Чорні діри

ОСВІТА ЧЕРНИХ ДІР. ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС. ГРАВІТАЦІЙНИЙ РАДИУС.

КВАНТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ЧЕРНИХ ДЫР.

ТЕРМОДИНАМІКА ЧЕРНИХ ДЫР.

ЧОРНІ ДІРИ І ТЕРМОДИНАМИКА.

ТЕМПЕРАТУРА І ЕНТРОПІЯ ЧОРНОЇ ДЫРЫ.

ТЕРМОДИНАМІКА І ИНФОРМАЦИЯ.

ИНФОРМАЦИООНЫЙ ПІДХІД До ТЕРМОДИНАМИКЕ.

ЕНТРОПІЯ І ИНФОРМАЦИЯ.

ЧОРНІ ДІРИ І ВРЕМЯ.

ЕФЕКТ УПОВІЛЬНЕННЯ ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ ЧОРНОЇ ДЫРЫ.

КВАНТ ПРОСТОРОМ — ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ ЧОРНОЇ ДЫРЫ.

ТИПИ ЧЕРНЫХДЫР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Чорні діри — об'єкти цілком фантастичні за своїми властивостями. «З усіх вигадок людського розуму, від єдинорогів і химер до водневої бомби, напевно, саме фантастичне — це образ чорної діри, відокремленій від решти простору певної кордоном, яку ніщо неспроможна перетнути; діри, яка має настільки сильним гравітаційним полем, що й світло затримується його мертвої хваткою; діри, искривляющей простір і гальмуватиме час. Подібно единорогам і химерам, чорна діра здається більш доречною в фантастичних романах чи міфах давнини, ніж у реальному Всесвіту. І, тим щонайменше, закони сучасної фізики фактично вимагають, щоб чорні діри існували. Можливо, лише наша Галактика містить їх» — так сформулював чорні діри американський фізик До. Торн.

До цього слід додати, що в чорної діри дивним чином змінюються властивості простору й часу, закручивающихся у своєрідну вирву, а глибині перебуває кордон, яку час і розпадаються на кванти… Усередині чорної діри, за краєм тієї свого роду гравітаційної безодні, звідки немає виходу, течуть дивовижні фізичні процеси, виявляються нових законів природы.

Чорні діри є найбільш грандіозними джерелами енергії у Всесвіті. Ми, мабуть, спостерігаємо в далеких квазарах, у взрывающихся ядрах галактик. Вони виникають також по смерті великих зірок. Можливо, чорні дірок" у майбутньому служитимуть джерелами енергії для людства.

ОСВІТА ЧЕРНИХ ДІР. ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС. ГРАВІТАЦІЙНИЙ РАДИУС.

Вчені встановили, що чорні діри повинні виникати внаслідок дуже сильного стискування будь-якої маси, у якому полі тяжіння зростає бо так, що ні випускає ні світло, ні будь-яке інше випромінювання, сигнали чи тела.

Ще 1798 р. П. Лаплас, досліджуючи поширення світла полі тяжіння об'єкта, велика маса якого зосереджена всередині малої області простору, дійшов висновку, що у природі могли трапитися тіла абсолютно чорні для зовнішнього спостерігача. Поле тяжіння таких тіл така велика, що ні випускає назовні променів світла (мовою космонавтики це, що друга космічна швидкість було б більше швидкості світла з). І тому і її, щоб маса об'єкта М була зосереджена області з радіусом, меншим з так званого гравітаційного радіуса тіла Rg. Радиус.

Rg=2GM/c??1,5*10−28 М, гдеG-постоянная тяготения;

М-масса (вимірюється в граммах).

Rg-в сантиметрах.

Висновок Лапласа грунтувався на класичної механіки і теорії тяжіння Ньютона.

Отже, до виникнення чорної діри необхідно, щоб маса зжалася до таких розмірів, у яких друга космічна швидкість стає рівної швидкості світла. Цей розмір називається гравітаційного радіуса і від безлічі тіла. Величина її дуже мала навіть мас небесних тіл. Так, для Землі гравітаційний радіус приблизно дорівнює 1 см, для Сонця — 3 км.

Щоб подолати тяжіння і вирватися із чорного діри, знадобилася б друга космічна швидкість, велика світловий. Відповідно до теорії відносності, ніяке тіло неспроможна розвивати швидкість велику, ніж швидкість світла. Саме тому із чорного діри ніщо неспроможна вилетіти, неспроможна надходити назовні ніяка інформація. Коли будь-які тіла, будь-яке речовина чи випромінювання впадуть під впливом тяжіння в чорну діру, спостерігач будь-коли дізнається, що сталося з ними подальшому. Поблизу чорних дір, стверджують учені, повинні різко змінюватися властивості простору й времени.

Якщо чорна діра виникає й унаслідок стискування обертового тіла, то поблизу її межі все тіла втягуються у обертальне рух навколо нее.

