litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3


УО МО «Каменский городской округ»

МОУ «Бродовская общеобразовательная школа»


Фантастические «чёрные дыры» - это миф или реальность



Учебно-исследовательская работа по физике и астрономии


Исполнитель: Куликов Артём

Ученик 9 класса


Руководитель: Жданова Вера

Петровна

учитель физики, астрономии

  1. категории



пгт. Мартюш

2010


Содержание

  1. Введение………………………………………………………………………2

  2. Основная часть: ……………………………………………………..............3

1) Чёрные дыры – что это такое……………………………………................3


    1. Невидимые миру звёзды………………………………………..........3

    2. Небесная механика чёрных дыр……………………………………4

    3. «Чёрные дыры не имеют волос»……………………………………6

    4. Бездонные чёрные дыры…………………………………………….7

    5. За краем гравитационной бездны…………………………………..8

    6. Размеры, температура чёрной дыры……………………………...11


2)Чудеса в небесах…………………………………………………………............11


2.1 Тунгусское чудо……………………………………………………………...11

2.2 Антигравитационные вихри……………………………………...............13

2.3 Отонные катастрофы самолётов………………………………………….16

2.4 Космонавтика и чёрные дыры…………………………………………….23

2.5 Морская мощь чёрных дыр………………………………………………..24


  1. Заключение………………………………………………………………….27



I Введение

Каждый, конечно, слышал или читал о чёрных дырах. О них часто говорят в передачах по телевидению, по радио, пишут в газетах, в журналах и книгах разного жанра – от научных монографий до художественной и даже детской литературы. Откуда такая популярность?


Дело в том, что чёрные дыры – объекты совершенно фантастические по своим свойствам. «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов до химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое – это образ чёрной дыры, отделённой от остального пространства определённой границей, которую ничто не может пересечь; дыры, обладающей настолько сильным гравитационным полем, что даже свет задерживается его мёртвой хваткой; дыры, искривляющие пространство и тормозящие время. Подобно единорогам и химерам, чёрная дыра кажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем в реальной Вселенной. И, тем не менее, законы современной физики фактически требуют, чтобы чёрные дыры существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их» - так сказал о чёрных дырах американский физик К. Торн.

К этому следует добавить, что внутри чёрной дыры удивительным образом меняются свойства пространства и времени, закручивающихся в своеобразную воронку, а в глубине находится граница, за которой время и пространство распадаются на кванты.…Внутри чёрной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.

Чёрные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной.

Они возникают также после смерти больших звёзд. Возможно, чёрные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества.

Я понял, что меня это очень интересует, но больше всего меня заинтересовала информация, которая рассказывает о влиянии «чёрных дыр» на землю. Поэтому тему своей работы я выбрал «Фантастические «чёрные дыры» - это миф или реальность». Чтобы раскрыть тему я поставил перед собой следующие задачи:


  1. Выяснить, что такое «чёрная дыра»

  2. Откуда во Вселенной появляются тела с огромной силой тяготения - «чёрные дыры»

  3. Как можно преодолеть силу притяжения «чёрной дыры»

  4. Какое влияние на Землю оказывают «чёрные дыры»


Чтобы реализовать поставленные перед собой задачи я посетил школьный информационный центр, районную библиотеку, имени Пушкина Г. К.-Уральского, интернет. Использовал информацию с фильмов ВВС, журналов по астрономии, энциклопедии.


  1. Основная часть

1) Чёрные дыры – что это такое?

1.1 Невидимые миру звёзды. Чёрная дыра является порождением тяготения. Поэтому предысторию открытия чёрных дыр можно начать со времён И. Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения – закон, управляющий силой, действию которой подвержено абсолютно всё. Ни во времена И. Ньютона, ни сегодня, спустя века, не обнаружена иная столь универсальная сила. То, что свет притягивается массивными телами, предполагал ещё И. Ньютон. С этого факта, с понимания того. Что свет также подчинён силам тяготения, и начинается предыстория чёрных дыр, история предсказания их поразительных свойств.

Одним из первых это сделал знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас. Глубокое убеждение П. Лапласа в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела, позволило ему написать следующие знаменательные слова:

«Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не даёт ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».

Как рассуждал П. Лаплас? Он рассчитал, пользуясь теорией тяготения Ньютона, величину, которую мы теперь называем второй космической скоростью, на поверхности звезды. Это та скорость, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то силы тяготения затормозят и остановят движение тела и заставят его снова подать к тяготеющему центру. В наше время космических полётов каждый знает, что вторая космическая скорость на поверхности Земли равна 11 километрам в секунду. Вторая космическая скорость на поверхности небесного тела тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус этого тела. Это понятно: ведь с ростом массы тяготение увеличивается. А с ростом расстояния от центра оно ослабевает.


