Черные дыры и элементарные частицы

Байдин А.Э.,Воронин А.С., Митрофанов А.В.

Целью данной работы является формирование понятий: черная дыра, элементарная частица, горизонт событий, сингулярность, взаимодействие, квазары .Данный информационный ресурс можно использовать на факультативных занятиях по астрономии (при изучении нашей Вселенной) или физики в 10-11 классах средней школы.

В настоящее время неизвестно существуют черные дыры или нет. Если они даже существуют, то они находятся на большом расстоянии от нас, что затрудняет их изучение. В случае более детального изучения черных дыр, возможно ученым-теоретикам удалось бы объединить квантовую механику (микромир) и ОТО (макромир) в единую теорию квантовой гравитации. В данной работе сравниваются объекты микромира и макромира. Существование черных дыр подразумевает существование сингулярности. С помощью ее объясняются модели Фридмана (образование вселенной), т.е. при объяснении темы Вселенная можно коснуться объяснения объекта черная дыра. При изучении темы "Ядерные реакции" можно уточнить, что существует процесс, при котором энерговыделение на два порядка больше, чем при ядерных реакциях (слияние черных дыр).

История исследования черных дыр

В 1928 г. Субраманьян Чандрасекар во время путешествия по морю в Англию вычислил, какой величины должна быть звезда, чтобы, израсходовав весь запас топлива, она могла противостоять собственным гравитационным силам.

Чандрасекар рассчитал, что холодная звезда массой превышающей в 1.5 раза массу Солнца не может противостоять собственной гравитации. Данное значение массы называют пределом Чандрасекара.

Приблизительно в то же время аналогичное открытие сделал .Д.Ландау.Выводы, сделанные Ландау и Чандрассекаром, имели большое значение, в представлении об эволюции звЈзд с большой массой. Ландау показал, что звезда может оказаться в другом конечном состоянии- нейтронном. По современным данным, если масса звезды к концу еЈ жизни превышает 1.25 масс Солнца, то она может превратиться в нейтронную звезду.

В 1939 г. Дж. Р. Оппенгеймер согласно общей теории относительности решил, что должно произойти со звездой, масса которой в конце жизни превышает предел Чандрасекара. Радиус звезды достигнет некоторого критического значения, гравитационное поле будет очень большим, и световые конусы повернутся внутрь настолько, что свет не сможет выйти наружу. Звезда после этого будет сжиматься до бесконечного значения плотности- коллапсировать.Теоретические исследования, проведЈнные в 60-е годы Брендоном Картером, Вернером Израэлом, Д. Робинсоном, С. Хоукингом, показали, что с точки зрения внешнего наблюдателя чЈрная дыра имеет три характеристики: масса M, электрический заряд Q и собственный момент импульса J. Все остальные свойства вещества в чЈрной дыре теряются.

В 1916- 1918 гг. Х. Райсснер и Дж. НордстрЈм нашли решение, описывающее чЈрную дыру с массой М и электрическим зарядом Q. В 1963 г. австрийский математик Рой П. Керр получил решение уравнений поля для черной дыры с массой М и собственным моментом импульса J. Через два года Э. Ньюмен с соавторами нашел решение, в котором фигурировали все три характеристики чЈрных дыр: M, Q, J.

В 73-74-м гг. Хокинг исследовал квантовые эффекты в поведении вещества в окрестности чЈрной дыры. Он обнаружил, что чЈрные дыры должны испускать частицы- фотоны, электроны и нейтрино - и что, с точки зрения удалЈнного наблюдателя, это излучение будет иметь сплошной спектр, какого можно ожидать в излучении абсолютно чЈрного тела.

Черные дыры и их свойства.

Как известно, черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что даже свет не может покинуть эту область. Это происходит, если размеры тела меньше его гравитационного радиуса

Rg=2GM/c2

где G - постоянная тяготения, c - скорость света, М - масса тела. Гравитационный радиус Солнца 3 км, Земли - около 9 мм.

Общая теория относительности А. Эйнштейна предсказывает удивительные свойства черных дыр, из которых важнейшее - наличие у черной дыры горизонта событий. Для невращающейся черной дыры радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом. На горизонте событий для внешнего наблюдателя ход времени останавливается.

Космический корабль, посланный к черной дыре, с точки зрения далекого наблюдателя, никогда не пересечет горизонт событий, а будет непрерывно замедляться по мере приближения к нему. Все, что происходит под горизонтом событий, внутри черной дыры, внешний наблюдатель не видит.

Космонавт в своем корабле в принципе способен проникнуть под горизонт событий, но передать какую-либо информацию внешнему наблюдателю он не сможет. При этом космонавт, свободно падающий под горизонтом событий, вероятно, увидит другую Вселенную и даже свое будущее ... Связано это с тем, что внутри черной дыры пространственная и временная координаты меняются местами и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени.

Еще более необычны свойства вращающихся черных дыр. У них горизонт событий имеет меньший радиус, и погружен он внутрь эргосферы - области пространства-времени, в которой тела должны непрерывно двигаться, подхваченные вихревым гравитационным полем вращающейся черной дыры.

Столь необычные свойства черных дыр многим кажутся просто фантастическими, поэтому существование черных дыр в природе часто ставится под сомнение.

Из классической