Учені вважають, що чорні діри можуть бути наприкінці еволюції досить масивних зірок. Після вичерпання запасів ядерного пального зірка втрачає стійкість й під дією власної гравітації починає швидко стискатися. Відбувається так званий гравітаційний колапс (такий процес стискування, у якому сила тяжіння нестримно возрастают).

Як-от, наприкінці життя зірки втрачають масу внаслідок цілого ряду процесів: зоряного вітру, перенесення маси подвійних системах, вибуху наднових тощо.; проте відомо, що багато зірок з безліччю, удесятеро, 20 і навіть у 50 разів перевищує сонячну. Малоймовірно, всі ці зірки якось позбудуться «зайвої» маси, щоб у зазначені межі (2−3М?). Відповідно до теорії, якщо зірка чи його ядро з безліччю вище зазначеного краю починає коллапсировать під впливом власної тяжкості, то ніщо неспроможна зупинити її колапс. Речовина зірки буде стискатися безмежно, у принципі, доки стиснеться в точку. У результаті стискування тяжкість лежить на поверхні неухильно зростає - нарешті, настає момент, коли навіть світло неспроможна подолати гравітаційний бар'єр. Зірка зникає: утворюється те, що ми називаємо ЧОРНОЇ ДІРОЮ.

КВАНТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ЧЕРНИХ ДЫР.

Твердження, що кінцеве стан чорної діри стаціонарно, правильно лише рамках звичайній, не квантової теорії тяжіння. Квантові ефекти ведуть до того що, що у насправді чорна діра повинна безупинно випромінювати, втрачаючи у своїй свою энергию.1.

Поле тяжіння чорної діри дуже велике (саме тому вона виробляє над падаючим тілом роботу, сумірну з його енергією спокою). Розглядаючи суто динамічну завдання народження частинок у тому гравітаційному полі, З. Гокінг в 1975 р. показав, що його робить фізичний вакуум2 хистким: завжди наявні у ньому віртуальні (короткоіснуючі) частки які у реальні (довгоживучі). Точніше, в вакуумі поблизу горизонту событий3 полі породжує пари частинок, причому одне з компонент пари йде всередину чорної діри, займаючи стан із негативною енергією, іншу, має позитивну енергію, вилітає назовні, і то, можливо зареєстровано далеким наблюдателем.

У вакуумі постійно народжуються і анігілюють пари віртуальних частинок, яким, проте, бракує енергії для перетворення на реальні довгоживучі частки. У досить сильному зовнішньому полі це недолік енергії то, можливо заповнений роботою, виробленої полем над частинками. Для появи реальної пари з енергією Є (суцільні лінії) необхідно, щоб їх компоненти, перебуваючи в віртуальному стані (пунктир), розійшлися на відстань L, у якому робота поля дорівнює Є. Один із компонент пари (А) падає всередину чорної діри, (Б) йде назовні, зовнішнього спостерігачеві. Сукупність частинок Б це і є випромінювання Хокінга.

Отже, квантові властивості вакууму виявляється у тому, що чорна діра «зобов'язана» випромінювати частки різних сортів, зокрема кванти світла. Вивчаючи властивості цього випромінювання, Гокінг дійшов несподіваного висновку, що має теплової характер: чорна діра світить точно як і, як чорне тіло радіуса Rg, нагрітого до температуры.

?=ћc?/8?kMG?1026 /M,.

де ћ - стала Планка;

k-постоянная Больцмана;

?-температура (вимірюється в градусах Кельвина);

М-масса в граммах.

У цьому як спектр випромінювання (розподіл його за частотах), але й тонкі його характеристики (наприклад, все кореляційні функції) точно таку ж, як в випромінювання чорного тела.

ТЕРМОДИНАМІКА ЧЕРНИХ ДЫР. ЧЕРНЫЕ ДІРИ І ТЕРМОДИНАМИКА.

Відкриття теплового випромінювання чорної діри було цілковитою несподіванкою більшість специалистов.

Дж. Уилер першим звернув увагу, у межах класичної теорії тяжіння сам факт існування чорної діри суперечить другому початку термодинаміки, за яким повна ентропія фізичної системи — величина, характеризує рівень її хаотичності, або збільшується згодом, чи з крайнього заходу залишається постійної. Наприклад, коли всередину чорної діри падає гаряче тіло, що має деяким запасом ентропії, у результаті зовнішній спостерігач бачить зменшення повної ентропії світу, доступного його спостереженню. А ще можна заперечити, сказавши, що «насправді» суперечність із термодинамікою немає, оскільки збільшилася ентропія внутрішньої частини чорної діри. Це так але для спостерігача, падаючого разом із гарячим тілом, який зіштовхнеться ні з порушенням термодинаміки, ні із самою ефектом Хокінга. Проте системою відліку зовнішнього спостерігача внутрішня частина чорної діри взагалі охоплюють. Тож такого спостерігача впале в діру тіло реально зникає (передаючи, звісно, чорну дірку як цілому свої що зберігаються характеристики — енергію, чи масу М, обертальний момент J і заряд Q).

