Выбор фона:
/ Новости сайта / Наука и Технологии / Как умирают черные дыры
19.10.2014

Как умирают черные дыры

Оценка: 3.0    3320 9 Наука и Технологии
14:31
Черные дыры, самые плотные, самые массивные объекты во Вселенной, могут существовать очень долгое время, но они не вечны. Вот, что с ними происходит.

«Сядьте перед фактом, как маленький ребенок, будьте готовы отказаться от всех заранее предуготовленных представлений, смиренно следуйте за природой, в какую бы пропасть она вас ни завела, иначе вы ничему не научитесь», — Томас Хаксли (T.H. Huxley).

Когда речь заходит о черных дырах, вы, вероятнее всего, представляете себе эти сверхплотные и сверхмассивные участки пространства, от которых ничто не может ускользнуть. Ни материя, ни антиматерия, ни даже свет! Вы также, возможно, размышляете над тем, как они продолжают питаться тем, что имеет несчастье оказаться внутри них, в том числе темной материей. Тем не менее, в какой-то момент все черные дыры во Вселенной не только перестают расти, но и начинают уменьшаться и терять массу до тех пор, пока они полностью не испарятся! На этой неделе в рубрике вопросов к Этану мы попытаемся ответить на письмо Павла Жужельского (Paweł Zuzelski), в котором он спрашивает следующее:

В объяснениях излучения Хокинга я часто встречаю следующие строки: «На горизонте событий рождается пара виртуальных частиц. Одна частица попадает внутрь чёрной дыры, а другая улетает, унося с собой часть массы дыры». Обычно рядом с этими строками мелким шрифтом указано, что это является упрощением. Такое объяснение на самом деле, должно быть, представляет собой чрезмерное упрощение: если одна из частиц попадает в черную дыру, то масса последней должна увеличиться на массу этой частицы. В чем тут фокус?

Это чрезвычайно сложная тема, тем не менее, это именно та тема, в которой мы разбираемся. Давайте начнем с объяснения того, что из себя представляет вакуум.

В общей теории относительности пространство и время тесным образом связаны и образуют четырехмерную структуру пространственно-временного континуума. Если вы возьмете все частицы во Вселенной и удалите их на бесконечно далекое расстояние от того района, где мы находимся, если вы примете тот факт, что пространство постоянно расширяется, если вы также удалите все формы излучения и внутреннюю кривизну самого пространства, вы будете вправе сказать, что вы создали плоское пустое пространство.

Но когда вы задумаетесь над тем, что мы живем во Вселенной, где всеми частицами и их взаимодействиями управляет квантовая теория поля, вам придется признать, что, даже если убрать все физические частицы, то физические поля, управляющие их взаимодействиями, все равно останутся. И одним из следствий этого становится тот факт, что то, что мы считаем «плоским пустым пространством», на самом деле не является некой постоянной величиной, лишенной всякой энергии. В этом смысле правильнее было бы рассматривать плоское пустое пространство как квантовый вакуум, в котором присутствует множество квантовых полей.



Возможно, вы слышали о гипотезе о том, что на квантовом уровне Вселенной мы порой сталкиваемся с внутренними неопределенностями, когда речь заходит о конкретных величинах. Мы не можем одновременно знать и месторасположение частицы, и ее импульс, и чем точнее мы измеряем одну из этих величин, тем более неопределенной становится другая. То же самое соотношение неопределенностей применимо к энергии и времени, и это крайней важно.

Если вы посмотрите на то, что считаете абсолютно пустым пространством или вакуумом, но посмотрите на него в течение одного конкретного мгновения, вы должны помнить, что мгновение — это бесконечно малый промежуток времени. В силу действия принципа соотношения неопределенностей общее количество энергии в вашем (даже пустом!) пространстве в этот момент будет чрезвычайно неопределенным. Это значит, что в принципе там могут находиться пары частица-античастица, которые существуют на протяжении самых коротких мгновений в каждый конкретный период времени, при условии что они подчиняются всем известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.

