт расширяться и застывает на значении r = 2( М + ΔM ). Такое поведение горизонта диктуется свойствами распространения сигналов со световой скоростью, формирующих горизонт, и условием, что горизонту соответствует значение r = 2( М + ΔM ) после пересечения его оболочкой. Таким образом, положение горизонта и его расширение до пересечения с оболочкой зависят от событий в будущем (коллапса массивной оболочки). Физика внутри чёрной дырыПуть в гравитационную бездну внутренности чёрной дыры является, по существу, эволюцией во времени (движением). Задача о внутренности чёрной дыры является эволюционной задачей. В этом смысле она совершенно отлична от задачи описания внутренней структуры других небесных тел, таких, например, как звёзды.Первые попытки исследовать внутренность чёрной дыры Шварцшильда были сделаны в конце 70-х годов. Было показано, что при отсутствии внешних возмущений те области внутренности чёрной дыры, которые расположены много позднее образования чёрной дыры, практически свободны от возмущений. Это происходит потому, что гравитационное излучение от изначального несферического возмущения становится бесконечно слабым при достижении этих областей. Однако этот результат несправедлив в общем случае, когда угловой момент или электрический заряд не равен нулю. Причина связана с тем, что топология внутренности вращающейся или/и заряженной чёрной дыры существенно отличается от топологии чёрной дыры Шварцшильда. Ключевым моментом здесь является то, что во внутренности чёрной дыры заключён горизонт Коши. Это поверхность с бесконечным синим смещением. Падающее внутрь чёрной дыры гравитационное излучение движется вдоль траекторий, близких к генераторам горизонта Коши, и плотность энергии этого излучения будет претерпевать бесконечное синее смещение при приближении к горизонту Коши.Эволюция во времени внутрь бездны чёрной дыры выглядит следующим образом. Существует слабый поток гравитационного излучения в чёрную дыру через горизонт, поскольку вне её имеются малые возмущения. Когда это излучение достигает горизонта Коши, оно претерпевает бесконечное синее смещение. Гравитационное излучение с бесконечным синим смещением, вместе с излучением, рассеянным кривизной пространства-времени внутри чёрной дыры, приводит к гигантскому росту параметра массы чёрной дыр и, в конце концов, приводит к образованию сингулярности кривизны пространства-времени вдоль горизонта Коши. Здесь возникают бесконечные приливные силы. Этот результат был подтверждён рассмотрением различных моделей входящих и выходящих потоков во внутренних областях заряженных и вращающихся чёрных дыр. Было показано, что сингулярность на горизонте Коши является довольно слабой. В частности, интеграл приливной силы в свободно падающей системе отсчёта по собственному времени остаётся конечным.Если мы пошлем к черной дыре корабль с космонавтом, то по мере его приближения к дыре увидим, что корабль начнет замедлять свое движение и у горизонта остановится.