Ці міркування призводять до наступній дилемі: або термодинаміка взагалі забороняє існування чорних дір, або цей об'єкт сам собою має запасом доступною спостереженню ззовні ентропії, яка зростає після падіння нею гарячого тіла. Друга можливість, що й виявилася правильної, означає, що таке тіло передає чорну дірку як цілому як М, момент J і заряд Q, а й свою энтропию.

Проте ще раніше включилися, і його зроблено вибір на користь такої можливості, з’явилося значна частина теоретичних вказівок те що, що властивості одній з характеристик чорної діри — площі його поверхні - справді нагадують властивості ентропії. Одне з вказівок належить до процесів природною еволюції чорної діри — акреції речовини її у, злиттю двох чорних дір у один, і т.п. із повною відсутністю зворотних процесів. Виявляється, з часом сумарна площа поверхні чорних дір, як і ентропія, або зростає, або, в у крайньому випадку, залишається постоянной1.

Взагалі виявилося, що аналогія між фізикою чорних дір і термодинамікою простирається далеченько. Вона належить як до конкретних термодинамічним пристроям (типу теплової машини), і до загальним законам термодинаміки, кожному у тому числі знайшовся свій еквівалент у фізиці чорних дір. Є така еквівалент і в відомого термодинамічної співвідношення dE=?dS, де dE і dS — відповідно зміни енергії і ентропії тіла; ?- температура2. Якщо визначити зв’язок між зміною енергії чорної діри dE=d (Mc?) і зміною його поверхні dF=8?RgdRg, виявляється, вона має вигляд dE=(c?/8?G)gdF, де g=c4/4GM -прискорення вільного падіння лежить на поверхні чорної дыры.

Зіставляючи наведені висловлювання для dE в термодинаміці і фізиці чорних дір, можна дійти наступному висновку: оскільки є аналогія між поверхнею чорної діри F і ентропія P. S, те є і аналогія прискорення вільного падіння лежить на поверхні чорної діри g з температурой?

ТЕМПЕРАТУРА І ЕНТРОПІЯ ЧОРНОЇ ДЫРЫ.

Існування чорної діри саме собою парадоксально. Чорна діра поводиться, як тіло з температурою, рівної абсолютному нулю, що з допомогою чорної діри можна повністю перетворити тепло в работу.

При падінні на чорну діру тіло може дати роботу за минулий рахунок енергії гравітаційного тяжіння до чорну дірку. Якщо якесь тіло вихоплює чорну діру, то уся її енергія разом із «енергією спокою» M0c? (M0 -маса спокою тіла) то, можливо перетворено на работу1.

Отже, за українсько-словацьким кордоном чорної діри повна енергія тіла звернеться в нуль. Можна сміливо сказати, що маса спокою тіла погасится негативною потенційної енергією тіла в гравітаційному полі чорної діри. У звичайних земних умовах потенційна енергія дуже мала проти енергією спокою, отже маса падаючого каменю залишається практично незмінною; під час падіння на полі чорної діри вона звертається до нуль.

Закон тяжіння діє отже сила тяжіння пропорційна масі притягиваемого тіла незалежно від цього, із чим пов’язаний ця маса. Запальний чайник трохи важче холодного; падаючи на чорну діру, гарячий чайник виділить трохи більше енергії (на U/c?, де U — внутрішня енергія), ніж холодний. Чорна діра працює як ідеальний холодильник при Т=0, з яких ніякими способами не можна витягти будь-якої енергії. Це означає, що к.п.д. циклу з чорним дірою як холодильника, по Карно, дорівнюватиме одиниці. Виникає ситуація, яка на вічний двигун другого роду, і порушується теорема Нернста. Такий парадокс мав неминуче навести на думку, що чорна діра неспроможна мати температуру Т=0.

Рішення парадоксу треба було шукати в термодинамічних властивості чорної діри. Перша здогад полягало у следующем.

Якщо чорна діра має температуру, відрізняється від абсолютного нуля, вона має і ентропію. Якщо чорна діра сферически симетрична, не обертається і заряджено, то ентропія може залежати тільки від маси. Але ентропія — величина, яка залежить від одиниць виміру: ентропія ідеального газу визначалася ставленням обсягів продажів і ставленням температур. Кількісна ж значення маси, звісно, залежить від цього, у яких одиницях її вимірюємо — в грамах чи мільйонах тонн. Очевидно, і ентропія чорної діри має визначатися ставленням її маси до якоїсь стандартної еталонною масі. Але якою? Як усе само повинен виглядати вираз для ентропії чорної дыры?