Мы часто слышим, что этот процесс описывается как процесс «появления и исчезновения пар частица-античастица в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение можно назвать вполне наглядным, на самом деле все происходит не совсем так. Речь не идет о реальных частицах в том смысле, что если вы пропустите фотон или электрон через этот участок пространства, он не сможет оттолкнуться от этой частицы квантового вакуума. Вместо этого такое объяснение дает нам возможность увидеть некую внутреннюю «возбудимость» квантового вакуума и представить себе, что существует некий резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам рассматривать энергию, присущую самому вакууму, как сумму энергий всех этих виртуальных частиц.

Я скажу это еще раз, потому что это важно: вакууму присуща энергия, если мы рассмотрим все квантовые флуктации, присущие этому вакууму, и суммируем их, то мы получим его энергию.

Давайте двигаться дальше. Представим себе, что вместо плоского и пустого пространства наше пространство является пустым, но уже искривленным, то есть что существует некий градиент в гравитационном поле пространства.

Как теперь будут выглядеть квантовые флуктуации? В частности, если пространство искривляется в силу присутствия черной дыры, как будут выглядеть эти флуктуации внутри и за пределами горизонта событий?

Это очень важные вопросы, и чаще всего в ответ на них вы получаете ту картину (довольно обманчивую), которая представлена ниже — в сущности, Павел спрашивает нас именно об этом.

Если вы рассматриваете пары частица-античастица как «реальные» объекты и если одна из них ускользает от горизонта событий черной дыры, а другая попадает в него, тогда вы предполагаете, что энергия Вселенной должна увеличиться за счет энергии частиц: половина энергии уходит вовне, а половина добавляется к массе черной дыры. Но эти пары частица-античастица не являются реальными объектами, это всего лишь визуализация (и способ расчета) энергии, присущей самому пространству.

Суть в том, что, когда пространство искривлено, то, как я писал выше, существует некий градиент гравитационного поля. У нас есть флуктуации, которые помогают нам визуализировать энергию, присущую вакууму, но должны быть также флуктуации, которые начинаются за пределами горизонта событий черной дыры и которые попадают внутрь горизонта событий раньше, чем они могут исчезнуть. Но нельзя просто так забрать энергию у вакуума: должно произойти что-то, что поможет сохранить ее. Таким образом, каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) исчезает, должен появиться реальный фотон (или набор фотонов), чтобы компенсировать его исчезновение. И именно этот реальный фотон, покидающий горизонт событий, и есть то, как черная дыра лишается своей энергии.

То, как мы воспринимали этот процесс прежде — то есть когда одна частица пары частица-античастица попадала внутрь дыры, а другая — за ее пределы — слишком наивно, чтобы оказаться полезным, потому что угасание черных дыр вызывают не частицы и античастицы, а скорее фотоны, следующие спектру абсолютно черного тела.

Более правдоподобная картина (лично я предпочитаю именно ее), которая, тем не менее, тоже немного наивна, заключается в том, что все эти квантовые флуктуации сохраняются, но что каждый раз, когда возникает пара частица-античастица, одна из частиц которой попадает внутрь горизонта событий, возникает аналогичная пара частица-античастица, противоположная частица которой также попадает внутрь горизонта событий. Пара частица-античастица, оказавшаяся за пределами горизонта событий, исчезает, выделяя реальные, обладающие энергией фотоны, а частицы, которые попадают внутрь горизонта событий, забирают у черной дыры соответствующее количество массы (E = mc^2).

Это не является идеальной аналогией (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере, на этот раз мы говорим о том, что горизонт событий покидают именно фотоны — как раз это предсказывает теория излучения Хокинга. На самом деле — хотя вам придется выполнить вычисления в рамках квантовой теории поля в искривленном пространстве, чтобы это выяснить — теория излучения Хокинга предполагает, что вы получите фотонный спектр абсолютно черного тела с температурой, вычисляемой по сложной формуле, и эта температура составляет менее 1 микрокельвина для черной дыры такой же массы, как наше солнце, менее 1 пикокельвина для черной дыры, находящейся в центре нашей галактики, и всего лишь несколько десятых аттокельвина для самой большой черной дыры, известной людям. Такие скорости угасания черных дыр, которым соответствует это излучение, являются ничтожно малыми, и это значит, что черные дыры продолжат расти до тех пор, пока они будут поглощать всего один протон на то количество времени, в течение которого существует наша Вселенная. То есть это будет происходить в течение 10^20 с лишним лет.