Представим себе, рассуждал П. Лаплас, что мы возьмём небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далёкого наблюдателя, и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет!

Если увеличивать массу небесного тела, добавляя к нему вещество с той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.

Теперь понятен вывод, сделанный П. Лапласом: чтобы тяготение задержало свет, надо взять звезду с веществом той же плотности, что и Земля, а диаметром в 250 раз больше солнечного, то есть в 27 тысяч раз больше земного. Действительно, вторая космическая скорость на поверхности такой звезды будет тоже в 27 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и примерно сравняется со скоростью света: звезда перестанет быть видимой.

Это было блестящим предвидением одного из свойств чёрной дыры – не выпускать свет, быть невидимой. Справедливости ради надо отметить, что П. Лаплас был не единственным учёным и формально даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Мичелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию П. Лапласа. Но предвидение П.Лапласа и Дж. Мичела ещё не было настоящим предсказанием чёрной дыры. Почему?

Дело в том, что во времена П. Лапласа ещё не было известно, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено А. Эйнштейном в специальной теории относительности уже в нашем веке. Поэтому для П. Лапласа рассматриваемая им звезда была только чёрной (несветящейся), и он не мог знать, что такая звезда теряет способность вообще как-либо «общаться» с внешним миром, что-либо «сообщать» далёким мирам о происходящих на ней событиях. Иными словами, он ещё не знал, что это не только «чёрная», но и «дыра», в которую можно упасть, но невозможно выбраться. Теперь мы знаем, что если из какой-то области пространства не может выйти свет, то, значит, и вообще не может выйти, и такой объект мы называем чёрной дырой.


Другая причина, из-за которой рассуждения П. Лапласа нельзя считать строгими, состоит в том, что он рассматривал гравитационные поля огромной силы, в которых падающие тела разгоняются до скорости света, а сам выходящий свет может быть задержан, и применял при этом закон тяготения Ньютона. А.Эйнштейн показал, что для таких полей теория тяготения Ньютона неприменима, и создал новую теорию, справедливую для сверхсильных, а также для быстроменяющихся полей (для которых Ньютоновская теория также неприменима), и назвал её общей теорией относительности. Именно выводами этой теории надо пользоваться для доказательства возможности существования чёрных дыр и для изучения их свойств.

1.2 Небесная механика чёрных дыр. Согласно Ньютоновской теории тяготения любое тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым – гиперболе или параболе, - либо по замкнутой кривой – эллипсу (в зависимости от того, велика или мала начальная скорость движения). У чёрной дыры на больших от неё расстояниях поле тяготения слабо, и здесь все явления с большой точностью описываются теорией Ньютона, то есть законы Ньютоновской небесной механики здесь справедливы. Однако с приближением к чёрной дыре они нарушаются всё больше и больше.

Познакомимся с некоторыми важнейшими особенностями движения тел в поле тяготения чёрной дыры.

По теории Ньютона, если скорость тела меньше второй космической, то оно движется по эллипсу около центрального тела – тяготеющего центра (ТЦ). У эллипса есть ближайшая к ТЦ точка (периастр) и наиболее удалённая (апоастр). По теории Эйнштейна, в случае движения тела со скоростью, меньшей второй космической, траектория его также имеет периастр и апоастр, но она уже не эллипс; оно движется по незамкнутой орбите, то, приближаясь к чёрной дыре, то снова удаляясь от неё. Траектория вся целиком лежит в одной плоскости, но вблизи чёрной дыры она может выглядеть весьма причудливо. Если же она лежит достаточно далеко, то вид её представляет собой медленно поворачивающийся в пространстве эллипс.


Очень интересно рассмотреть простейшее периодическое движение тела в поле чёрной дыры по круговой орбите. По теории Ньютона, движение по кругу возможно на любом расстоянии от ТЦ. Из теории Эйнштейна следует, что это не так. Чем ближе к ТЦ, тем больше скорость движущегося по окружности тела. На окружности, удалённой на полтора гравитационных радиуса, скорость обращающегося тела достигает световой. На ещё более близкой к чёрной дыре окружности движение его вообще невозможно, ибо для этого ему потребовалась бы скорость больше скорости света.

Но, оказывается, в реальной ситуации движение по окружности вокруг чёрной дыры невозможно и на больших расстояниях, начиная с трёх гравитационных радиусов, когда скорость движения составляет всего половину скорости света. В чём же причина?