Якісна вирішення завдання вигадали Бекенштейном. Увага його залучила одна теорема загальної теорії відносності. Теорему стверджувала, що які б процеси не відбувалися у системі, яка має чорні діри, сумарна площа поверхонь чорних дір може тільки збільшуватиметься. Ця дуже загальна теорема справляє враження теорему про зростання ентропії. Площа, як і ентропія, величина аддитивная і такий самий як і ентропія, залежить від безлічі чорної діри. Тому було спокуса припустити, що ентропія чорної діри просто пропорційна її площі: S~A. Але як зводити кінці з кінцями, якщо площа A має розмірність квадрата довжини?

У мікросвіті немає свого масштабу довжини. Із двох постійних ћ і з не можна скласти величину з размерностью довжини або часі. І тому треба взяти ще безліч. Тоді довжину можна, наприклад, скласти так: ћ/mc.

У загальній теорії відносності також має масштабу довжини, оскільки його не можна скласти з G і з. Але якщо залучити до допомогу масу, то довжину можна скласти так: Gm/c?.

Об'єднаймо тепер обидві довжини ћ/mc і Gm/c?, склавши їх геометричне середнє (ћG/c?)?. У цьому маса скоротиться. Це і одиниця довжини, запропонована Планком.

Коли Планк ввів дві фундаментальні постійні ћ і k, він зазначив, що з’явилася будувати нової судової системи одиниць, не пов’язану ні з якими штучними еталонами. Це такі единицы: длина lп=(ћG/c?)?=5,110*10−31 м,.

Час tп =(ћG/c5)?=1,7016 *10−43 с,.

Маса mп =(ћc5/G)? =6,189*10−9 кг,.

Температура Тп=1/k (ћc5/G)?=4,028*1031 К.

Одиниці Планка зручні при розрахунку таких систем, де істотні ефекти, як квантові, і гравитационные.

Чорна діра (і його ентропія) здається вдалим кандидатом до застосування одиниць Планка.

Припустимо, що масштаб ентропії пов’язані з постійної длиныlп, тобто. що загальна площа поверхні чорної діри треба розділяти на lп2 із якоюсь коефіцієнтом, про яку, звісно, не можна здогадатися заздалегідь. За підсумками таких невідь що суворих розмірковувань та було висунуто гіпотеза — про тому, що ентропія чорної діри повинен мати вид P. S=??/ lп2, де коефіцієнт? треба обчислити із якихось міркувань особливо. Така здогад виявилася правильної. Коефіцієнт? був вирахувано пізніше Хокингом. Ця людина виявилась рівним ¼.

Знаючи ентропію, можна визначити і температуру. Замінимо площа A її вираженням через гравітаційний радиус:

A=4?Rg?=16?GM?/c4.

Використовуючи одиниці Планка, можна тепер написати формулу для ентропії:

S=16??(M/mп)?.

Температура запишеться як.

T=1/(32??)* mп/M*Tп.

Виключаючи з цих формул масу, матимемо (в одиницях Планка і ?=¼) ST?=1/(16?).

Таке рівняння стану на що схоже. З неї слід, що вищий температура, тим менше ентропія, а при абсолютному нулі ентропія звертається до бесконечность.

Звідси можна зрозуміти, або в міркуваннях помилка, або з чорно дірою відбувається щось серйозної поразки та вона «доживає» нанівець. Однак у рамках класичних уявлень парадокс дозволити виявилося невозможным.

Парадокс зник, коли Гокінг теоретично довів, що поблизу чорної діри відбувається народження частинок. Несподіваним чином з’ясувалося, що теорема про зростання площі поверхні чорної діри перестає бути суворої в квантової механіки і ентропія її можуть зменшуватися завдяки тому, навколо неї створюється потік фотонів, що цю ентропію уносят.

Дуже великий потенціал гравітаційного поля поблизу чорної діри призводить до того, що у його поверхні народжуються пари фотонів (й інші частки). Енергія цих фотонів (як і зміст усіх частинок поблизу чорної діри) дорівнює нулю, тому можуть народитися «з нічого», не порушуючи закону збереження енергії. Після народження пари фотонів них іде у чорну дыру1, а другий з допомогою звільнилася енергії летить на нескінченність. Система працює, як блок: один вантаж опускається, а й за його рахунок піднімається інший. Результатом цього процесу буде зменшення маси чорної діри (отже, і його поверхні), еквівалентну енергії улетевших фотонов.

Теорія цього процесу складна. Та наслідок був цікавий. Чорна діра випромінює фотони, спектр яких збігаються з розподілом Планка, які відповідають температурі (в одиницях Планка, тобто. mп =1 і Tп=1):

T=1/(8?)*1/М.

З цієї формули слід, що коефіцієнт ?=¼.

Отже, чорна діра випромінює як ідеальне чорне тіло (несподівано реалізоване у космосі з дуже великі точностью).