Потом вследствие излучения Хокинга черные дыры, масса которых равна массе Солнца, наконец, начнут терять больше энергии, чем они будут поглощать, и полностью они испарятся через ~10^67 лет, а самые большие черные дыры во Вселенной исчезнут спустя примерно ~10^100 лет. Это намного больше возраста нашей Вселенной, тем не менее, это не бесконечность. И исчезнут они благодаря механизму излучения фотонов в процессе излучения Хокинга.

Подведем итоги: вакуум обладает нулевой энергией, которая на самом деле не нулевая, и в искривленном пространстве это приводит к возникновению чрезвычайно низкоэнергетического спектра излучения абсолютно черного тела, который образуется прямо на горизонте событий черной дыры. Это излучение забирает массу у центральной черной дыры и приводит к тому, что горизонт событий со временем немного сокращается. Если вы настаиваете на том, что источником этого излучения являются пары частица-античастица, пожалуйста, по крайней мере, представляйте себе сразу две такие пары, чтобы частица одной пары и античастица другой могли исчезнуть, породив при этом реальные фотоны, которые покидают черную дыру, и чтобы та (виртуальная) пара, которая попадет в нее, забрала энергию (или массу) у самой черной дыры.

 
Источник:  http://inosmi.ru/

Поделитесь в социальных сетях

Комментарии 9

0  
rarapurchik 21.10.2014 05:28 [Материал]
В космологии, кажется, наступил период стабилизации и окончательного утверждения общепринятых теорий. На днях, когда сотрудники ЦЕРН, наконец, решили, что поймали-таки бозон Хиггса, Стандартная модель из теории официально превратилась в закон природы. Теперь очередь астрофизиков: они сумели достоверно наблюдать «скелет» Вселенной, состоящий из темной материи, и даже измерили одну из «костей-тазобедренную».Этот массивный «таз», который удачным образом расположен почти точно на оси по направлению к Земле. Протяженность его 18 мегапарсек, это примерно в 6 000 раз больше, чем диаметр нашей галактики. Примерно 9% массы этого протяженного скопления вещества – горячий газ, еще 10% – звездные скопления, остальное – темная материя, собравшая вокруг себя газ и звезды.

Наблюдения позволят определить, из каких конкретно частиц состоит темная материя и в каких пропорциях: пока что полного согласия на этот счет у астрофизиков нет, но финансы на исследования уже им выделены и немалые.
0  
rarapurchik 21.10.2014 05:27 [Материал]
Эти учёные могут стать первыми людьми, которые обнаружат темную материю – субстанцию, отвечающую за четверть массы Вселенной, существование которой, впрочем, эмпирическим путем пока никто не доказал. Гравитационные эффекты, указывающие на следы темной материи, обнаружил альфа-спектрометр AMS-02 спустя полтора года своей работы на Международной космической станции, сообщает сайт CERN.