Дело в том, что на расстояниях меньше трёх гравитационных радиусов движение по окружности неустойчиво. Малейшее возмущение, сколько угодно малый толчок заставят вращающееся тело уйти с орбиты и либо упасть в чёрную дыру, либо улететь в пространство. Но, пожалуй, самое интересное и необычное в новой небесной механике – это возможность гравитационного захвата чёрной дырой тел, прилетающих из космоса.

Напомним, что в Ньютоновской механике всякое тело, прилетающее к тяготеющей массе из космоса, описывает вокруг неё параболу или гиперболу и (если не «стукнется» о поверхность тяготеющей массы) снова улетает в космос – гравитационный захват невозможен. Иначе обстоит дело в поле тяготения чёрной дыры. Конечно, если прилетающее тело движется на большом расстоянии от чёрной дыры (на расстоянии десятков гравитационных радиусов и больше), там, где поле тяготения слабо и справедливы законы механики Ньютона, то оно движется почти точно по параболе или гиперболе. Но если оно пролетает достаточно близко от дыры, то его орбита совсем не похожа на гиперболу или параболу. В случае если оно вдали от чёрной дыры имеет скорость много меньше световой и его орбита подходит близко к окружности с радиусом, равным двум гравитационным радиусам, то оно обернётся вокруг чёрной дыры несколько раз, прежде чем снова улетит в космос. Этот случай изображён на рисунке 2.


Наконец, если вращающееся тело подойдёт вплотную к указанной окружности на расстоянии двух гравитационных радиусов, то его орбита будет на эту окружность навиваться; тело окажется гравитационно захваченным чёрной дырой и никогда, снова не улетит в космос. Если тело подойдет ещё ближе к чёрной дыре, оно упадёт в чёрную дыру и также окажется гравитационно захваченным.

Прежде чем перейти к другим физическим явлениям в поле тяготения чёрной дыры, сделаем ещё одно замечание, касающееся второй космической скорости. Мы уже говорили раньше, что для второй космической скорости справедлива формула теории Ньютона и тело, обладающее такой и большей скоростью, навсегда улетает от чёрной дыры в космос. Однако мы можем сделать оговорку.

Очевидно, что если тело движется к чёрной дыре непосредственно вдоль радиуса, то, какую бы скорость оно ни имело, оно врежется в чёрную дыру и не улетит в космос.

Более того, нам теперь известно, что если тело будет двигаться хоть и не прямо по радиусу к чёрной дыре, но орбита его пройдет на достаточно близком расстоянии от чёрной дыры, то оно будет гравитационно захвачено. Следовательно, чтобы вырваться из окрестностей чёрной дыры, мало иметь скорость больше второй космической, надо ещё, чтобы направление этой скорости составляло с направлением на чёрную дыру угол больше некоторого критического значения. Если угол будет меньше, тело гравитационно захватится, если больше (и скорость равна второй космической), то улетит в космос. Значение этого критического угла зависит от расстояния до чёрной дыры. Чем дальше от неё, тем меньше критический угол. На расстоянии нескольких гравитационных радиусов надо уже точно «прицелится» в чёрную дыру, чтобы быть ею захваченной.

1.3 «Чёрные дыры не имеют волос» До сих пор мы говорили только о чёрных дырах, возникающих при сжатии сферических тел и обладающих, поэтому сферически симметричным полем тяготения. А какая чёрная дыра может возникнуть при сжатии не сферического, например сплюснутого, тела? Мы пока будем говорить только о не вращающихся телах, оставив вопрос о вращении до следующего раздела.


Итак, до сжатия тело имело не сферическое гравитационное поле. Означает ли это, что возникает сплюснутая чёрная дыра со сплюснутым полем тяготения? Долгое время ответ на этот вопрос был неизвестен, и эту задачу решили лишь сравнительно недавно. На самом деле никаких сплюснутых или других несимметричных чёрных дыр существовать не может. В первый момент после возникновения чёрная дыра имеет действительно искажённую, сплюснутую форму. Но эта дыра не может сохраняться постоянно во времени. Подобно тому, как плёнка мыльного пузыря, если бы мы его растянули, а потом отпустили, быстро принимает сферическую форму, точно так же граница «искажённой» чёрной дыры быстро принимает гладкую сферическую форму. В результате возникает совершенно сферически симметричная чёрная дыра с совершенно сферически симметричным внешним полем тяготения, которое характеризуется только одной величиной – массой тяготеющего центра.

Таким образом, чёрные дыры могут быть и большие (массивные) и маленькие, но во всём остальном они подобны друг другу.

1.4


следующая страница >>