Тепер стає зрозуміло джерело парадоксу. Чорна діра — система нестійка, нерівноважна, тому й поняття про температурі чорної діри — поняття недостатньо точне. Температура чорної діри зростає зі зменшенням маси; народження пар приводить до зменшення маси, отже, і до підвищення температури. Зі збільшенням температури інтенсивність випромінювання збільшується, а температура зростає ще більше. Зрештою, чорна діра повинна згоріти зовсім, причому згоріти за кінцеве время.

ТЕРМОДИНАМІКА І ИНФОРМАЦИЯ.

ИНФОРМАЦИООНЫЙ ПІДХІД До ТЕРМОДИНАМИКЕ.

Ми вже бачили, наскільки важливе до виникнення теплових властивостей чорної діри існування горизонту подій, отделяющего область простору, інформація про яку не сягає зовнішнього спостерігача. Було показано, як і дійти ефекту Хокінга і термодинаміці чорних дір з допомогою простих термодинамічних міркувань, без проведення динамічних розрахунків народження пар на полі чорної діри. Виявляється можливим зробити і такий крок — зв’язати теплові властивості чорної діри просто з самим фактом існування в неї горизонту событий.

Ця можливість полягає в інформаційному підході до термодинаміці, який перегукується з класикам теорії теплоти, було сформульовано Л. Сциллардом розвивалося багатьма фізиками і математиками. Сутність цього підходу полягає у твердженні, що існує прямий зв’язок між недоліком інформації про фізичної системи та величиною її энтропии.

Будучи прикладений до фізики чорних дір, інформаційний підхід прямо свідчить про існування в них відмінній від нуля ентропії і температури, дозволяючи здійснити безпосередній перехід від затвердження «зовнішній спостерігач позбавлений інформації внутрішню частини чорної діри» до утвердження «такий спостерігач побачить чорну діру як гаряче тело».

З іншого боку, фізика чорних дір підкріпила інформаційний підхід, підтвердивши, що будь-який брак інформації про систему, із чим би він був пов’язаний, справді проявляється у виникненні в неї теплових властивостей. Сьогодні, після відкриття ефекту Хокінга та інших ефектів таке ж, ми знаємо кілька механізмів втрати інформації та відповідно кілька механізмів появи теплових властивостей у динамічної системы.

ЕНТРОПІЯ І ИНФОРМАЦИЯ.

Перш ніж надавати кількісну формулювання інформаційного підходи до термодинаміці, нагадаємо звичайну картину переходу динамічної системи до стану термодинамічної рівноваги. У процесі такого переходу система швидко «забуває «своє початкова стан, що відбувається внаслідок «заплутування «(стохастизации) руху з яких складається частинок. Це викликається динамічними непостійностями у системі, які ведуть посилення неминуче присутніх малих невизначеностей початкових значень динамічних змінних. Через війну виникає швидке перемішування станів частинок й рівномірне заповнення всієї доступною в цій системі області значень динамічних переменных.

Такий стан системи, відповідальна равновероятности всіх можливих мікроскопічних станів з яких складається частинок, описується так званим микроканоническим розподілом. З нього автоматично слід, будь-яка досить більшість системи описується формулою Гиббса.

Оскільки рівноважна система «забуває» своє початкова стан, вона характеризується істотно меншою кількістю параметрів (енергією чи температурою, тиском чи обсягом тощо.), ніж повне число її ступенів свободи. Тому стан термодинамічної рівноваги вырождено: кожному набору хіба що перелічених макроскопічних параметрів відповідає величезну кількість N різних микросостояний системи, що реалізують цей набір. Мірою цього виродження і є ентропія системи S=k ln N.

Равновероятность різних микросостояний термодинамічно рівноважної системи означає, чого жодне їх не можна віддати перевагу іншому. Тому що більше величина N, тим меншим обсягом даних про микроструктуре системи ми маємо, і ентропію вважатимуться мірою неповноти інформацію про істинної мікроскопічної структурі рівноважної системы.

Ми підійшли, в такий спосіб, до інформаційного визначенню ентропії. Аби їх дати його точну формулювання, слід впровадити таке найпростіше визначення зміни кількості інформації ?І попри деякий процесі. Якщо спочатку було P равновероятных відповіді питання, що стосується якогось елемента чи явища, тож під кінець їх кількість стало p, то зміна інформацію про цьому предметі чи явище є.

?І=k ln (P/p).

Якщо P>p, ми маємо справу зі зростанням інформації (наші відомості стали певними), у протилежному разі - з її убылью.

Застосуємо сказане до процесу переходу динамічної системи до стану термодинамічної рівноваги (мал.2).

Рис. 2. Приклад, який ілюструє справедливість співвідношення ?І=-?S — необоротне розширення газу пустоту.

Спочатку газ займає ліву половину устрою — обсяг v0 (вгорі). Після підняття заслінки газ розширюється, заповнюючи вдвічі більший обсяг. Через війну невизначеність у становищі молекул газу (і кількість відповіді запитання) також вдвічі: P/p=½. Відповідно спад інформації про стан молекул визначатиметься співвідношенням ?I=-k ln 2. З термодинаміки відомо, що світовий приріст ентропії (однією молекулу) в такому процесі є ?S=k ln 2, що відповідає рівності ?S=-?I.