Открытие, может быть, эпохальное. Об успешных результатах работы альфа-спектрометра заявил нобелевский лауреат по физике 1976 года Сэмюэл Тин. По его словам, детектор зафиксировал в космических лучах около 25 млрд совершенно новых частиц, в том числе 400 тысяч позитронов в диапазоне энергий от 0,5 до 350 гигаэлектронвольт. При этом количество позитронов в общей массе частиц сильно превышало число их античастиц – электронов, посчитыванием которых занимались ученые 16 стран мира на протяжении 14 лет.
Но США и тут опередили всех. Как было заявилено на прессконференции,американским исследователям проекта CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) удалось наконец обнаружить на секретном миниколлайдере в подземельях в штате Миннесота и в ГОЛИВУДЕ частицы темной материи и таким образом экспериментально подтвердить ее существование, теоретически обоснованное и не подвергающееся сомнению уже давно. Впрочем, теперь все только начинается: надо наловить еще больше миллиардов этих частиц, чтобы понять, что они такое, проверить их свойства и для этот задействованы все причастные к тайному экперименту и даже мировые кинозвёзды, которые и смогут прояснить и просветить.Темная материя потому и темная, что обладая массой, не вступает в электромагнитное взаимодействие, а значит, не производит ни видимого света, ни жесткого излучения, ни ультрафиолетового, ни инфракрасного, ни радиоволн. То есть ее нельзя напрямую увидеть не только глазом, но и с помощью большинства приборов, которыми физики разглядывают Вселенную. Это только по плечу режисёрам и специалистам спецэффектов по компьютерной графике.
0  
rarapurchik 21.10.2014 05:27 [Материал]
В октябре 2012 года Питер Хиггс и бельгиец Франсуа Энглер, авторы концепции бозона, стали лауреатами Нобелевской премии за открытие бозона Хиггса – частицы, благодаря которой остальные частицы обретают массу. Хотя существование самой элементарной частицы было предсказано еще в начале 1960-х,кроме всего, не все верили, что она действительно существует, теперь её открыли на Большом адронном коллайдере – огромной подземной установке недалеко от Женевы и поместили в музей элементарных частиц для обозрения. Каждый её может увидеть и даже потрогать, заплатив за входной билет миллиард долларов.Но вот только на самом деле из экспериментальных данных следует лишь то, что из трех тысяч ученых, задействованных в проекте по поиску новых частиц, около ста – российские физики, в том числе из Института ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения Академии наук в Новосибирске, которыми и была обнаружена новая частица, обладающая определенными свойствами. Существующих данных достаточно пока только для того, чтобы сказать, что эти свойства не противоречат теории о бозоне Хиггса Стандартной модели.В теории бозон Хиггса, отвечающий за массу элементарных частиц, английский физик Питер Хиггс нашел еще в 1964 году, но физикам понадобилось 48 лет, чтобы открыть эту частицу на практике. Чтобы открыть все остальные элементарные частицы Стандартной модели, ученым понадобилось гораздо меньше времени. А в некоторых случаях частицы на практике открыли до того, как они были известны в теории, – так произошло с мюоном и тау-лептоном. Аппаратуру, которую на Западе оценивали условно в 100 млн франков, росийские учёные брались сделать за 50 млн. За счет того, и материалы из России были дешевле, и труд наёмных квалифицированных бывших российских безработных физиков, согласных работать за гроши. В итоге деньги оставались и на развитие дополнительных экспериментов, которые исследовали превращение частиц в античастицы (и обратно). Кроме того, большую часть денег выделило Российское государство: есть отдельное соглашение между правительством и ЦЕРНом(Европейская организация по ядерным исследованиям)под эгидой которого осуществлялся проект.Во всех экспериментах, связанных с этими исследованиями, участвует несколько сотен российских физиков и инженеров – из Петербургского института ядерной физики, из Института физики высоких энергий (Протвино), Новосибирского института ядерной физики, Института теоретической и экспериментальной физики, Института ядерных исследований и Физического института (Москва), из МГУ, Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и других. Российская наука и промышленность активно участвовала и в сооружении сложнейших детекторов, и участвует сейчас в их обслуживании и анализе результатов. А всего в каждой излабораторных групп учавствовали тысячи человек со всего земного шара.
0  
rarapurchik 21.10.2014 05:25 [Материал]
Ещё учёный Шотт, дополняя вышеизложенный коммент, предположил, что радиус электрона со временем увеличивается, и это «раздувание» являются источником движения эфира. Эйнштейн предложил возобновить применение термина, изменив его смысл, В отличие от светоносного эфира, физическое пространство не субстанционально, поэтому для пространства, в отличие от эфира Лоренца-Пуанкаре, не возникает трудностей с принципом относительности. Эйнштейн в своей теории относительности приходит к следующим выводам, что Вселенная имеет ограниченные размеры: примерно 200 миллионов световых лет. Теперь это опровергнуто уже фактически астрономией. Размеры вселенной, по мере развития науки и техники, всё более и более расширялись и в настоящее время перешли эйнштейновские пределы.Нет как оказалось пределов и в микромире.