Спочатку систему було суто динамічної, її ентропія дорівнювала нулю, і ми точно знали на запитання про її микросостоянии: P=1. Наприкінці її ентропія збільшилася на? P. S, а число відповіді зазначене питання виросло до значення N. Поэтому? I=-k ln N, і ми дійшли важливого соотношению:?S= - ?I.

Зменшення кількості інформації про фізичної системі відповідає збільшення її энтропии1. Понад те, Якщо ця втрата інформації така, що проект відбиває равновероятность всіх допустимих микросостояний, то наша система описується микроканоническим розподілом, та її підсистеми — формулою Гіббса. Бо у наведених міркуваннях неможливо фігурував конкретний механізм втрати інформації, сказане однаково стосується й звичайному гарячого тілу, і до чорну дірку. Можна додати, що діти наші затвердження не суперечать звичайному уявленню у тому, що тепло відповідає хаотичного стану речовини. Адже хаос у якнайширшому сенсі - і є равновероятность різних микросостояний, коли одне з яких не можна віддати перевагу іншому. Водночас це й відсутність інформації внутрішню структурі системы.

Важливо підкреслити, що, кажучи про неповноту та втрати інформації, ми мали у вигляді, звісно, об'єктивну неможливість одержувати інформацію про стан системи — неможливість, характерихующую саму систему, а чи не субъекта-наблюдателя. Останній міг би просто відмовитися від одержання повної інформації, не використовуючи, наприклад, всіх можливостей вимірювальної техніки. Зрозуміло, до такої ситуації сказане вище ні з найменшої мері не належить. Досить розглянутий вище приклад народження пар в електричному полі, коли відмова реєструвати позитронную компоненту випромінювання хоч і означатиме втрату інформації, проте призводить до термодинамической формулі Гіббса. У той самий час народження пар на полі тяжіння, коли є обрій подій і втрата інформації має об'єктивний, непереборний характер, веде саме до цієї формуле.

ЧОРНІ ДІРИ І ЧАС. ЕФЕКТ УПОВІЛЬНЕННЯ ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ ЧОРНОЇ ДЫРЫ.

Щільне тіло великий маси як змінює геометричні властивості простору навколо себе, а й на темп течії часу й швидкості, що протікають поблизу процессов.

Нехай ?t — інтервал часу між двома подіями, що відбувається з відривом r від центру тіла (r=R тіла), в такий спосіб, події відбуваються лежить на поверхні тіла. Отже, t — свій час, час, обмірюване спостерігачем лежить на поверхні тіла.

Нехай ?? — проміжок часу між тими ж подіями, який фіксувати спостерігач, віддалений від послуг цього тіла «на нескінченність» (зване координатне время).

З теорії відносності слід, що ці інтервалу пов’язані між собою співвідношенням ([4], с.334):

??= ?t/?(1-Rg/r)= ?t/?(1−2GM/rc2).

Очевидно, що й r >> Rg, то ??= ?t — великих відстанях від гравитирующей маси координатне час збігаються з собствееным, тобто. щоб ми не перебували лежить на поверхні цього тіла чи багато далі від цього час буде один і той ж. Але якщо r? Rg, то, при будь-якому інтервалі власного часу? t маємо ??? ?, тобто, якщо спостерігач перебуває в великій відстані від чорної діри, йому здається, що час між подіями змінюється надто повільно, а спостерігач які перебувають лежить на поверхні чорної діри скаже, що час між подіями мало заметно.

Під інтервалом часу? t можна передбачати й період електромагнітної хвилі T=1/?=?/c, в такий спосіб ?=?0/?(1-Rg/r).

Звідси випливає, що довжина хвилі ?, регистрируемая спостерігачем, буде більше довжини хвилі ?0, испускаемой атоиои з відривом r від центру конфігурації, і за r? Rg, ?? ?.

Цей ефект уповільнення часу — ефект червоного усунення довжин хвиль поблизу гравитирующей маси (необхідно враховувати в вивченні стискування ядра зірки великий на кінцевому етапі эволюции).

Потому, як поверхневі шари зірки перетнуть сферу Шварцшильда, генеровані ними промені світла не вийти до віддаленому спостерігачеві. Тому сфера Шварцшильда іменується ще обрієм подій, а стиснення зірки ми за неї - гравітаційним самозамыканием.

Уявімо, що спостерігач «вигідно» влаштувався на верхньому прошарку сжимающегося ядра. Він фіксує свій час. Він виявив, що з руху із будь-якої відстані r =10Rg до r =Rg минуло лічені секунди. Швидкість руху збільшилася до швидкості світла. Перехід через поверхню сфери Шварцшильда йому тривав мгновение.

Цілком іншу картину фіксує спостерігач, котра сидить близько телескопа у далекій галактиці. Він швидкість руху верхнього шару V спочатку як і зростає (при r =2Rg, V=?c!), потім рух сповільнюється, і за r? Rg зменшується нанівець. Момент проходження через поверхню сфери Шварцшильда, з погляду віддаленого спостерігача «відстрочений» в нескінченно далеке будущее.

КВАНТ ПРОСТОРОМ — ЧАСУ НА ПОВЕРХНІ ЧОРНОЇ ДЫРЫ.

Не знаючи ніякої теорії про чорні діри, як і можна було одержати формулу для кванта часу т простору в сингулярності (???). А отримати це можна зробити, використовуючи метод размерностей.

Оскільки гравітація тут дуже великий, то квант часу у сингулярності (та простору квант) залежить від Gгравітаційної постійної. Оскільки йдеться у тому, що час і лінійні розміри, що є якісними характеристиками у чорних дірах, є постійно поточними, а, навпаки, є прерывными. Тобто час квантуется, отже, квант часу залежить від постійної Планка (ћ). І ще квант часу (?) залежить від швидкості світла (з). Тобто система параметрів така: ?,ћ, G, c.

Складемо з цих параметрів безрозмірну комбінацію, з допомогою якої знайдемо формулу для кванта времени.

?*ћx*cy*Gz =1(1).

Визначимося з размерностями фізичних величин, які входять у вираз (1): [ћ]=Дж*с=Н*м*с=кг*м*с-2*м*с=кг*м?*с-1; [з] = м* с-1; [G] =м?* с-2 кг-1; [?]=с.

Підставимо замість параметрів їх одиниця виміру в рівняння (1) і спростимо его.

с*кгx*м2x*с-x*мy*с-y*м3z*с-2z*кг-z=1.

с1-x-y-2z*кг x-z*м 2x+y+3z=1.

Вислів (1) тільки тоді бути безрозмірним, якщо показники ступенів дорівнюватимуть нулю.

1-x-y-2z=0 x=-½?

x-z=0 => z=-½.

2x+y+3z=0 y=2.5.

Підставимо в рівняння (1) значення x, y, z.

? ћ-½c 5/2 G -½=1.

?=?(ћG/c5)(2).

Тобто ми маємо, користуючись теорією розмірностей формулу для кванта часу, а знаючи її формулу можна отримати роботу формулу для кванта простору в сингулярності (l=c* ?).

l=?(ћG/c3)(3).

Лінійні характеристики як і не є безперервними величинами, тобто. квантуються. Отже, видно, що ні знаючи складної теорії, можна не так важко отримати якісні характеристики для чорних дір. Найголовніше вірно знайти систему параметров.

ТИПИ ЧЕРНИХ ДЫР.

До цього часу ми наголошували на виникненні у Всесвіті чорних дір зоряного походження. Астрономи мають підстави припускати, що, крім зоряних чорних дір, є ще інші діри, мають зовсім іншого историю.

З теорії зоряної еволюції відомо, що чорні діри можуть бути на заключних стадіях життя зірки, коли він втрачає стійкість й випробовує необмежене стиснення під впливом сил тяжіння. У цьому маса зірки мусить бути досить великий, інакше еволюція зірки може призвести до освітою або білого карлика, або нейтронної зірки. ([1]. с.82).

Крім чорних дір (звичайних), що виникають у кінці зоряної еволюції і має таку ж маси, як зірки, можуть існувати й більш масивні чорні діри, які утворюються, наприклад, внаслідок стискування великих мас газу центрі кульових зоряних скупчень, в ядрах галактик чи квазарах.

А чи можуть існувати у Всесвіті чорні діри, маса яких в багато разів менше маси звичайних звезд?

Відповідно до сучасним космологічним уявленням Всесвіт розширюється від сверхсжатого сингулярного стану. Можна припустити, що речовина у Всесвіті у її розширення пройшла всі стадії від плотностей ~ 1093г/см? до сьогоднішньої середньої щільності, не яка перевершує 10 -29г/см?. Отже, у минулому Всесвіту, коли щільність речовини була чудовещно велика, були передумови до виникнення чорних дір як завгодно малих мас. На можливість їх виникненню вперше вказали Я. Б. Зельдович і І.Дз. Новиков ще шістдесяті роки. Знайти настільки малі освіти у величезних теренах космосу надзвичайно складно, і тому вони ще виявлено. Сьогодні різні способи пошуків таких чорних дір, що дістали назву первинних, — предмет численних досліджень, і дискуссий.

На початку 1960;х років ХХ століття було відкрито незвичайні небесні тіла — квазары.