0  
rarapurchik 21.10.2014 05:24 [Материал]
Другой известный учёный Ритц в своей баллистической теории тоже пришёл к выводу о существовании мельчайших светоносных частиц, аналогичных эфирным атомам Циолковского и названных позднее (уже в качестве элементарных частиц) реонами. Ритц построил новую электродинамику, показав эквивалентность её выводов электродинамике Максвелла и объяснив, как возникает магнитное поле, свет, его волновые проявления, дифракция.Учёный А Навье представлял эфир как поперечные волны распространяющихся возмущений в упругой среде.Теория Навье была развита О. Л. Коши (1828), который показал, что, вообще говоря, продольные волны также существуют. Д. Г. Стокс объяснил, что эфир подобен смоле: при быстрых деформациях (излучение света) он ведёт себя как твёрдое тело, а при медленных (скажем, при движении планет) пластичен. В 1839 году Коши усовершенствовал свою модель эфира, создав теорию сжимающегося (лабильного) эфира, позднее доработанную У. Томсоном.Позднее появилось множество моделей эфира, таких как гидростатическая модель,гравитационная, утверждающая, что тяготение есть результат распространения через эфир колебаний («пульсаций») атомов вещества и что эфир содержит множество беспорядочно движущихся микрочастиц. Пульсационную, когда тела в эфире ведут себя подобно синхронно пульсирующим телам в несжимаемой жидкости, между которыми, как известно, возникает притяжение за счёт «отрицательной материи», чьи атомы колеблются в противофазе, и антигравитации. Затем были предложены модели атомов как системы эфирных струй, с помощью которых надеялись объяснить как электромагнитные, так и гравитационные эффекты.
0  
rarapurchik 21.10.2014 05:23 [Материал]
Может кто слышал об эфире?Самоучка Циолковский охарактеризовал свет в своей теории света, как периодический электромагнитный процесс в эфире. При этом эфир в представлении Циолковского отличался от того эфира, который принимало большинство физиков его времени, и который был впоследствии отвергнут как противоречащий опытам. Если для учёных эфир был некой непрерывной сплошной однородной субстанцией с противоречивыми абстрактными свойствами, то Циолковский считал эфир вполне реальной материальной средой, подобно газам состоящей из мириад очень малых частиц ("атомов эфира"), беспорядочно снующих во всех направлениях с огромными скоростями в среднем равными скорости света. Константин Эдуардович писал: "Большинство физиков признаёт ещё эфир как рабочую гипотезу, как чрезвычайно разреженное и упругое вещество, частицы которого по массе в биллионы раз меньше, чем протоны, и в миллиарды раз меньше, чем электроны
Д.И. Менделеев – автор периодической системы элементов и один из создателей молекулярно-кинетической теории газов считал, что атомы эфира должны быть подобны по своим свойствам атомам инертных газов, то есть практически не взаимодействовать друг с другом и веществом, имея при этом много меньшие размеры и огромные скорости порядка скорости света. Имеют место подобным воззрения и в рамках современной фотонной теории и квантовой электродинамики, которые проглядывают в идее фотонов – этих квантов, "атомов" света и электрического поля. Ранее высказывание Аристотеля об эфире, как о некой сплошной абстрактной нематериальной среде (квинтэссенции), заполняющей мир исключительно потому, что Аристотель терпеть не мог пустоты и послужило возникновении идеи светоносной среды. Современная наука не только подтвердила гениальную догадку греков об атомах, но и приняла их идею о существовании светоносных частиц, летящих с огромными скоростями и переносящих свет. Однако и по сей день в этом вопросе нет кристальной ясности. Циолковский же предположил, что именно из атомов эфира, как из мельчайших частиц, построены электроны и атомы вещества. Он писал: "Признаем, условно, атом эфира за основную единицу вселенной". Циолковский вводил микрочастицы эфира не просто как нерегистрируемую среду – носитель света, но и как некий мировой конструкт – элементы, из которых составлено всё сущее.
0  
LNV-i4 19.10.2014 17:48 [Материал]
Черных дыр НЕТ в природе! cool
+4  
maikl2m 19.10.2014 19:11 [Материал]
Как это нет? А карманы чиновников? cool
0  
LNV-i4 19.10.2014 19:23 [Материал]
biggrin biggrin biggrin
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]

Похожие материалы

Разговоры у камина
Календарь
Последние комментарии
Экстремальные погодные условия это признаки надвигающейся войны
Все объясняется просто - при погодных катаклизмах (от sansan)
Космический аппарат NASA оставил беспорядок на астероиде
...а где доказательство .., что это астероид... а (от sprint22)
Космический аппарат NASA оставил беспорядок на астероиде
Интересно! С какого аппарата делались эти снимки? (от alrossa1)
Экстремальные погодные условия это признаки надвигающейся войны
Мне уже поздно на войну ходить, если только сама п (от Partizan-16)