У перебігу минулих десятиліть з’ясувалося, що квазари — це незвичайно активні котрі випромінюють ядра великих галактик. Часто у яких спостерігаються могутні рухи газів. Самі зірки галактики навколо таких ядер звичайно видно через величезного відстані та порівняно слабкого їх світіння порівняно з світінням квазара. З’ясувалося як і, що ядра багатьох галактик нагадують свого роду маленькі квазарчики і виявляють іноді бурхливу активність — викид газу, зміна яскравості тощо., — хоча й таку потужну, як справжні квазари. Навіть у ядрах зовсім звичайних галактик, разом із нашою власну, спостерігаються процеси, які свідчать, що й «працює» маленьке подобу квазара.

Те, що у центрі галактики може виникнути гігантська чорна діра, тепер здається природним. У насправді, газ, що у галактиках між зірками, поступово під впливом тяжіння повинен осідати до центра, формуючи величезне газова хмара. Стиснення цього хмари або його частини повинно призвести до виникненню чорної діри. З іншого боку, у частинах галактик перебувають компактні зоряні скупчення, містять мільйони зірок. Зірки тут можуть руйнуватися приливними силами при близьких прхождениях близько вже посталої чорної діри, а газ цих зруйнованих зірок, рухаючись близько чорної діри, потім потрапляє у нее.

Падіння газу сверхмассивную чорну діру має супроводжуватись явищами, схожими на ті, ми говорили у разі зоряних чорних дір. Тільки тут має відбуватися прискорення заряджених частинок в змінних магнітних полях, які приносяться до чорну дірку разом із падаючим газом.

Усе це вкупі і призводить явищем квазара і до активності галактичних ядер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Чорні діри — цілком виняткові об'єкти, схожі на що, відоме досі. Не тіла у звичному значенні слова не випромінювання. Це дірок" у просторі і часу, виникаючі через дуже сильного викривлення простору й зміни характеру течії часу у стрімко наростаючому гравітаційному поле.

Чорні діри є у певному розумінні й дуже простими об'єктами. Їх властивості неможливо залежить від властивостей сколлапсировавшего речовини, від усіх складнощів будівлі речовини, його атомної структури, що у ньому фізичних полів, не залежить від того, було речовина воднем чи залізом тощо. При освіті чорної діри для зовнішнього спостерігача все властивості сколлапсировавшего тіла хіба що зникають, де вони впливають і кордон чорної діри, на що інше в зовнішньому просторі, залишається тільки гравітаційного поля, характеризуемое лише двома параметрами — масою і обертанням. Цим визначаються і форма чорної діри, і його розміри, й інші її властивості. Отже з повною визначенністю можна сказати, що немає нічого простішого чорної дыры.

Але й немає нічого більш складного, ніж чорна діра, — адже людське уяву навіть у змозі собі уявити собі, наскільки відбувається искривленин простору й зміна течії часу, що мені виникає діра.

1. Минуле і майбутнє Всесвіту. Під ред. А. М. Черепащук, М., Наука, 1986 г.

2. И.Новиков. Чорні діри і Всесвіт. М., «Молода гвардія», 1985 г.

3. Дж.Нарликар. Від чорних хмар до чорних дірок. М., Энергоатомиздат, 1989 г.

4. И. А. Климишин. Астрономія нашого часу. М., Наука, 1986 г.

5. И.Николсон. Тяжіння, чорні діри і Всесвіт. М., Світ, 1983 г.

6. Я. А. Смородинский. Температура. М., Наука, 1987 г.

7. Енциклопедичний словник по физике.

8. Енциклопедичний словник юного астронома.

1 До цього висновку можна прийти, згідно з законом збереження енергії у «класичній механіці; енергія світловий корпускули маси m лежить на поверхні тіла маси M, рівна mc?/2-GmM/Rg, має бути меншою нуля (її мінімальної енергії на бесконечнрсти).

1 Тому саму назву «чорна діра», запроваджене ще до його відкриття ефекту Хокінга, втратила свій початковий смысл.

2 Фізичний вакуум (сучасний аналог поняття порожнечі) — стан, у якому немає реальні частицы.

3 Обрій подій — це поверхню сфери гравітаційного радиуса.

1 Це справедливе в неквантовой теорії тяжіння: ефект Хокінга веде до зменшення поверхні, сопровождающемуся зростанням ентропії, що з излучением.

2 Для простоти виписана лише теплова складова dE. Складова, відповідальна роботі, має для обертового зарядженого тіла вид? dJ+?dQ, де? — кутова швидкість;? — електричний потенціал. Точнісінько таку ж складова виникає у вираженні зміни енергії обертовою зарядженої чорної дыры.

1 Ця робота реалізується у вигляді потужного випромінювання електромагнітних і гравітаційних волн.

1 Можна сказати, що фотони, провалюючи в чорну діру, набувають негативну (потенційну) энергию.

1 Зазначимо, що мати місце та зворотна ситуація, коли придбання додаткової інформації про внутрішній стані системи можна використовувати зменшення її ентропії, тобто. для часткового її упорядкування. На цьому заснована наука про управління. Відповідні технічні устрою — регулятори — обов’язково мають спеціальний орган для вилучення інформації про регульованої системе.